The Innovation | 以热为匙：节能热自适应液体门控系统

导 读

通过加热、通风和空调来控制温度的热传导系统已经成为建筑中最大的能源消耗问题之一。传统的热力学系统主要包括封闭系统和开放系统，在加热和冷却过程中，这两种系统都只持有恒定的关闭和打开状态，无法根据外界环境变化做出智能调整。为此，厦门大学侯旭教授团队开发了一种具有良好节能效果的热自适应液体门控系统，能够在加热和冷却过程中智能“呼吸”，实现了室内温度的动态调节。

图1 图文摘要

温度控制涉及检测环境温度变化、调节能量进出该空间的过程，以达到理想温度。尽管通过供暖、通风、空调等温控设施用于主动调控，可以满足用户设定的温度，但是随着能源问题的日益严重，使用建筑外立面材料来调节室内温度的方法备受关注，因其可根据温度或环境变化阻挡或加速能量交换。封闭空间与其周围环境之间的热交换可以通过传导、对流和辐射的形式进行。虽然传导和辐射是普遍存在的，但对流通过流体的运动来传播热量，在空气传热中起着主导作用。因此，具有热对流通道开口可调、允许在封闭和开放系统之间转换的系统，是实现高效能源利用率温度控制的理想选择，有望与智慧城市热管理的关键发展技术深度融合。

植物的蒸腾作用是生物体利用气孔开闭来实时调节热传递的一个显著例子。气孔开闭是通过气孔内部特殊排列的保卫细胞的膨胀变化，控制气孔的大小，从而调节蒸腾速率。尽管人们在模拟气孔的功效方面做了大量的工作，但开发一种能够根据实际温度和期望温度之间的动态差异而改变热传递通道的单一系统仍是一项艰巨的挑战。

为了解决上述难题，厦门大学侯旭教授团队利用液体门控技术，开发了一种基于双稳态界面三明治结构的节能热自适应液体门控系统（图2）。该系统通过对能源的有效利用，在加热和冷却过程中实现智能“呼吸”，从而对室内温度进行动态调节。当体系内部温度高于用户设定温度时，门控液体与多孔膜基质间相互作用力较弱。在恒定的内外空气压力梯度（ΔP）下，ΔP能够打开液体密封的多孔膜，进行热对流，使体系开始通风。然而，当内部温度低于设定温度时，多孔膜基质与门控液体有更强的亲和力，孔道立即被液体密封，液体门控系统处于关闭状态，体系开始保温。

图2 封闭、开放和热自适应液体门控系统的传热行为，以及系统维持设定温度的能耗分析

为了实现全温度范围内的稳定作用，该热自适应液体门控系统在固体膜表面构筑了多孔膜基质与热响应分子刷修饰固体表面参差分布的三明治结构。利用门控液体与三明治结构的双稳态作用，该液体门控系统可实现高温打开、低温关闭的温度自适应节能通风行为，从而进行智能“呼吸”，调节室内温度。在此基础上，作者还构建了温室大棚膜原型系统，进行了实际应用模拟（图3），并验证了热自适应系统的节能性能。另外，基于全球温室蔬菜种植数据，作者进一步对节能效果进行了模拟评估（图4）。结果表明，基于三明治结构的节能热自适应液体门控系统不仅可以实现温度控制，而且具有明显的节能优势，相较于传统温室大棚，该系统每年能够减少11.6%的能源消耗，为加强科技农业的基础前沿研究提供了原始创新。

图3 节能热自适应液体门控系统在温室大棚中的应用

图4 在温室大棚应用中，封闭、开放以及热自适应系统维持设定温度的能耗计算和节能机理模拟

总结与展望

本研究通过将具有三明治结构的热响应多孔膜与门控液体复合，开发了一种具有节能热自适应性能的液体门控系统。该系统拥有“开关”行为可调节的热对流通道，可根据设定温度进行自适应的智能通风控温，以实现节能建筑的室内热管理，有望与智慧城市热管理的关键发展技术深度融合。节能热自适应机制的原型可以进一步扩大液体门控自适应系统在实践中的应用范围，加强科技农业基础前沿研究并提供原始创新，为实现“碳中和、碳达峰”目标开辟新的途径。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00027-3

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第三期以Report发表的“Energy saving thermal adaptive liquid gating system” (投稿: 2021-12-16；接收: 2022-03-23；在线刊出: 2022-03-25)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100231

引用格式：Chen B., Zhang M., Hou Y., et al. (2022). Energy saving thermal adaptive liquid gating system. The Innovation. 3(3),100231.

作者简介

侯 旭，国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划纳米科技重点专项项目负责人、厦门大学仿生多尺度孔道课题组组长、闽江科学传播学者（首批）等。从事仿生智能材料研究十余年，发表学术论文80余篇。侯旭教授所引领的原创“液体门控技术”被世界权威化学组织“国际纯粹与应用化学联合会IUPAC”评为2020年全球“化学领域十大新兴技术”。曾受邀参加了央视CCTV科教频道《人物-故事》及《百家讲坛》栏目，展示当代青年科学家的原创力、新型研究理念与瞩目研究成果。

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