新型自适应屋顶瓦片可降低供暖和制冷成本,无需电子设备

新型自适应屋顶瓦片可降低供暖和制冷成本,无需电子设备

加州大学圣巴巴拉分校的研究人员创造了一种自适应屋顶瓦片,通过使用蜡电机根据温度改变表面特性来降低建筑物的供暖和制冷成本,在初始测试中显示出显着的节能效果。

在典型的美国建筑中,大约50%的能源用于供暖和制冷。这花费了大量资金,燃烧了化石燃料,并给已经老化的能源基础设施带来了压力,尤其是在极端温度时期。

这也是加州大学圣塔芭芭拉分校研究人员Charlie Xiao、Elliot Hawkes和Bolin Liao希望能有所作为的问题。在《设备》杂志上的一篇论文中,三人组提出了一种自适应瓷砖,当部署在屋顶上的阵列中时,可以降低冬季的取暖费用和夏季的制冷费用,而无需电子设备。

自适应磁贴的工作原理

“它在加热状态和冷却状态之间切换,具体取决于瓷砖的温度,”该研究的主要作者肖说。“目标温度约为65°F-约18°C。

 

这种被动式温度调节装置大约四英寸见方,融合了廖在热科学方面的专业知识和霍克斯在机械设计方面的工作——一种可移动的表面,可以响应一系列温度来改变其热特性。几年前,他们在圣巴巴拉和北加州之间的长途车程中萌生了这个项目的想法。

磁贴的开发和功能

“我们当时的配偶都在斯坦福大学,所以我们在旅行,想知道我们可以一起做些什么,”廖说,他和霍克斯一样,是UCSB机械工程系的教授。然后,他们从校园内的加州纳米系统研究所获得了种子资金,用于设计机械可调热设备。

直到肖旭东想到使用蜡电机,自适应屋顶瓦片的想法才最终成型。蜡的体积随其所处温度的变化,蜡电机产生压力,移动机械部件,将热能转化为机械能。蜡电机常见于各种电器中,例如洗碗机和洗衣机,以及更专业的应用,例如航空航天工业。

就瓷砖而言,蜡电机根据其状态,可以推动或缩回关闭或打开瓷砖表面百叶窗的活塞。因此,在较冷的温度下,当蜡是固体时,百叶窗是关闭并平放的,露出吸收阳光并最大限度地减少辐射散热的表面。

优势和测试结果

但是,一旦温度达到18°C左右,蜡就会开始融化和膨胀,将百叶窗推开,露出反射阳光并散发热量的表面。

此外,在熔化或冷冻过程中,蜡也会吸收或释放大量热量,进一步稳定瓷砖和建筑物的温度。

“因此,我们有一个非常可预测的开关行为,可以在一个非常紧密的范围内工作,”Xiao解释道。根据研究人员的论文,测试表明,与覆盖有传统反射或吸收涂层的非开关设备相比,冷却能耗降低了 3.1 倍,加热能耗降低了 2.6 倍。由于采用蜡电机,无需电子设备、电池或外部电源即可操作设备,并且与其他类似技术不同,它的响应速度在目标范围的几度内。此外,其设计的简单性使其易于定制——可以使用不同的热涂层和各种类型的蜡来使设备在所需的温度范围内运行,同时也有助于大规模制造。

“该设备仍然是一个概念验证,但我们希望它能带来新技术,有朝一日可以对建筑物的能源消耗产生积极影响,”霍克斯说。

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