全天候智能屋顶涂层样品，旨在冬季保持室内温暖，夏季保持室内凉爽，无需消耗天然气或电力。该设备看起来像透明胶带，可以贴在固体表面，如屋顶。美国能源部劳伦斯·伯克利国家劳动实验室的科学家们的研究发现指出，一项突破性的技术在节能方面优于商用冷屋顶系统。功劳:吴俊桥，劳伦斯柏克莱国家实验室科学家已经开发出一种全天候智能屋顶涂料，它可以在冬天保持房屋温暖，在夏天保持房屋凉爽，而不消耗天然气或电力。12月17日出版的《科学》杂志报道的研究结果指出，一项突破性的技术在节能方面优于商用冷屋顶系统。“我们的全季节屋顶涂层可以根据室外空气温度自动从让您保持凉爽切换到温暖。这是一个无能源、无排放的空调和供暖设备，”伯克利实验室材料科学部的教员科学家、加州大学伯克利分校材料科学与工程教授吴俊桥说，他领导了这项研究。
今天的凉爽屋顶系统，如反射涂层、薄膜、木瓦或瓷砖，具有浅色或深色的“凉爽颜色”表面，通过反射阳光来冷却房屋。这些系统还以热红外辐射的形式发射一些吸收的太阳热；在这个被称为辐射冷却的自然过程中，热红外光从表面辐射出去。
吴解释说，许多冷屋顶系统的问题是，它们在冬天继续散热，这推高了供暖成本。“我们的新材料——称为温度适应性辐射涂层或TARC——可以通过在冬天自动关闭辐射冷却来节省能源，克服过冷问题，”他说。TARC是第一个屋顶涂层，通过调节其辐射冷却速度，在热天冷却和冷天变暖之间自动切换。
一个适合所有季节的屋顶
“几年前，我想知道，如果有一种材料能够在炎热天气的辐射冷却和寒冷天气的热量保持之间自动切换，那该多好，”他说。“然后我想，二氧化钒可以做到这一点。”
金属通常是电和热的良导体。2017年，吴和他的研究团队发现，二氧化钒中的电子的行为就像金属对电，但绝缘体对热——换句话说，它们导电良好，不需要传导太多热量。“这种行为与大多数其他金属形成对比，在这些金属中，电子按比例传导热和电，”吴解释说。
低于约67摄氏度(153华氏度)的二氧化钒对热红外光也是透明的(因此不吸收热红外光)。但是一旦二氧化钒达到67摄氏度，它就会转变成金属状态，吸收热红外光。这种从一相转换到另一相的能力——在这种情况下，从绝缘体转换到金属——是所谓相变材料的特征。
吴2017年的研究表明，用钨代替二氧化钒中仅1.5%的钒，这种技术被称为“掺杂”，将材料的相变阈值降低到25摄氏度，即77华氏度，这是现实应用的理想温度。
为了了解二氧化钒在屋顶系统中的表现，吴和他的团队设计了一个2厘米×2厘米的薄膜器件，该器件由三层组成:由银制成的反射底层、由氟化钡组成的透明中间层和包含有序二氧化钒“岛”块的顶层
吴说，“看起来像透明胶带，可以像屋顶一样贴在固体表面上”。
目前的研究展示了二氧化钒在TARC薄膜中惊人的全天候多功能性，并将其性能与商用深色屋顶涂层和商用白色屋顶涂层进行了比较。
在一项关键实验中，合著者唐克超去年夏天在吴的东湾家中进行了一项屋顶实验，以证明该技术在现实环境中的可行性。
安装在吴家阳台上的无线测量设备连续记录了样本、商用深色屋顶样本和商用白色屋顶样本在多天内对阳光直射和室外温度变化的响应。
TARC如何在节能方面表现出色
研究人员随后利用户外实验的数据模拟了TARC在代表美国大陆15个不同气候区的城市中全年的表现
吴邀请了该研究的合著者、伯克利实验室能源技术领域的热岛小组负责人、工作人员科学家罗宁·莱文森(Ronnen Levinson)帮助他们完善屋顶表面温度模型。莱文森研究冷表面(如反射屋顶、墙壁和人行道)的技术、优势和政策已近三十年，他开发了一种方法，通过一组超过100，000个建筑能源模拟来估算TARC的节能量，此前，热岛集团曾在全美范围内对冷屋顶和冷墙壁的优势进行评估。
吴的团队使用这种方法来预测每年通过减少夏季制冷能源和冬季供暖能源的需求而节省的能源。
芬尼根·赖切茨(Finnegan Reichertz)是奥克兰东湾创新学院(East Bay Innovation Academy)的一名12年级学生，去年曾作为吴的暑期实习生远程工作，他帮助模拟了和其他屋顶材料在研究人员为这篇论文研究的15个城市或气候区中的每一个的特定时间和特定日期的表现。
研究人员报告称，根据模拟实验，在15个气候区中的12个，TARC在节能方面优于现有的屋顶涂料，尤其是在昼夜温差较大的地区，如旧金山湾区，或冬夏温差较大的地区，如纽约市。
“安装了TARC，美国普通家庭可以节省高达10%的电力，”唐说。
即使在寒冷的天气里，标准的冷屋顶也具有高太阳反射率和高热发射率(通过发射热红外辐射来释放热量的能力)。
根据研究人员的测量，TARC全年反射约75%的阳光，但当环境温度较高(高于25摄氏度77华氏度)时，它的热发射率较高(约90%)，促进了热量向天空的损失。莱文森说，在较冷的天气里，TARC的热发射率会自动切换到较低水平(约20%)，这有助于保持来自太阳能吸收和室内供暖的热量。
伯克利实验室分子铸造厂使用先进工具进行的红外光谱实验结果验证了模拟结果。
“简单的物理学预言会成功，但是我们很惊讶它会如此成功，”吴说。“我们最初认为从变暖到变冷的转变不会如此戏剧性。我们的模拟实验、室外实验和实验室实验证明并非如此——这真的很令人兴奋。”
研究人员计划开发更大规模的TARC原型，以进一步测试其作为实用屋顶涂料的性能。吴说可能有潜力成为一种热防护涂层，以延长智能手机和笔记本电脑的电池寿命，并保护卫星和汽车免受极高或极低温度的影响。它还可以用来制作帐篷、温室覆盖物，甚至帽子和夹克的调温织物。
该作品的共同主要作者是董和李。
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