理大研發碳量子點驅動的環保輻射製冷納米塗層 推動建築物節能降溫

香港的建築物佔全港用電量約九成，產生逾六成的碳排放。因此，在建築物推行節能措施須持之以恆，以逐步減緩氣候變化帶來的影響。香港理工大學（理大）研究團隊成功開發一款自適性環保輻射製冷納米塗層，能應用於建築物天台和外牆等，毋須消耗任何能源下，即可有效降低建築物表面溫度高達攝氏25度，並降低室內溫度約攝氏2至3度。新型塗層既無毒又耐用，且不含任何金屬，更可大規模生產，有助推動以環保節能方法緩解城市熱島效應及助力實現碳中和目標。

以反射物料覆蓋外牆及天台，有助建築物自我調節熱環境，繼而降低室內環境溫度。一般採用的被動式輻射製冷材料，不能根據環境變化自動調節製冷量，應用具局限性。為此，理大建築環境及能源工程學系教授呂琳教授帶領的研究團隊，聯同核心成員博士後研究員龔權博士，開發了以「碳量子點」（Carbon Dots）驅動的光致發光輻射製冷納米塗層，能因應太陽輻射量，自動調節其製冷量。光致發光輻射製冷塗層是利用光致發光材料將太陽能轉化為光能，太陽光度強度愈大，塗層的太陽光反射率愈高，以避免建築物吸收過量熱力。

然而，傳統的光致發光材料屬於稀土金屬和鈣鈦礦，存在環境污染問題。而呂琳教授的團隊以具開創性的方法，採用納米大小的環保有機合成物「碳量子點」作為光致發光材料，解決此問題。這種環保無害的有機材料塗蓋在中空的玻璃微珠表面，製成智慧製冷球，令塗層有效地將紫外線轉換成可見光光子，提升太陽能反射率。新型塗層具水溶性特點，使用時只需等待水分蒸發及凝固，便可形成塗層覆蓋在建築物表面，過程中不會釋放任何揮發性有機化合物，減少空氣污染的問題。

實驗結果顯示，與傳統輻射製冷塗層相比，新型塗層可將日間的有效太陽能反射率由92.5%提升至95%，冷卻效果比傳統塗層高10至20%，例如於混凝土天台採用，更可降溫高達攝氏25度。

另外，與政府機構合作的實地測試中，團隊將新型輻射製冷塗層應用於本港建築工地的貨櫃屋屋頂；經過兩年半的戶外測試後，貨櫃屋屋頂比一般混凝土屋頂溫度降低高達攝氏24度。新型塗層耐用度亦極高，其太陽能反射率在測試期後只降低了不多於2%。團隊預計，以新型塗層為該貨櫃屋降溫，能有效降低空調冷負荷，每年可節省約10%空調系統耗電量。

研究團隊亦分析了中國內地不同氣候地區的年平均氣溫下降與降溫耗電數據，發現太陽能輻射量愈高，新型塗層可達到的降溫溫差愈大，表現優於一般輻射製冷塗層，有助大幅減少建築物能源消耗。以香港和內地10個城市，包括北京、杭州、廣州、長沙、新彊和田、瀋陽、桂林、福州、重慶、蘭州為例，使用新型塗層為建築物降溫，預計每平方米塗層可以為每一城市每年節省約97至136度電。

呂琳教授表示：「全球暖化和極端氣候如熱浪問題日益嚴峻，科學界致力探討如何消耗最少能源為建築物和城市降溫。我們研發的新型塗層具備卓越降溫表現，適用於各種氣候的城市，有望加快新一代降溫材料的發展。這種水溶性新型塗層更可製成多種顏色，以滾刷方式大幅塗抹於建築物天台和外牆、路面、城市地表覆蓋面等，既可達到降溫目的，更兼具美化外觀的效果，是未來實現可持續城市發展、緩解城市熱島效應的創新策略之一。」

另外，研究團隊已獲得理大碳中和科研基金的支持，將這種新型光致發光輻射製冷納米塗層與雙面太陽能光伏板結合，實現協同增強的熱管理和發電，使建築物由能源消耗者轉變為能源收集者。研究團隊計劃在興建中的理大九龍塘學生宿舍天台安裝雙面光伏板，並於光伏板之下的天台地面塗抹新型塗層，進一步提高太陽能反射到光伏板的比率，從而提高發電量，並為建築物降溫。

團隊預期，新系統與沒有塗層的單面太陽能光伏板相比，發電量提高30%至50% ，碳排放減少30%。新宿舍天台可安裝雙面太陽能光伏板的面積約600平方米，以此為例，預計可產生97,000千瓦小時電量，每年節省逾港幣12萬元電費。另外，團隊亦正研究利用石蠟基開發一款動態自適性輻射製冷納米塗層，能因應寒冷及炎熱天氣，維持適當的太陽能反射率，以達到冬天保暖夏天降溫的效果。

這種水溶性新型塗層更可製成多種顏色，以滾刷方式大幅塗抹於建築物天台和外牆、路面、城市地表覆蓋面等，既可達到降溫目的，更兼具美化外觀的效果。