在典型的美國建築中，大約 50% 的能源用於供暖和制冷。這不僅耗費了大量資金和化石燃料，還對已經老化的能源基礎設施造成了壓力，尤其是在極端氣溫時期。這也是加州大學聖塔芭芭拉分校研究人員查理-肖、埃利奧特-霍克斯和廖博林希望解決的問題。
他們在《設備》（Device）雜志上發表的一篇論文中介紹了一種自適應瓦片，這種瓦片以陣列的形式安裝在屋頂上時，可以降低冬季的取暖費和夏季的制冷費，而且不需要電子設備。
該研究的第一作者肖說："它可以根據瓷磚的溫度在加熱狀態和冷卻狀態之間切換。目標溫度約為華氏 65 度--約為攝氏 18 度。"
這個約四英寸見方的被動式體溫調節裝置融合了廖昌永在熱科學方面的專長和霍克斯在機械設計方面的工作--一個可移動的表面，可以根據不同的溫度改變其熱特性。幾年前，他們在往返於聖巴巴拉和加利福尼亞北部的長途旅行中萌生了這個項目的想法。
瓦片的開發和功能
"當時我們的配偶都在斯坦福大學，所以我們一起去旅行，想知道我們有可能一起做些什麼，"廖說，他和霍克斯一樣，都是加州大學伯克利分校機械工程系的教授。他們隨後獲得了加州納米系統研究所（California NanoSystems Institute）的種子基金，用於設計機械可調熱設備。
直到肖想到使用蠟馬達，自適應瓦片的想法才最終成型。根據蠟在溫度作用下體積的變化，蠟馬達產生壓力，從而移動機械零件，將熱能轉化為機械能。蠟電機常見於洗碗機和洗衣機等各種電器以及航空航天業等更專業的應用中。
就瓷磚而言，蠟馬達根據其狀態可以推動或縮回活塞，從而關閉或打開瓷磚表面的百葉窗。因此，在氣溫較低時，當蠟是固體時，百葉窗會關閉並平鋪，露出能吸收陽光的表面，最大限度地減少通過輻射散熱。
優勢和測試結果
但是，一旦溫度達到 18 攝氏度左右，蠟就會開始融化和膨脹，推動百葉窗打開，露出一個反射陽光和散發熱量的表面。此外，在熔化或冷凍過程中，蠟還會吸收或釋放大量熱量，進一步穩定瓷磚和建築物的溫度。
肖解釋說："因此，我們有一種可預測的開關行為，可在一個非常小的范圍內工作。"根據研究人員的論文，測試表明，與覆蓋傳統反射或吸收塗層的非開關器件相比，冷卻能耗降低了 3.1 倍，加熱能耗降低了 2.6 倍。由於采用了蠟質電機，該裝置的運行不需要電子設備、電池或外部電源，而且與其他類似技術不同的是，它的響應速度在目標范圍的幾度之內。此外，該裝置設計簡單，便於定制--可使用不同的熱塗層和各種類型的蠟，使裝置在所需的溫度范圍內運行，同時也便於大規模制造。
霍克斯說："該裝置仍是一個概念驗證，但我們希望它能帶來新技術，有朝一日能對建築物的能源消耗產生積極影響。"
編譯來源：ScitechDaily