這種創新材料利用填充石蠟的管道來吸收和釋放熱量，從而降低暖通空調（HVAC）的能耗。

德雷塞爾大學（Drexel University）的研究人員開發了一種新型建筑材料，可能會徹底改變建筑維持舒適溫度的方式。

受野兔和大象具有熱調節功能的耳朵啟發，該團隊創造了一種水泥基材料，其中嵌入了一個由微小通道（或稱脈管系統）組成的網絡，通道內填充了石蠟。這種結構使得該材料能夠被動地加熱或冷卻墻壁、地板和天花板等表面。

該研究旨在解決建筑物巨大的能源需求問題，建筑能耗占全球總能耗的近40%，其中約一半用于供暖或制冷。

“從建筑學角度看，建筑物擁有大面積窗戶看起來很美觀，但這也會導致隔熱性能下降，”該研究的合著者、德雷塞爾大學工程學院的本科生瑞瑟姆·奧桑（Rhythm Osan）說。

“在理想情況下，建筑物不會損失任何熱量，但從現實的可建造性角度來看，熱橋效應、管道空氣滲漏、材料性能和接縫細節等問題總會導致一些熱量損失?！?/p>

團隊沒有試圖對抗熱量流失的現實，而是決定將建筑表面本身轉變為主動的溫度調節器。

石蠟與混凝土如何協同工作

這項創新在于將特制的聚合物基體與混凝土結合，在材料表面內部形成一個脈管系統。這個內部網絡隨后被填充石蠟，這是一種相變材料（PCM），類似于蠟燭中所用的物質。

相變材料非常適合此應用，因為它們在固液相變過程中會吸收和釋放熱量。當溫度下降、石蠟凝固時，它會釋放熱量。當溫度升高、石蠟融化時，它會吸收熱量 —— 從而產生冷卻效果。

“我們之前曾將石蠟基材料用作自溫混凝土的相變成分，因此我們知道它是一種可靠、天然的物質，能夠影響混凝土建筑材料的表面溫度，”該研究的合著者、德雷塞爾大學先進基礎設施材料（AIM）實驗室的研究科學家羅賓·德布（Robin Deb）博士說。

“對于此應用，我們選擇了一種熔點約為18攝氏度（相對較低）的相變材料，以測試其在寒冷氣候下的有效性。但這個系統也允許定制相變材料，使其在更溫暖的氣候中同樣有效?！?/p>

這個概念類似于人類和動物調節體溫的方式。“看看我們的循環系統是如何用來調節體溫的，”該項目負責人、副教授阿米爾·法納姆（Amir Farnam）博士詳細闡述道。

“當天氣炎熱時，血液流向體表 —— 我們的臉可能會有點紅，并通過腺體開始出汗，這通過相變過程（汗液蒸發）來冷卻我們。這是一個非常有效的自然過程，我們希望在建筑材料中復制它?！?/p>

測試受生物啟發的混凝土

為了測試他們的設計，研究人員制作了多個水泥樣本，每個樣本的通道圖案和排列方式都不同：單通道、多通道、平行、對角線和菱形網格。通道厚度從3毫米到8毫米不等。

然后，他們將通道填充石蠟，并進行測試以評估樣本的機械強度和減緩溫度變化的效果。在各種設計中，菱形通道網格在強度和熱性能方面表現出了最佳的組合效果。

該版本在調節表面溫度的同時承受住了拉伸和壓縮試驗，能夠將升溫或降溫速度減緩每小時1至1.25攝氏度。

“我們發現，更多的脈管表面積等同于更好的熱性能 —— 這或許并不令人驚訝。這一觀察結果類似于大象和野兔耳朵的生理結構，它們包含大面積的脈管系統以幫助調節體溫，”德布表示。

“我們相信，我們的脈管材料可以在建筑物中發揮類似作用，幫助抵消溫度變化，并減少暖通空調為維持熱舒適度所需的能源消耗。”

邁向更強、更智能、更環保的建筑

盡管存在中空通道，這種材料仍保持了足夠的強度以供實際使用。添加細骨料提高了其耐久性，且不影響脈管系統。

“雖然這項研究旨在展示概念驗證，但這些結果很有希望，我們可以在此基礎上繼續發展，”法納姆說。

“這既證明了這種方法在調節水泥基材料表面溫度方面的有效性，也展示了一種生產此類材料的簡單且經濟高效的方法。通過進一步的測試和規?；覀兿嘈胚@有可能為眾多改善建筑能效的持續努力做出重大貢獻?！?/p>

接下來，該團隊計劃嘗試使用不同種類的相變材料、替代的通道設計以及更大的建筑材料樣本。這些試驗將在更長的周期內和更多樣的環境條件下進行，以評估長期性能。

該研究發表于《建筑工程學報》。

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