智能亚环境辐射冷却涂料

智能亚环境辐射冷却涂料
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年10月30日提交的美国临时申请编号62/927,756的优先权，现将其全部内容通过引用并入本技术。


背景技术：

3.炎热天气下的建筑冷却对我们的社会至关重要，它为人类提供热舒适，并改善健康和生产力。城市建筑冷却的峰值需求对电网构成了巨大挑战，并可能导致停电。此外，空调中使用的制冷剂气体是温室气体排放的最大贡献者之一。被动冷却，例如，无需电力输入和无温室气体排放的冷却，为缓解电力需求以及建筑冷却的负面环境影响提供了有吸引力的解决方案。
4.最近，亚环境日间辐射冷却(sdrc)的理论和实验证明代表了实现日间被动冷却的突破。这些辐射冷却材料利用大气的红外透射窗口(transparency window)(在8μm至13μm的波长范围内)，通过黑体辐射将处于环境温度的物体的热量直接传输至温度为3k(-270℃)的寒冷外部空间。事实上，这种辐射效应正是人们在夏夜待在户外时感到寒冷的原因。然而，为了使用相同的效果在直射阳光下产生亚环境日间冷却，材料必须克服直射阳光产生的热量。为了实现这一点，采用各种方法设计了日间辐射冷却材料，以反射大部分阳光，从而使太阳的热量吸收低于辐射冷却水平。基于上述sdrc概念，最近开发了用于建筑行业的流体调节的冷却系统。然而，这些sdrc涂料的设计和制造通常依赖于复杂的光子微结构、贵金属反射镜(mirrors)、超材料或危险的化学工艺的使用，极大地限制了其实际的大规模建筑冷却应用。另外，在不同地区的直射阳光下，这些现有装置中报告的亚环境日间冷却范围为2.1℃至6.0℃，一般来说，由于夜间热量输入较少，其夜间冷却功率比日间强得多。当不再需要冷却(或者需要取暖以保持室内热舒适)时，这些设计的更强的夜间冷却能力可能会导致在寒冷的冬季(尤其是在夜间)的过冷效应。最后，由于温度变化的扩大可能会在建筑结构中产生显著的热应力，从而将扩大可能危及建筑围护结构使用寿命的日间温差。
5.研究界面临的一个有趣问题是，商业使用的建筑涂料材料是否可以被设计为实现增强的亚环境日间冷却，同时抑制夜间过冷，即以环保且经济高效的方式实现“智能”亚环境辐射冷却(ssrc)。太阳能反射冷却屋顶涂料是在炎热气候下用于建筑冷却的最广泛使用的有效材料。经过几十年的发展努力，现在已经有了广泛的商用建筑涂料材料。这些材料在建筑中使用方便，成本低，并且显示出优异的耐久性，这实际上是将当前sdrc技术转变为建筑冷却应用的实际障碍。然而，传统的基于tio2的冷却屋顶涂料的典型太阳光反射率为约85％，这不够高，不足以满足sdrc的严格要求。因此，开发新的物理概念来设计这些传统的建筑涂料材料代表了实现ssrc的有前景的经济高效的途径。
6.因此，需要改进的涂料材料，以解决或克服至少一些上述挑战。


技术实现要素：

7.本文提供的建筑涂料材料可以以低成本进行设计，并在735w/m2(夜间4℃)的直射
阳光下出乎预料地产生6℃(成比例模型的建筑为7℃)的增强日间辐射冷却，产生64.5w/m2的日间冷却功率。本文描述的sdrc设计与文献中现有的方法有很大不同。尽管tio2颗粒在紫外线区域有很强的吸收，但通过添加荧光材料，部分吸收的太阳能被有效转化为荧光发射，以产生更好的有效太阳光反射率(esr)，从而降低整体太阳能吸收。另外，传统的建筑涂料材料在整个中-红外区域具有较宽的发射率光谱，而不是使用与大气透射窗口匹配的窄光谱。因此，被动冷却材料可以进入另一个冷源，天空，它可以增强日间冷却，同时抑制夜间的过度冷却，从而产生上述ssrc。除了扩展srdc设计示例之外，我们的结果还消除了现有sdrc系统的主要障碍，这些障碍阻碍了在建筑中的大规模实际应用。
8.在第一方面中，本文提供一种智能亚环境辐射冷却(ssrc)涂料，该涂料包含tio2颗粒，选自由sio2、caco3、sic、zno、al2o3、zno、baso4、si3n4及其混合物组成的组的无机颗粒，荧光颜料颗粒，和聚合物，其中ssrc涂料在3μm至50μm具有约0.90的宽带发射率。
9.在第一方面的第一实施方案中，本文提供第一方面的ssrc涂料，其中ssrc涂料在3μm至16μm具有大于0.90的红外发射率。
10.在第一方面的第二实施方案中，本文提供第一方面的ssrc涂料，其中tio2颗粒包括金红石晶体结构、锐钛矿晶体结构或其混合物。
11.在第一方面的第三实施方案中，本文提供第一方面的ssrc涂料，其中无机颗粒包括空心玻璃微球。
12.在第一方面的第四实施方案中，本文提供第一方面的第三方面的ssrc涂料，其中无机颗粒包括空心玻璃微球。
13.在第一方面的第五实施方案中，本文提供第一方面的ssrc涂料，其中荧光颜料颗粒包含稀土金属掺杂的lupo4、稀土金属掺杂的sr2mgsi2o7、稀土金属掺杂的caal2o4、稀土金属掺杂的mgal2o4、稀土金属掺杂的baal2o4、稀土金属掺杂的sral2o4或其混合物。
14.在第一方面的第六实施方案中，本文提供第一方面的第五实施方案的ssrc涂料，其中稀土金属是eu和任选地一种或多种选自由dy、yb和tb组成的组的共掺杂剂。
15.在第一方面的第七实施方案中，本文提供第一方面的ssrc涂料，其中荧光颜料颗粒包括sral2o4:eu
2
,dy
3
,yb
3
。
16.在第一方面的第八实施方案中，本文提供第一方面的ssrc涂料，其中聚合物包括聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸烷基酯、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸烷基酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸及其混合物以及它们的共聚物。
17.在第一方面的第九实施方案中，本文提供第一方面的ssrc涂料，其中聚合物包括聚(苯乙烯-共-丙烯酸丁酯)。
18.在第一方面的第十实施方案中，本文提供第一方面的ssrc涂料，ssrc涂料还包含润湿剂、分散剂、消泡剂、悬浮剂、均化剂、聚结剂、水或其混合物。
19.在第一方面的第十一实施方案中，本文提供第一方面的ssrc涂料，其中tio2颗粒，无机颗粒，荧光颜料颗粒和聚合物分别以4-5:0.5-1.5:2-3:6-7的质量比存在。
20.在第一方面的第十二实施方案中，本文提供第一方面的第十一实施方案的ssrc涂料，其中ssrc涂料在8μm至13μm具有0.92至0.97的红外发射率。
21.在第一方面的第十三实施方案中，本文提供第一方面的ssrc涂料，其中tio2颗粒包括金红石晶体结构；无机颗粒包括空心玻璃微球；荧光颜料颗粒包括sral2o4:eu
2
,dy
3
,
yb
3
。
22.在第一方面的第十四实施方案中，本文提供第一方面的第十三实施方案的ssrc涂料，其中ssrc涂料在8μm至13μm具有0.92至0.97的红外发射率。
23.在第一方面的第十五实施方案中，本文提供第一方面的第十三实施方案的ssrc涂料，其中tio2颗粒，空心玻璃微球，sral2o4：eu
2
,dy
3
,yb
3
和聚合物分别以4-5:0.5-1.5:2-3:6-7的质量比存在。
24.在第一方面的第十六实施方案中，本文提供第一方面的第十五实施方案的ssrc涂料，其中ssrc涂料在8μm至13μm具有0.94至0.96的红外发射率。
25.在第一方面的第十七实施方案中，本文提供第一方面的第十五实施方案的ssrc涂料，ssrc涂料还包含润湿剂、分散剂、消泡剂、悬浮剂、均化剂、聚结剂、水或其混合物。
26.在第二方面中，本文提供一种ssrc涂料制剂，该制剂包含第一方面的ssrc涂料和一种或多种溶剂。
27.在第三方面中，本文提供一种将第二方面的ssrc涂料制剂施用至基板表面的方法，该方法包括：将ssrc涂料制剂施用至基板表面，从而在基板表面上形成ssrc涂料；以及任选地固化ssrc涂料。
28.sdrc为全球能源效率提供了一条有前景的无电和无制冷剂途径。然而，目前的sdrc系统要求严格的表面设计(既不经济高效，也不环保)，以选择性地向外层空间发射热辐射，同时最大限度地提高太阳光反射率。这里，我们开发了一种通用方法，通过使颗粒散射、太阳光激发荧光和中-红外宽带辐射相结合，利用独特的自适应sdrc效应来升级传统建筑涂料材料。我们还从理论上证明，与天空的热交换可以消除传统sdrc中共振微结构和贵金属反射镜的使用，还可以增强日间冷却，同时抑制夜间的过冷。当暴露在直射阳光下时，我们在铝板上的升级涂层可以在744wm-2
(850wm-2
)的太阳光强度下达到比环境温度低6℃(成比例模型的建筑为7℃)，产生64.5wm-2
的冷却功率。结果为高性能sdrc在建筑中用于人类热舒适的大规模实际应用奠定了基础。
29.图1显示了荧光增强智能亚环境辐射冷却(顶部)的概念图，以及屋顶(左下)和比例模型建筑(右下)的冷却性能。
30.所有建筑材料制(made)涂料将部分太阳能吸收转化为荧光发射，从而有利地提高其有效太阳光反射率，以实现亚环境日间辐射冷却。
31.建筑材料配制为使其在太阳光谱区同时具有高反射率，和在整个中-红外和远红外区域的增强的宽带发射率。与仅利用窄大气透射窗口的选择性辐射器相比，天空可被用作额外的冷源，以提高宽带辐射器(broadband radiator)在日间的冷却性能(降低6℃)，同时抑制夜间的冷却(降低4℃)。
32.ssrc涂料可在正午时间在比例模型建筑上实现7℃的冷却，还展示了独特的环保和高度可扩展的功能，以及优异的耐候性。
33.为保持人体热舒适而进行的主动建筑冷却是一项能源密集型活动，是城市地区最大的能源消耗。最近，sdrc代表了被动冷却技术的一项突破，该技术最大限度地减少了太阳能吸收，并最大限度地向外层空间散热。这里，我们提出了一个结合颗粒散射、太阳光激发荧光和中-红外宽带辐射的微妙设计概念，通过该概念可以以低成本设计传统建筑涂料材料以实现ssrc。通过装置和现场建筑模型试验二者，我们证明了基于我们所有建筑材料的
环保ssrc涂料的广泛适用性。这项研究为通过先进的ssrc涂料技术实现无电建筑冷却开辟了创新的经济高效的途径。
附图说明
34.当结合附图时，本公开的上述以及其他目的和特征将从以下对本公开的描述中变得显而易见，其中：
35.图1描述了荧光增强智能亚环境辐射冷却(上)的概念图，以及屋顶(左下)和比例模型建筑(右下)的冷却性能。
36.图2描述了智能亚环境辐射冷却的理论分析。(a)设计涂料的冷却机制示意图。(b)标准太阳光谱，i
am1.5
(λ)，大气透射光谱，t
atm
(λ)，30℃的黑体辐射光谱，b(λ，30℃)，理想吸收光谱，选择性辐射器和宽带辐射器的a
rc
(λ)。(c)根据公式(1)计算宽带辐射器和选择性辐射器的冷却温度，并与测量的环境温度进行比较；(d)为宽带辐射器和选择性辐射器计算的p
rad-p
atm
。
37.图3描述了fr和白色涂料的微观结构和光学性能。(a)ssrc涂料的sem显微照片。左图是横截面视图图像；右边的两个图是微米级荧光颗粒和空心玻璃微球的放大图。两幅图像均显示了tio2纳米颗粒的均匀分布。ssrc涂料(未激发状态下)和白色涂料的(b)红外发射率光谱和(c)太阳吸收光谱，分别与大气透射率光谱和标准太阳光谱重叠(overlaid)。(d)ssrc涂料的吸收光谱、荧光激发光谱和发射光谱，与标准太阳光谱重叠。(e)ssrc涂料的改良esr、冷白涂料的太阳光反射率(sr)和引出(extracted)的荧光减少的太阳能吸收(esr-sr等于产生的荧光上通量(upflux))。
38.图4描述了铝板上ssrc涂料的冷却性能。2018年9月5日(a)和2018年10月3日(b)正午时间在北京测量涂覆铝板在入射太阳辐照度和dlr强度下的冷却性能。(c)2018年10月4日在北京ssrc涂料在午间和夜间的冷却温度的比较。(d)针对逐步上升的热输入(热输入功率在每个时间段开始时显示在顶部)，测量相对于环境空气温度的ssrc涂料温度。当ssrc涂料表面达到环境空气温度时，热输入等于净冷却功率)。*图中下方标记的t
dp
和ah值指的是试验期间的露点温度和绝对湿度。
39.图5描述了铝板上fr和白色涂料的测量冷却效果。在(a)2018年8月23日中午时间和(b)2018年8月27日一整天内，ssrc涂料和白色涂料之间冷却效果的比较。插图是午间曲线的放大。
40.图6描述了ssrc涂料对比例模型建筑冷却效果的连续现场试验。(a)上图：2018年8月21日至2018年8月27日期间，测量的比例模型建筑屋顶表面上涂覆的ssrc涂料对环境空气温度的亚环境冷却效果；下图：计算的环境空气和涂覆屋顶表面之间的温差。(b)上图：涂覆和未涂覆的比例模型建筑之间室内温度的比较；下图：计算的未涂覆和涂覆的屋顶内部之间的温差。阴影部分指夜间区域(6:00pm-6:00am)，无阴影部分指日间区域(6:00am-6:00pm)。
41.图7描述了北京典型夏末晴天的气象数据。太阳辐照度、dlr和环境空气温度，这些数据来自我们测量的平均平滑数据。(b)试验期间的典型dlr通量谱(www.spectralcalc.com)。
42.图8描述了原材料及其复合材料的光学性能。(a)原始(pristine)tio2金红石粉末
的太阳反射光谱。测量的(b)原材料和(c)其复合材料的红外发射率光谱。
43.图9描述了示例性原材料的物理化学信息：测量的填料粒径分布。(a)荧光颜料。(b)tio2金红石粉末。(c)玻璃微球。(d)聚苯乙烯-丙烯酸酯基质的化学结构。
44.图10描述了荧光性能的测量。(a)本研究中使用的ssrc涂料和纯荧光颜料的光亮度发射寿命。(b)荧光贡献的现场试验。在两个相同的镀铝mylar样品(5.0m长
×
4.0m宽
×
500μm厚)上分别涂有ssrc涂料和白色涂料的面向上(upward-facing)(左)和面向下(右)(downward-facing)日射强度计的照片，以试验esr、sr和荧光对冷却功率(esr-sr)的贡献。
45.图11描述了示例性屋顶冷却测量设备：屋顶冷却设备的示意图和照片。
46.图12描述了在铝板上冷却效果测量的天气数据。(a)2018年9月5日涂覆铝板试验期间的风速和相对湿度。(b)2018年10月3日涂覆铝板试验期间的风速和相对湿度。(c)2018年10月4日风速和相对湿度。(d)2018年10月5日冷却功率测量期间的风速和相对湿度。(e)2018年8月23日测试期间的风速和相对湿度。(f)2018年8月27日太阳光强度、下行(down-welling)红外强度和相对湿度。
47.图13描述了比例模型建筑试验。(a)比例模型建筑的照片。(b)夏季试验期间的太阳光强度和相对湿度。(c)夏季测试期间的风速。
48.图14描述了未激发状态下涂料的ssrc涂料光谱反射曲线的耐候性、疏水性以及化学耐受性。(a)在人工加速风化试验之前，在风化960小时之后。(b)测量ssrc涂料表面上的水接触角。(c)测量ssrc涂料表面上的甲酰胺的接触角。(d)30分钟后不同溶液液滴在涂料平面上的图像。
具体实施方式
49.本文提供了可用于亚环境辐射冷却的ssrc涂料。在某些实施方案中，ssrc涂料包含：tio2颗粒；选自由sio2、caco3、sic、zno、al2o3、zno及其混合物组成的组的无机颗粒；荧光颜料颗粒；和聚合物，其中涂料在3μm至50μm具有约0.90的总发射率。
50.有利地，对于本文所述的ssrc涂料，通过结合tio2颗粒和荧光颜料颗粒，ssrc涂料可以通过purcell效应增强荧光发射产生约0.94的有效太阳光反射率，并且，无机颗粒的宽粒径分布有助于在3μm至50μm约0.90的增强的宽带发射率。
51.tio2颗粒可具有金红石晶体结构、锐钛矿晶体结构或其混合物。在某些实施方案中，tio2颗粒为无定形或基本上结晶的。tio2颗粒可具有任何形状，包括但不限于球形、空心微球、椭球体、多面体、杆状、板状或不规则形状。
52.tio2颗粒的尺寸范围可在0.01μm至100μm；0.05μm至100μm；0.05μm至50μm；0.05μm至40μm；0.05μm至30μm；0.05μm至20μm；或0.05μm至10μm。在某些实施方案中，tio2颗粒的平均粒径在0.1μm至1μm；0.1μm至0.9μm；0.1μm至0.8μm；0.1μm至0.7μm；0.1μm至0.6μm；0.1μm至0.5μm；0.2μm至0.5μm；或0.3μm至0.5μm。
53.tio2颗粒可具有0.08至0.5多分散指数(pdi)。具有宽粒径分布的tio2颗粒有利地在整个太阳光谱区提供高反射率。在某些实施方案中，tio2颗粒是杜邦化学公司以商标ti_pure
tm r-902出售的金红石tio2颗粒。
54.无机颗粒可具有任何形状，包括但不限于球形、空心微球、椭球体、多面体、杆状、板状或不规则形状。在某些实施方案中，无机颗粒是空心微球。
55.无机颗粒的尺寸范围可在1μm至200μm；1μm至180μm；1μm至160μm；1μm至150μm；或10μm至150μm。
56.在某些实施方案中，无机颗粒包括玻璃颗粒。玻璃颗粒可以是空心玻璃微球。在某些实施方案中，无机颗粒包括粒径d10≤22μm至35μm、d50≤40μm至65μm和d90≤7μm至120μm的空心玻璃微球。在某些实施方案中，空心玻璃微球由sinosteel maanshan new material technology co.,ltd
tm
供应以名称hollow glass microspheres h20、h25、h32、h38hs、h40、h46或h60出售；或由3m
tm
供应以名称3m
tm glass bubbles k15、glass bubbles k20、glass bubbles k25或glass bubbles s15出售的空心玻璃微球；或其混合物。
57.荧光颜料颗粒可包含任何有机或无机荧光材料。在某些实施方案中，荧光颜料颗粒包含zns:cu、zns:ag、(zn,cd)s:cu、(ca,sr)s:bi、稀土金属掺杂的lupo4、稀土金属掺杂的sr2mgsi2o7、稀土金属掺杂的caal2o4、稀土金属掺杂的mgal2o4、稀土金属掺杂的baal2o4、稀土金属掺杂的sral2o4及其混合物。mal2o4与一种或多种稀土金属(如eu
2
)的掺杂，其中m可以是ca、ba、sr或其混合物，提供安全、化学稳定、非常明亮，并显示出长余辉光致发光。使稀土金属掺杂的mal2o4颗粒成为本文所述ssrc涂料中有用的荧光颜料颗粒。取决于al2o3中cao、mgo或sro的摩尔比，不同的铝酸盐结构可单独存在或作为混合物存在。例如，sro可与al2o3形成各种锶的铝酸盐，如sral
12o19
、sral4o7、sr4al
14o25
、sral2o4和sr3al2o6。同样，cao可与al2o3形成不同的锶的铝酸盐，如caal2o4、caal4o7、caal
12o19
、ca3al2o6和ca
12
al
14o13
。当掺杂有一种或多种稀土金属时，所有此类锶、钙和镁的铝酸盐及其混合相可用作本文所述ssrc涂料中的荧光颜料颗粒。在某些实施方案中，稀土金属掺杂的mal2o4颗粒还包含b或mn。
58.一种或多种稀土金属可选自由eu、ce、dy、er、gd、sm、tb、nd、pr、la、ho、yb和lu组成的组。一种或多种稀土金属可以是 1、 2或 3氧化态。
59.在某些实施方案中，稀土金属掺杂的lupo4、稀土金属掺杂的sr2mgsi2o7、稀土金属掺杂的caal2o4、稀土金属掺杂的mgal2o4、稀土金属掺杂的baal2o4、稀土金属掺杂的sral2o4掺杂有eu
2
，和任选地一种或多种其他稀土金属。
60.在某些实施方案中，荧光颜料颗粒包括lupo4:eu/dy/tb；sral2o4:eu/dy/tb；sr2mgsi2o7:eu/dy/tb；zns:cu；zns:ag；(zn,cd)s:cu和(ca,sr)s:bi。在某些实施方案中，荧光颜料颗粒包括sral2o4:eu
2
,dy
3
,yb
3
。其他示例性荧光颜料颗粒包括但不限于sral2o4:eu
2
,dy
3
；sr4al
14o25
:eu
2
,dy
3
；caal2o4:eu
2
,nd
3
；baal2o4:eu
2
,pr
3
；和mgal2o4:eu
2
,nd
3
。
61.荧光颜料颗粒可具有任何形状，包括但不限于球形、椭球体、多面体、杆状、板状或不规则形状。
62.荧光颜料颗粒的尺寸范围可为1μm至200μm；1μm至180μm；1μm至160μm；1μm至150μm；或10μm至150μm。在某些实施方案中，荧光颜料颗粒具有20μm至70μm的平均粒径。
63.在某些实施方案中，荧光颜料颗粒将峰值波长小于450nm的入射光的波长向下转换(down-convert)为500nm至700nm的发射光的波长。
64.ssrc涂料可包含一种或多种聚合物。聚合物的选择取决于特定应用所需的物理、化学、光学和热性能。用于本文所述ssrc涂料的示例性聚合物包括一种或多种选自由聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸烷基酯、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯烷基酸酯、聚碳酸酯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸及其混合物以及它们的共聚物组成的组的聚合物。在某些实施方案中，聚合物是聚丙烯酸酯乳液、聚硅丙乳液、聚苯乙烯-丙烯酸酯乳液及其混合物。
65.ssrc涂料的自清洁性能可以通过加入疏水聚合物来改善，如basf se
tm
以商标eco 702ap出售的聚合物乳液。
66.聚合物可以是均聚物或选自交替共聚物、无规共聚物、区域无规(regiorandom)共聚物、区域规则(regioregular)共聚物或嵌段共聚物的共聚物。
67.在某些实施方案中，聚合物是聚(苯乙烯-共-丙烯酸烷基酯)聚合物或聚(苯乙烯-共-丙烯酸)聚合物。聚(苯乙烯-共-丙烯酸烷基酯)聚合物可包括聚(苯乙烯-共-丙烯酸c
1-c
10
烷基酯)聚合物；聚(苯乙烯-共-丙烯酸c
1-c8烷基酯)聚合物；聚(苯乙烯-共-丙烯酸c
1-c6烷基酯)聚合物；聚(苯乙烯-共-丙烯酸c
2-c6烷基酯)聚合物；聚(苯乙烯-共-丙烯酸c
1-c4烷基酯)聚合物；或聚(苯乙烯-共-丙烯酸c
3-c5烷基酯)聚合物。
68.ssrc涂料可包含分别以4-5:0.5-1.5:2-3的质量比存在的tio2颗粒，无机颗粒和荧光颜料颗粒。在某些实施方案中，ssrc涂料可包含分别以4-5:0.5-1.5:2-3，4.25-4.75:0.75-1.25:2.25-2.75，4.50-4.75:0.9-1.1:2.4-2.6，或4.6-4.7:0.9-1.1:2.4-2.6的质量比存在的tio2颗粒，无机颗粒和荧光颜料颗粒，。
69.ssrc涂料可包含分别以4-5:0.5-1.5:2-3:6-7的质量比存在的tio2颗粒，无机颗粒，荧光颜料颗粒和聚合物。在某些实施方案中，ssrc涂料包含分别以4.25-4.75:0.75-1.25:2.25-2.75:6.25-6.75，4.50-4.75:0.9-1.1:2.4-2.6:6.5-6.75，或4.6-4.7:0.9-1.1:2.4-2.6:6.6-6.7的质量比存在的tio2颗粒，无机颗粒，荧光颜料颗粒和聚合物，。
70.ssrc涂料还可包含一种或多种选自由润湿剂、分散剂、消泡剂、悬浮剂、均化剂、聚结剂、水及其混合物组成的组的添加剂。ssrc涂料的其他示例性添加剂包括但不限于稳定剂、分散剂、表面活性剂、石蜡、蜡、紫外线稳定剂、流变改性剂、防霉剂、杀菌剂、杀真菌剂和其他常规添加剂。
71.润湿剂可包含一种或多种非离子表面活性剂。示例性非离子表面活性剂包括但不限于聚氧乙烯辛基苯酚醚(如triton x-100)；烷基苯氧基聚乙氧基(3)乙醇、聚氧乙烯(20)山梨醇酐单月桂酸酯(吐温20)、聚氧乙烯(20)山梨醇酐单棕榈酸酯(吐温40)、聚氧乙烯(20)山梨醇酐单硬脂酸酯(吐温60)、聚氧乙烯(20)山梨醇酐三硬脂酸酯(吐温65)、聚氧乙烯(20)山梨醇酐单油酸酯(吐温80)、聚氧乙烯(20)山梨醇酐三油酸酯(吐温85)、聚氧乙烯(20)棕榈酸酯(g2079)、聚氧乙烯(20)月桂醇醚；聚氧乙烯(23)、聚氧乙烯(25)氢化蓖麻油(g1292)和聚氧乙烯(25)氧丙烯单硬脂酸酯(g2162)。在某些实施方案中，润湿剂是由以商标triton
tm x-100出售的聚氧乙烯辛基苯酚醚。
72.分散剂可包括一种或多种阴离子表面活性剂。示例性阴离子表面活性剂包括但不限于烷基羧酸盐、烷基醚羧酸盐、聚丙烯酸酯、n-酰基氨基酸、n-酰基谷氨酸盐、n-酰基多肽、烷基苯磺酸酯、烷烃磺酸酯、α-烯烃磺酸酯、木质素硫酸酯、磺基琥珀酸酯的衍生物、聚萘甲基磺酸酯、烷基硫酸酯、烷基醚硫酸酯、单烷基磷酸酯、聚烷基磷酸酯、脂肪酸、酸的碱金属盐、脂肪酸的碱金属盐、酸的碱性盐、酸的钠盐、脂肪酸的钠盐、烷基乙氧基化物和皂类。在某些实施方案中，分散剂是聚丙烯酸金属盐，如聚丙烯酸钠。
73.消泡剂可包括c
12-c
30
烷基醇(如异十八醇或十二醇)、聚硅氧烷衍生物(如烷基化聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷或聚烷基硅氧烷)或其混合物。
74.悬浮剂可包括聚(乙二醇醚)共聚物。
75.聚结剂包括用于在较低温度下诱导ssrc涂料形成冷凝膜的试剂。在某些实施方案
中，聚结剂是醇醚化合物。
76.ssrc涂料可包含多达10％(以重量计)的一种或多种添加剂。在某些实施方案中，ssrc涂料包含多达9％、多达8％、多达7％、多达6％或多达5％(以重量计)的一种或多种添加剂。
77.本文所述ssrc涂料在3μm至50μm具有约0.90的总发射率；在8μm至13μm具有大于0.90的红外发射率。在某些实施方案中，ssrc涂料在8μm至50μm具有0.90至0.97；0.91至0.97；0.91至0.96；0.92至0.96；0.93至0.96；0.94至0.96；或0.95至0.96的红外发射率。
78.ssrc涂料可通过沉积包含ssrc涂料和一种或多种溶剂的ssrc涂料制剂应用于基板表面。ssrc涂料制剂可以是悬浮液、乳液或混合物。溶剂可以是水、醇、醚、酯、酮、甲酰胺、碳酸酯、烷烃、芳香族溶剂或其混合物。示例性溶剂包括但不限于水、乙醇、二甲基甲酰胺、二甲苯、甲苯、矿物油、脂肪族碳的混合物、甲基乙基酮、甲基异丁基酮、乙酸丁酯和1-甲氧基-2-丙基乙酸酯。ssrc涂料制剂可包含多达10％、多达9％、多达8％、多达7％、多达6％或多达5％(按重量计)的溶剂。在某些实施方案中，溶剂是水。在溶剂是水的情况下，聚合物可作为水基乳液存在，如包含聚(苯乙烯-co-烷基丙烯酸酯)聚合物或聚(苯乙烯-co-丙烯酸)聚合物的水基乳液。
79.ssrc涂料制剂可以使用本领域已知的多种的常规方法容易地制备。在某些实施方案中，制备ssrc涂料制剂的方法包括：混合tio2颗粒、无机颗粒、聚合物、荧光颜料颗粒、溶剂和任选地一种或多种添加剂，从而形成ssrc涂料制剂。
80.在某些实施方案中，制备ssrc涂料制剂的方法包括：混合tio2颗粒、聚合物、荧光颜料颗粒和溶剂，从而形成第一混合物；任选地向第一混合物中添加一种或多种添加剂；添加无机颗粒和任选得一种或多种添加剂，从而形成ssrc涂料制剂。
81.在某些实施方案中，制备ssrc涂料制剂的方法包括：结合tio2颗粒、聚合物、荧光颜料颗粒和溶剂，从而形成第一混合物；向第一混合物中添加润湿剂、分散剂、消泡剂和悬浮剂，从而形成第二混合物；添加无机颗粒、消泡剂和聚结剂，从而形成ssrc涂料制剂。
82.将ssrc涂料施用至基板表面的方法可包括：将ssrc涂料制剂的涂料施用至基板表面，从而在基板表面上形成ssrc涂料；以及任选地固化ssrc涂料。
83.ssrc涂料制剂可使用本领域已知的任何方法应用于基板表面，如旋涂、印刷、网版印刷(print screening)、喷涂、涂抹、刷涂和浸涂。本文所述ssrc涂料制剂可使用刷、刀、滚筒、喷枪(例如，空气辅助或无空气、静电)、真空涂布机、幕涂机、浸涂机或本领域已知的任何其他方案施用至基板表面。在某些实施方案中，基板表面通过施用包含ssrc涂料制剂的底涂料进行预处理，该底涂料已被稀释至ssrc涂料制剂浓度的例如1/2、1/5或1/10浓度的倍数。有利地，使用底涂料对具有微裂纹和/或粗糙度的基板(如混凝土或木材)表面进行预处理，可以使底涂料浸渍到基板中，以促进底涂料处理的基板与ssrc涂料制剂之间的更好结合。
84.一旦施用至表面，ssrc涂料组合物可任选地通过在23℃至160℃的温度下加热ssrc涂料组合物来固化。在某些实施方案中，ssrc涂料组合物允许ssrc涂料组合物在20℃至30℃之间的温度下放置1至2小时。
85.ssrc涂料制剂可施用于多种表面，如，例如，由纸、木材、混凝土、水泥、沥青、金属(例如，不锈钢、铝合金等)、玻璃、石膏、陶瓷、瓷砖、塑料、灰泥、砖石、树脂和屋顶基板(如沥
青涂料、屋顶毡、泡沫聚氨酯绝缘材料)组成的基板的表面；或施用至之前涂抹、预涂、底涂、磨损或风化的基板。在某些实施方案中，ssrc涂料制剂施用至商业、工业或住宅建筑的外墙和/或屋顶，或施用至汽车的外表面和/或内表面。
86.一般来说，典型sdrc装置中涉及的基本热过程在温度t下可分为四种来源，如以下公式(1)所示：
87.p
cool
(t)＝p
rad
(t)-p
sun-p
atm-p
cond conv
ꢀꢀꢀ
(1)
88.其中p
rad
(t)、p
sun
和p
atm
分别是装置吸收的热辐射、太阳能吸收和大气长波辐射，p
cond conv
是装置与周围环境的热对流和热传导。这些项目可以表示为：
89.p
sun
＝∫a
rc
(λ)i
sun
(λ)dλ
ꢀꢀꢀ
(2)
90.p
rad
＝∫a
rc
(λ)b(λ，t)dλ
ꢀꢀꢀ
(3)
91.p
atm
＝∫a
rc
(λ)dlr(λ)dλ
ꢀꢀꢀ
(4)
92.其中a
rc
(λ)是装置的吸收率光谱，i
sun
是太阳光谱，b(λ，t)是在t下的半球黑体辐射功率谱，dlr(λ)是大气下行长波辐射通量谱。在文献中现有的sdrc设计中，通过设计具有高太阳光反射率的材料和/或结构，可以最大限度地降低p
sun
。另外，由于这些设计的发射率光谱窄，p
rad
(t)和p
atm
限于8μm至13μm的大气透射窗口，超过该范围辐射热交换受到强烈抑制。
93.普遍认为的是，由于辐射容量有限，现有光谱选择性sdrc设计的稳态温度(当p
cool
(t)＝0时)受到寄生热负荷的强烈影响。通过极度抑制环境的寄生加热(例如使用真空室)，即对流系数hc接近零，据报道，光谱选择性sdrc装置能够实现42℃的温度降低。然而，随着代表更现实工作环境的hc的增加，光谱选择性sdrc设计的温度降低(具有限制在8μm至13μm的波长范围内的非零发射率)可能会低于广谱sdrc设计所实现的。这主要是因为在8μm至13μm的主透射窗口外，天空有大量非零透射系数。例如，除了主要的透射窗口外，我们注意到下行辐射在20至25微米的波长范围内也很弱，如图7所示。因此，具有更宽带宽的发射器可以提供额外的冷却功率，以增强sdrc效应，从而抵消寄生热负荷。
94.为了量化与天空的热交换(即p
rad-p
atm
)对两种类型辐射器的sdrc性能的影响，我们通过分别假设宽带辐射器的理想发射率为0.9(3μm至50μm)和选择性辐射器的发射率同样为0.9(8μm至13μm)来进行理论计算(见图2b)。为了比较两种辐射器在实际工作条件下的sdrc性能，我们分别将太阳光吸收率设置为6.6％，hc设置为4.5wm-2
k-1
，作为实验可实现的条件。作为上述假设的结果，两个辐射器具有相同的p
sun
，但不同的p
rad-p
atm
。随后，我们根据北京典型夏末晴天的实测气象数据(即太阳光强度和dlr强度，见图7a)和dlr通量谱(见图7b)，计算了两个辐射器的冷却温度。如图2c所示，与环境温度(黑色虚线)相比，两个辐射器均可以在一整天内实现显著的亚环境冷却。然而，宽带辐射器在午间需要冷却时会产生26℃的冷却温度，而选择性辐射器的冷却温度为28℃。在清晨(例如2:00a.m.)，当不再需要冷却时(例如环境空气温度低于15℃)时，宽带和选择性辐射器分别产生7℃和4℃的冷却温度。上述比较揭示了两种类型辐射器之间的本质区别，即宽带辐射器在日间增强辐射冷却，但在夜间抑制过冷，导致与选择性辐射器相比日间温差缩小。这种差异可以归因于宽带辐射器与天空之间更强的热交换能力。在午间，天空比涂料更冷；因此，露天模型会导致进一步冷却。相反，在夜间，天空比涂料更温暖；因此，露天模型能够抑制过冷。图2d显示了两个辐射器在一整天中与天空的热交换变化，表明宽带辐射器在日间(例如10:00am
–
4:00pm)会导致更高的冷却功率，但在夜间(例如7:00pm
–
5:00am)会导致更低的冷却功率。注意，我们
e1918-16使用图10b所示的装置进行测量。esr和sr分别是测量的ssrc涂料和白色涂料的上行辐射功率。purcell效应增强的荧光发射弥补了tio2在0.25μm至0.45μm范围内高吸收的缺点。因此，ssrc涂料在直射阳光下的esr为93.4％(图3e)，相当于3.6％的esr-sr，表明ssrc中荧光发射的重要性。
106.然后，我们在北京使用绝缘良好的设备(图11)评估我们ssrc涂料的ssrc能力。在2018年9月5日和10月3日，我们测量了铝板上ssrc涂料的冷却效果，结果如图4a和b中所示(图12a和b中所示的天气数据)。在直射阳光下实现了明显的亚环境冷却效果，在午间，冷却温度分别比环境空气低5
±
1℃和6
±
1℃。尽管我们的ssrc涂料成本较低且易于实施，但这种冷却效果与现有sdrc报告的最佳记录相当。另外，图4c验证了我们的ssrc涂料显示出在2018年10月4日增强的日间冷却能力(6
±
1℃)，但抑制了夜间的过冷(4
±
0.3℃)，而之前的sdrc设计通常会导致夜间冷却能力强于日间(图12c所示的天气数据)。在建筑应用中，由于热负荷的降低，日间温差的缩小有利于其使用年限，同时也使我们的ssrc涂料促进了更令人舒适的温度。2018年10月5日测得的太阳光强度为744w/m2，温度降低6℃(图12d所示的天气数据)，我们的ssrc涂料的日间冷却功率测得为84.2
±
8.5w/m2(图4d)，非辐射热系数为4.5wm-2
k-1
，如实验步骤中所述的方法确定。为了消除基板对测量冷却功率的影响，根据测试期间记录的环境参数，理论上计算出净冷却功率为64.5w/m-2
(计算方法见实验步骤)。
107.为了揭示荧光对ssrc的贡献，分别在两块铝板上涂抹fr和白色涂料，以在8月份进行现场测试，结果如图5a所示。2018年8月23日午间(图12e所示天气数据)，涂有fr涂料的铝板的平均温度比环境空气温度低约3.3℃，而涂有白色涂料的铝板的平均温度略高于环境空气温度。一方面，没有观察到白色涂料的冷却效果表明白色涂料的太阳能吸收及其对天空的热发射几乎是平衡的。另一方面，ssrc涂料观察到的显著亚环境冷却效应清楚地揭示了午间荧光介导的冷却贡献的净冷却功率。即使在多云、有雾和有风的日子(2018年8月27日，图12f所示天气数据)，两个装置在直射阳光下仍分别低于和高于环境空气温度(图5b插图)。在夜间、清晨和傍晚，它们的温度几乎重叠，明显低于环境空气温度(图5b)，这表明只有当太阳光强度高于某个阈值时，才会出现荧光冷却。然而，这两组结果都明确地说明了荧光发射在观察到的ssrc效应中的深远意义。
108.我们首次在两个比例模型建筑上进行了连续现场试验(图13a)，以清楚地阐明ssrc涂料在北京夏季实际工作条件下的ssrc能力，结果如图6所示。无论天气条件如何(图13b和c)，在北京8月为期一周的试验期间，涂覆屋顶的表面温度始终低于环境空气温度，日间和夜间的最大亚环境温度降低分别7℃和1℃(图6a)。在实际建筑中，这种扩大的亚环境日间冷却但抑制的夜间冷却效果可能是由于混凝土基板的体积庞大和大量热质量造成的。因此，涂覆屋顶表面的日间温差甚至小于环境空气的日间温差(11℃与16℃)。尽管如此，经涂覆的建筑的内部温度成功地保持在人体热舒适温度(26℃)附近，在试验期间，亚环境温度降低范围为2℃至10℃(中午最大亚环境温度降低9℃，图6b)。
109.影响ssrc涂料ssrc效应的一个重要指标是涂料的太阳光反射率，其暴露在室外环境中时可能会随着时间的推移而衰减，这主要是由于老化、风化和颗粒积累。为了解决这个问题，系统地评估了涂料的耐候性、耐化学性和自清洁性能。960小时的人工加速风化试验后，涂料在未激发状态下的太阳光反射率的衰减率为3.7％。优异的耐候性(图14a和表2)、耐化学性(图14b)和疏水性(图14c-d)自清洁性能共同使ssrc涂料能够长期保持其高太阳
光反射率，从而确保其ssrc效应的可持续性。ssrc涂料如此出色的长期耐用性和环境适用性不仅扩大了其应用场景和使用寿命，还将涂覆的建筑表面的维护成本降至最低。
110.表2.测量的处理前后ssrc涂料的太阳光谱反射率。在人工加速风化前、风化480小时和960小时后以及盐雾试验480小时后，在基态下分别测量ssrc涂料的光谱和太阳光反射率。
[0111][0112]
本研究的核心设计是开发一种高度可扩展的冷却涂料材料，用于sdrc技术的实际应用，尤其是用于大型建筑冷却。上述实验结果清楚地表明，多种常用材料可用于制备具有显著ssrc效应的建筑涂料。不必过分追求原材料的性能或依赖复杂的结构设计，我们还可以通过简单的补偿方法实现有效的冷却性能。所设计的ssrc涂料不仅经济高效、环境友好、施工方便，而且还显示出优异的耐久性和自清洁能力。这些特性消除了当前sdrc技术在实际条件下应用于大规模建筑冷却的实际障碍。
[0113]
综上所述，我们通过太阳光诱导荧光、颗粒散射和材料宽带发射率的综合效应，成功地设计了一种具有亚环境辐射冷却的建筑涂料。提出的宽带辐射器利用天空作为温度调节器，以缩小ssrc涂料的日间温差，并显著拓宽材料选择范围。当需要在阳光下冷却时，这里论述的这种通用设计概念也可应用于其他表面材料。本文论述的方法是经济高效的，因此开辟了一条全新的途径，将sdrc技术转化为建筑环境中广泛而实际的应用，减少建筑冷却的能源需求，同时实现人体热舒适，改善人体健康和生产力。
[0114]
实验：材料选择
[0115]
为制造具有荧光颜料的涂料(ssrc涂料)，ec0702级苯乙烯-丙烯酸酯乳液购自中国北京的basf公司并用作涂料的基质(即，水基粘合剂)。功能性颜料和填料的选择如下：具有黄绿色发光的颜料(sral2o4:eu
2
,dy
3
,yb
3
)，其荧光量子产率为约68.24％(购自中国深圳深圳yao de sheng技术有效公司)、二氧化钛金红石(ti-pure r-902级，购自中国北京dupont chemicals有限公司)和空心玻璃微球(购自中国马鞍山sino steel maanshan institute of mining research有限公司)。无机填料的加入显著提高了聚合物基质的5μm以下红外发射率，并产生了整体红外发射率超过0.9的宽带发射器。
[0116]
另外，选择合适的涂料添加剂，包括润湿剂、分散剂、消泡剂、悬浮剂、均化剂和聚结剂，以提高涂料的质量和性能。所有材料均按收到时使用。
[0117]
优化的ssrc涂料由聚苯乙烯-丙烯酸丁酯乳液(40.0wt％)、发光颜料(15.0wt％)、二氧化钛金红石(28.0wt％)、空心玻璃微球(6.0wt％)、水(6.0wt％)、润湿剂(0.2wt％)、分散剂(0.3wt％)、消泡剂(0.8wt％)、悬浮剂(2.5wt％)、均化剂(0.5wt％)和聚结剂(0.7wt％)组成。选择掺杂1.2wt％的yb
3
的黄绿色发光颜料作为荧光颜料。为了量化荧光在冷却效果中的贡献，还制造了不含荧光颜料的涂料(白色涂料)。除荧光颜料外，白色涂料的
材料组分与ssrc涂料相同。
[0118]
实验步骤：制备fr和白色涂料
[0119]
ssrc涂料的制备如下进行：首先在混合装置中加入聚苯乙烯-丙烯酸乳液、发光颜料、二氧化钛金红石和适量水，然后加入润湿剂、分散剂、消泡剂和悬浮剂。混合物以高速(600r/min)搅拌60分钟。在此阶段，添加玻璃微球、消泡剂和聚结剂；将混合物以低速连续混合20分钟以制造ssrc涂料。白色涂料的制造步骤与ssrc涂料相同。涂料被涂抹到不同的基板上，用于后续测量。
[0120]
实验步骤：表征光学性能
[0121]
按照astm e903-12标准试验方法，使用配备有积分球(直径150mm，labsphere rsa-pe-19)的uv/vis/nir分光光度计(lambda 750)测量白色涂料的光谱反射率。由于分光光度计的校准协议基于检测光波长与入射光波长相同的假设，因此不适合使用uv-vis-nir分光光度计直接测量激发态下ssrc涂料的光谱反射率(即表观有效光谱反射率)。因此，在将样品在黑暗环境中保持足够长的时间以允许荧光颜料衰减至其未激发状态后，在未激发状态下测量ssrc涂料的光谱反射率。通过将由空气质量-1.5束正常太阳光谱辐照度加权的测量的光谱信号积分，计算出太阳能反射率。
[0122]
采用配备有积分球的傅里叶变换红外光谱仪(ftir，perkinelmer frontier ft-mir/nir)表征涂料样品的红外光谱响应。使用荧光分光光度计(nanolog红外荧光光谱仪，horiba jobin yvon)在室温下测量ssrc涂料样品的发光激发和发射光谱。
[0123]
实验步骤：表征总热发射率
[0124]
按照测定室温附近材料发射率的astm c1371标准试验方法，使用便携式差分热堆(thermopile)发射计ae1(德克萨斯州达拉斯devices&services公司)测量涂料的总热发射率。
[0125]
实验步骤：purcell效应的实验观察
[0126]
ssrc涂料和原始荧光颜料样品的时间分辨荧光信号测量如下：(1)两个样品都被阳光激发；(2)然后将两个样品置于黑暗环境中，每30分钟分别测量一次荧光信号，持续4小时；和(3)两组结果通过其各自的最大信号强度进行归一化。图11a清楚地表明，ssrc涂料的总衰减率比原始荧光颜料快得多，表明了purcell增强效应。
[0127]
实验步骤：测定荧光贡献
[0128]
根据astm e1918-16，使用涂有ssrc涂料的大型镀铝mylar(5.0m长、4.0m宽、500μm厚)测量ssrc涂料的有效太阳光反射率(esr)，并将样品直接放置在混凝土地面上。这里esr被定义为反射的太阳辐照度和荧光发射的上通量之和与太阳光强度之比(21)。还测量了涂抹在相同镀铝mylar上的白色涂料(即参考样品)的太阳光反射率(sr)。使用两个分辨率为1w/m2的便携式日射强度计(jtr05，北京jt科技有限公司)测量上述esr和sr。传感器的直径为3.0cm。日射强度计的模拟输出通过可直接连接至桌面的读数计进行数字化。
[0129]
试验在晴朗的秋日进行。使用一个面向上的日射强度计来测量入射的太阳辐照度(ii)；同时，在每个涂抹的镀铝mylar的中心放置一个面朝下的日射强度计，以测量反射的太阳辐照度(ir)和有效反射的太阳辐照度(i
er
)，这是反射的太阳辐照度和荧光上通量的总和。根据astm e1918-16，传统白色涂料(sr)的太阳光反射率和ssrc涂料(esr)的有效太阳光反射率可使用以下公式计算：
[0130][0131][0132]
对于这两个指标的测量，理论上样品的表面积应该是无限的。因此，当使用面向下的日射强度计时，需要考虑传感器至表面的视角因数(f
12
)来校正测量的太阳光反射率和有效太阳光反射率，否则会被低估。这里，f
12
是离开表面1的辐射被表面2拦截的部分。首先，通过标准现场试验，确定了我们系统的视角因数f
12
。随后，它被用于校正白色涂料(sr)的测量的太阳光反射率和ssrc涂料的有效太阳光反射率(esr)。最后，可以得到真实的荧光贡献(esr-sr)。
[0133]
注意，使用分光光度计测量的太阳光反射率通常比被在太阳天顶(zenith)一个太阳照亮的晴朗天空下在现场中测试的太阳光反射率高出0.08，因为前者是法向直接(direct normal)太阳光反射率，后者是漫射太阳光反射率。另一方面，通过分光光度计评估的荧光材料的表观有效太阳光反射率(esr)远低于使用上述方法评估的真实esr。因此，ssrc涂料的真实有效法向直接太阳光反射率等于未激发状态下测量的ssrc涂料法向直接太阳光反射率与荧光贡献esr-sr之和，并用于本工作的理论计算。实际上，修正后的有效法向直接太阳光反射率值0.934比现场测试的0.854正好高出0.08，与文献值非常吻合。
[0134]
实验步骤：表征瞬态辐射功率
[0135]
精确的日射强度计(eko ms-802)和数据记录器用来测量入射的直接太阳辐照度和漫射太阳辐照度。日射强度计的波长范围、辐照度范围和方向响应(1000w/m2)分别为285nm至3000nm、0wm-2
至200wm-2
和
±
10wm-2
。
[0136]
精确的日射强度计(eko ms-202)和数据记录器用于测量瞬态下行红外辐射。日射强度计的波长范围和方向响应(1000wm-2
)分别为4μm至50μm和
±
10wm-2
。
[0137]
面向上的日射强度计和地面辐射强度计被固定在比例模型建筑的屋顶上。收集的数据定期下载并传输至台式计算机：
[0138]
实验步骤：冷却性能测试
[0139]
为研究fr和白色涂料的亚环境冷却性能，于2018年8月、9月和10月在中国北京对自行设计的用于各种涂覆基板和比例模型建筑的冷却设备进行了现场测量。
[0140]
冷却设备的说明
[0141]
如图12a所示，每个设备由真空隔热板(vip)箱(内部尺寸：31.6cm长，31.6cm宽，29.0cm高)组成，其由5块挤塑聚苯乙烯板封闭，在顶部有开口的。vip箱的壁厚为4.5cm，并具有气凝胶毯层(1cm厚)作为内衬，和水泥浆层(2cm厚)作为外罩。胶结的外罩沿周长比vip箱高2.5cm，以提供防风罩。然后将基板(即1.0cm厚、31.0cm长、31.0cm宽的铝板)放置在vip箱的顶部，其带有外部水泥罩的边界空间和下方的vip用上述气凝胶毯填充。腔室的底圆和顶圆的直径分别为28.5cm和30.1cm。这两个同心圆之间的距离为780μm。最后，在基板表面以及整个设备外壳上喷涂ssrc涂料。干涂料厚度测量为约300μm。根据制造商数据，vip(福建super tech advanced material有限公司，中国福州)和气凝胶毯(浙江nanotech有限公司，中国杭州)的导热系数分别约为0.0015wm-1
k-1
和0.02wm-1
k-1
。
[0142]
比例模型建筑的说明
[0143]
现场试验还使用了位于北京的中国建筑工程有限责任公司的技术中心中试基地
的临时混凝土底板上的两栋非隔热比例建筑单层模型(图7a)。每个模型建筑都是2.0m长、2.0m宽、2.2m高的预制混凝土结构，带有一扇入口门。建筑的墙壁和屋顶分别由12.5cm和15cm厚的混凝土层构成。模型建筑在门上具有一扇窗户。为了使屋顶完全暴露于向南的日光，不受周围结构和相邻比例模型的遮挡，并排的模型建筑的方向是沿着南-北线对齐屋顶的屋脊。每栋建筑的1.8m高、1.9m宽的门朝北。
[0144]
将fr冷涂料施用至一栋建筑的屋顶和外墙，干涂料的厚度为300μm。
[0145]
仪器
[0146]
将负温度系数(ntc)金属包层热敏电阻(直径为0.6mm，精度为
±
0.1℃)连接至模数转换变换器(a/d转换器，20bits)，以测量涂覆的硅片、铜板和铝板、比例模型建筑屋顶和镀铝mylar的表面温度。对于铜板和铝板，热敏电阻插入板的一个表面的中间直径为0.61cm的孔中。对于涂覆的硅片，热敏电阻安装在硅片背面的中心和1.0cm厚的气凝胶毯之间。对于屋顶表面，热敏电阻嵌入屋顶中心，从而使传感器表面和屋顶表面保持为同一水平。屋顶温度传感器的上表面涂有fr冷涂料。
[0147]
在冷却设备旁边的遮阳区域安装精度为
±
0.1℃的ntc热敏电阻，以测量环境空气温度。将湿度计安装在温度计屏幕上，以测量相对湿度，并将风速计固定在连接模型建筑侧面的现场气象塔上，其顶部比屋顶的顶部高1.0m，以监测风速。
[0148]
数据采集系统
[0149]
使用四台多通道数据记录仪(中兴rm 400系列，北京zhongtai yanchuang science and technology有限公司)用于数据采集，每个记录仪有16个模拟输入通道。所有传感器每10秒扫描一次，以获得数据点。收集的数据定期下载，并通过调制解调器传输至台式计算机。
[0150]
测量冷却设备的非辐射热系数
[0151]
当冷却设备被镀铝mylar屏蔽以阻挡其通向天空时，由于铝的高太阳光反射率和红外反射率，辐射热交换被最小化，面积为a的涂料表面达到停滞温度t0。在这个温度下，p
out a＝p
cond conv a＝-hc(t
s-t
amb
)a。因此，可以使用众所周知的集总参数模型来评估hc。该模型的方案可如下表达：
[0152][0153]
其中，ρ、c和v分别为冷却器的密度、比热容和体积。
[0154]
对于涂覆的铝基板，ρ＝2700kg/m3，c＝880jkg-1
k-1
，v＝0.01m。因此，公式8可改写如下：
[0155][0156]
因此，可以通过加热铝基板、记录其瞬态温度并拟合瞬态温度随时间变化的曲线来获得冷却设备的非辐射热系数。
[0157]
表征冷却功率
[0158]
电阻为2.3ω的方形聚酰亚胺电阻加热器(30.0cm长
×
30.0cm宽)粘在铝板底部，用于加热冷却器，并测量与观察到的温度降低相对应的冷却功率。采用直流数字电源，通过调节输入电压(u)以传送阶梯式上升热输入。因此，加热功率ph值可通过以下公式获得：
[0159][0160]
其中a是铝板的面积。聚酰亚胺电阻加热器的电阻公差和电源的读数精度分别为
±
10％和
±
1.0％，测量冷却功率的实验不确定度为
±
10.1％，如通过使用平方和的平方根方法计算。
[0161]
注意，硅片冷却器可能不适合测量冷却功率，因为丙烯酸支架的导热系数为0.20wm-1
k-1
，这可能会导致高估冷却功率值。
[0162]
在这项研究中，冷却功率在晴朗、无风、无云的初秋早晨测量。事实上，铝板基板的蓄热可能已经扩大了测量的冷却功率。在冷却功率测量过程中充分记录环境参数有助于校正测量值。
[0163]
为了消除基板对测量冷却功率的影响，我们可以基于涂料的实际表面温度、太阳光强度和dlr强度，从理论上计算净冷却功率。例如，如图3d所示，当涂料表面温度达到环境空气温度(21.3℃)时，根据测得的太阳光强度727w/m-2
和dlr强度304w/m-2
，我们可以计算出ssrc涂料的净冷却功率为约64.5w/m-2
。
[0164]
实验步骤：人工加速风化试验
[0165]
根据iso(国际标准化组织)11341-2004(油漆和清漆-人工风化和人工辐射暴露-过滤氙弧辐射暴露)，使用氙灯耐候性试验箱(sn-66，北京beifang lihui test instrument equipment有限公司)测试涂料的人工加速耐候性。将涂层试样的上表面暴露在光源下，并使用18/102喷雾循环(18分钟喷水/102分钟干燥)喷水。480小时后停止暴露，960小时后完成暴露，目测、比较并记录未暴露和暴露试样的外观差异。另外，在每个人工加速风化试验期后，再次测量样品的光谱反射率值。
[0166]
实验步骤：表征ssrc涂料的疏水性和耐化学性
[0167]
为表征ssrc涂料的疏水性和自清洁性能，使用基于视频的接触角测量系统(oca 15ec，dataphysics instruments gmbh，德国)使用静滴法测量静态接触角。在接触角测量中，液滴体积为3μl。报告的不同探测液体的接触角是涂料表面不同位置10次平行测量的平均值。
[0168]
为评估涂料的表面自由能(sfe)，使用正辛烷(99％，天津damao reagent公司)作为非极性液体，选择蒸馏水和甲酰胺(99.5％，mym biological technology有限公司)作为极性液体。使用这三种探测液体测量平坦涂料表面上的接触角，并采用good-van oss-chaudhury理论计算sfe及其色散组分和极性组分。
[0169]
显然，为了最大限度地利用具有亚环境日间冷却的涂料，使涂料自清洁具有实际意义。图14显示了水和甲酰胺在涂料表面的接触角图像。
[0170]
为辨别这项工作中开发的涂料疏水性的性质，使用good-van oss-chaudhury理论(也称为酸-碱理论)计算涂料的sfe组分。根据这一理论，任何材料的总sfe(γ)可如下获得：
[0171]
γ＝γ
lw
γ
ab
ꢀꢀꢀ
(11)
[0172]
和
[0173][0174]
式中，γ
lw
是色散组分，也称为非极性组分或lifshitz-van der waals(lw)组分；
γ
ab
是极性(酸/碱)组分，包括路易斯酸组分γ

和路易斯碱组分γ-。
[0175]
测量的水、甲酰胺和正辛烷在平坦涂料表面上的接触角分别为(109.4 1.5)
°
、(83.4土1.9)
°
和0
°
。因此，计算的涂料的sfe为21.62mn/m。色散组分sfe为21.62mn/m，极性组分的sfe为0mn/m，路易斯酸和碱组分的sfe分别为0.27mn/m和0mn/m。从理论上讲，酸性组分表示一个表面具有与第二表面(具有通过提供电子而起到碱性作用的能力)发生极性相互作用的倾向；相反，碱组分描述了一个表面具有与另一表面(通过接受电子而呈酸性)发生极性相互作用的倾向。由于路易斯酸和碱组分的sfe分别为0.27mn/m和0mn/m，涂料的疏水性应具有优异的耐酸和耐碱性。图14b生动地说明了不同液滴的静态润湿性能。绿色和红色液滴分别为盐酸(1mol/l) 甲基紫指示剂和氢氧化钠(1mol/l) 酚酞指示剂。如图14b所观察到的，停留在涂料表面上的液滴保持球形，明显表现出良好的化学耐受性。
[0176]
在这项研究中，在绝缘良好的小型装置上实现了6℃的最大温度降低，而在比例模型建筑上实现的最大温度降低为8℃。在比例模型建筑上观察到的更强冷却效果主要是由于其体积庞大，其在ssrc涂料下方具有10cm厚的混凝土屋顶。然而，绝缘良好的小型装置在ssrc涂料下方只有1cm厚的铝板。当暴露于直射阳光时，比例模型建筑的混凝土屋顶上的ssrc涂料比铝板或铜板上的ssrc涂料表现出更明显的sdrc效应，这可以用集总参数模型很好地解释：
[0177][0178]
其中t0是初始表面温度，ts是时间t的表面温度，t
amb
是环境空气温度，hc是装置的对流和传导系数；ρ、c、a和v分别是基板的密度、比热容、表面积和体积。
[0179]
对于厚度为d的基板，公式(8)可如下改写：
[0180][0181]
因此，表面的冷却效果取决于基板的密度、比热容和厚度。
[0182]
通过替换我们实验中使用的铝板和混凝土基板的厚度、密度和比热容，两种基板的公式(2)可分别改写如下：
[0183]
对于铝板：
[0184][0185]
对于混凝体基板：
[0186][0187]
对于相同的hc和t值，这两个公式表明，混凝土屋顶上ssrc涂料的亚环境温度降低(t
s-t
amb
)远高于铝板。