零能耗设备可降低全年建筑温度控制的能源需求

动态设备无需电源即可在加热和冷却模式之间切换，节省能源。

一种新的热管理设备可以感应温度，并根据温度变化改变形状，从而加热或冷却，而无需使用任何外部能量。开发商表示，通过补充商业供暖和制冷技术，零能耗设备可以降低全年建筑温度控制的能源需求。

供暖和制冷占全球能源消耗的近一半。为了减少温度管理产生的温室气体排放，研究人员最近加快了对高性能技术的研究，这些技术可以在不消耗大量能源的情况下调节温度。

这样做的一种方法是分别利用太阳和外层空间作为冷热源。例如，智能窗可以由热或电触发，在寒冷天气吸收太阳的红外热量或在夏天反射太阳的红外热能之间切换。为了实现零能量选择，一些研究小组研制了被动辐射冷却系统，该系统以直接穿过地球大气层的红外波长将热量直接射入外层空间。

中国天津南开大学的研究人员Rujun Ma和同事们试图制造一种通过感知温度变化在加热和冷却模式之间切换的双模设备。“热管理的最终目标是温度控制，”Ma表示，“因此拥有一个温度响应系统是最有意义的。虽然已经生产出能响应温度变化的变色窗和红外调制器，但它们既可以加热也可以制冷，但不能两者兼而有之。”

新设备的独特之处在于它能够跨越从可见波段到红外波段的波长工作，“覆盖整个有助于辐射热管理的区域，包括太阳能加热和辐射冷却，”Ma说。

研究小组从喜马拉雅兔的皮毛中寻找灵感，这种皮毛在天气温暖时是白色的，但在寒冷时会变暗。

该设备由两个主要层组成。顶层是一个发射红外辐射的温度敏感致动器板。这一层是由特殊设计的聚合物制成的，对温度变化的反应不均匀，使它在寒冷时卷起，在炎热时展开。底层是一种热致变色基材，可根据温度改变颜色，也可吸收可见光。

在加热模式下，当环境温度较低时，致动器板卷曲，热致变色基板变灰，吸收阳光，并升温。相反，在冷却模式下，致动器平放并覆盖基板，反射阳光并发射红外辐射，以吸走基板中的任何热量。模式切换的触发温度可以通过调整致动器中的聚合物和基板中的热致变色粉末来调整。

在实验室中，这个4×4厘米长的装置持续了500个滚动和展开周期。Ma和他的同时也在室外测试了该设备，他们在《美国国家科学院院刊》上发表的论文中对此进行了详细描述。根据现场实验，他们计算出该装置的太阳能加热功率约为每平方米252.2瓦特，制冷功率约为59.7瓦特/平方米。

研究人员将这些数字转换为基于一月温度加热和七月冷却的节能设置。计算表明，与日前报道的其他温度响应型热管理设备相比，该设备在温度控制方面节省了最多的能量。

“这将显著提高热能利用效率，”Ma说，“尽管在太阳能加热功率和辐射冷却功率方面仍有很大的改进空间。”