EP.295 科學家真的讓房子「出汗」了！

EP.295 科學家真的讓房子「出汗」了！

天氣熱的時候怎麼辦？一般來說就是拿出葛城美里說的「人類的至寶、科學的勝利」—也就是冷氣啦。不過冷氣雖然方便，在能源短缺、全球暖化的今日，如果能有可以取代冷氣的替代方案就太好啦。
在室內覺得熱是因為建築物吸收了陽光的能量，尤其紅外線更是升溫的元兇。想要讓室內變涼爽，最簡單的方式，就是把外牆塗成白色把大部分陽光反射掉，緩和室內升溫。過去我們也介紹過「超激白」的塗料（請在本站搜尋「超激白」就可以找到這篇文章），就是利用這個原理來為室內降溫，現在市面上也已經可以買到這種「輻射冷卻塗料」。不過這種塗料也有缺點：只有在陽光強烈的天氣時有效，但是大家也知道，有的時候即使是陰天一樣熱得要命，這時輻射冷卻塗料就無法發揮降溫的功能了！
最近新加坡南洋理工大學的研究團隊更進一步，研發了讓建築物能「流汗」的新型塗料「CCP-30」，更提高了散熱的效率。這個新塗料是在水泥中加入硫酸鋇（BaSO4）的顆粒（粒徑 ～ 400 奈米）、聚乙烯醇（PVA）、以及氯化鋰（LiCl）製成。水泥本身凝固後的結構具有許多微米級的孔隙，是一種「多孔隙材料」。硫酸鋇顆粒除了能增加塗料對可見光與紅外線的反射率，減少房屋吸收的能量之外，還能讓塗料內部形成更細密的多孔隙結構，可以大幅增加塗料的「比表面積」（specific surface area，單位質量材料的表面積，詳情請看前幾天的「諾貝爾化學獎」介紹文）。
氯化鋰會從空氣中吸收水分保存在塗料孔隙內，當戶外氣溫上升，水分會開始蒸發帶走熱量。由於其多孔隙結構的超大比表面積，水分的吸收與蒸發的效率很高，讓建築物能以高效率散熱。PVA則是讓塗料的結構更穩定，因為這種塗料孔隙多、裡面又塞滿了吸飽了水而潮解的鹽類，可能會造成結構劣化變得脆弱，所以得用 PVA 來補強。此外，為了要在強度、孔隙率和塗刷性之間抓到最佳平衡，調水泥時的「水灰比」要介於0.38到0.47之間，調好的塗料刷一次的厚度為2.28 mm，可以視需要多刷幾次增加厚度。
研究人員用掃描電子顯微鏡（SEM）、穿透式電子顯微鏡（TEM）、能譜分析（EDS）、X光微電腦斷層（micro-CT）等儀器檢驗，發現塗料的微結構均勻又緻密，孔隙分布和Ca/Si比都比傳統水泥更均勻穩定。7天抗壓強度測試也高於一般水泥，也比只加奈米粒子的配方高，可見 PVA 是強化結構的關鍵。
反射率的實驗顯示，這種塗料在可見光的反射率是 93%，對「熱源」紅外線則可達到 95%，雖然比不上「超激白」塗料的 98.1%，不過因為還有「流汗」的機制，所以抗熱程度更勝一籌。而且硫酸鋇顆粒鑲嵌在水泥的孔隙結構裡，即使經過長時間的風吹日曬雨淋，反射率也沒有受到影響。
為了測試新塗料的效果，研究團隊蓋了三間長寬高分別為50、40、70公分的模型屋，分別在外牆塗上普通白漆、市售的高反射率冷卻漆、以及本次研究開發出來的CCP-30塗料，測試了一個月、歷經不同天候的結果顯示：在各種狀況下，使用 CCP-30 的房屋的室外表面溫度，都比普通白漆低了7~8℃，比冷卻漆低了 5 ℃，而室內溫度不管在什麼天氣下，都比其他二者低了超過 4.5℃。這個非常厲害，如果本來的室內氣溫是 31℃，光靠塗料就能降到 26.5℃，這樣根本不需要開冷氣，開個電風扇就行了。
不過在新加坡這種炎熱的地方，可能還是得要有開冷氣的時候。所以研究團隊不惜血本，再蓋了三間長寬高分別為3、3、4公尺的小房子，在裡面裝了冷氣，在保持室內溫度固定時，CCP-30比普通白漆省電將近40%，比市售冷卻漆省電30%。數值模擬的結果，一整棟四層樓的建築，一年下來可以省下 68333 度電，換算成電費是好幾十萬！當然碳排放也少得多。
CCP-30 塗料結合了「輻射冷卻」與「蒸發冷卻」的雙重機制來達到降溫效果。更重要的是成本極為低廉，沒有用到任何昂貴的材料，有極大的潛力可以成為下一個世代安全、耐用、便宜的「被動式降溫」方案，達到節能減碳的效果。所以雖然原理說起來挺簡單的，但可是發表在頂尖的「Science」期刊喔！（2025/06/05）
不過如果一整個城市都是這種房子，會不會像棒球隊更衣室一樣，一大堆汗流浹背的壯漢（房子）擠在一起，反而變得更熱呢？這就有待進一步研究了！

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