理大土木及環境工程學教授戴建國 研發「黑科技」 建築物能製冷 (吳雄)

By on October 16, 2020

本文作者吳雄,為《信報》撰寫專欄「訪談錄

香港是個獨特的地方,人和建築物都擠得透不過氣。 (何澤攝)

香港是個獨特的地方,人和建築物都擠得透不過氣。 (何澤攝)

北極融冰、熱島效應,香港人都難有共鳴,前天文台台長林超英一直提倡少開冷氣,結果每年盛夏都引發大辯論。不過,這些爭論也許在將來會畫上句號,因為香港學者研究出製冷建築塗層,夏天建築表面溫度能保持在攝氏26度,屆時還用開冷氣?

這項發明的核心人物是香港理工大學土木及環境工程學系副系主任戴建國教授和香港城市大學材料科學和工程學系副教授雷黨願。他們從內地大學畢業後分別負笈日本和英國深造,最後在香港相遇,合力創造出環保「黑科技」!

何謂「黑科技」?就是超乎想像的新科技。書本知識和常識告訴我們,建築物受太陽照射溫度會上升。戴建國和雷黨願的構思卻顛覆既定的觀念,這種建築塗層的研究過程到底是怎樣的?原來,這要從2014年史丹福大學電機工程學系華裔教授范汕洄的革命性研究說起。

范汕洄首創日頭低於環境溫度的輻射製冷技術(SDRC),使用沉積多層納米光子晶體,建築物在毋須耗電下達到低於環境攝氏5度,隨後科羅拉多等大學的研究團隊,研究出玻璃球/聚合物混合超材料、纖維素壓縮取向木材等SDRC方式。然而,這些材料成本高,至今未能廣泛使用在建築物表面。

減低建築物晝夜溫差

到底范汕洄的理論和戴建國團隊有何不同?戴建國嘗試以普通人較易明白的說話解釋:「之前研究是利用大氣紅外透明窗口,將物體表面的熱量排到寒冷的太空,從而達到低於環境溫度的降溫效果。我們則透過大氣窗口將熱量發射到外太空之餘,還利用大氣長波輻射進行動態熱交換,從而增強日間製冷和抑制夜間超荷製冷。」

戴建國和雷黨願的塗層設計是通過多重散射及寬帶紅外膚色的組合原理,以降低建築物表面的有效陽光吸收和增加排放到太空的熱量;塗層採用二氧化鈦納米粒子、螢光材料,以及寬粒徑分布的玻璃微球,在達到製冷的同時,也減少建築物表面的晝夜溫差,令建築物更耐用。

類似的塗層不是首創,但分別在於過去的塗層只能降溫,達不到製冷的功能。「過去不用塗層的話,建築物表面溫度攝氏40度,塗完溫度可以降低一些,但也不可能低於氣溫。唯有達到低於氣溫的效果,才能叫做製冷。所以,降溫和製冷是兩個概念。」

戴建國(右二)、雷黨願(左二)的兩位得力助手楊凝(左一)、付洋(右一)均有參與研究。(吳楚勤攝)

戴建國(右二)、雷黨願(左二)的兩位得力助手楊凝(左一)、付洋(右一)均有參與研究。(吳楚勤攝)

這種塗層的顛覆性還在於,天氣晴朗時製冷效果比陰天佳,他們團隊的戶外模型房屋測試很順利,不管太陽多猛烈,室內溫度仍然維持在攝氏26度左右。人們理想的建築物是冬暖夏涼,但保養也是關鍵。「我們的塗層很疏水,像雨傘表面一樣,雨滴在上面就溜走;加上荷葉效應,下雨天自動清潔。」戴建國耐心地說。

記者也覺得製冷建築塗層很神奇,最重要是使用起來方便,如果住村屋,用普通噴頭就完事,當然住高樓則要搭棚進行,不過總比裝冷氣來得環保。

香港近年落成的高樓大廈多是玻璃幕牆,如果這類塗層能應用在玻璃上,市場需求將更廣。

戴建國和雷黨願均表示這也是未來的研究方向,戴建國認真地說:「窗本身有節能技術,窗的塗層也是我和雷博士一直在討論的,如果我們連窗也能做到,那將來真的不需要空調,也是完全突破的新東西。我們現在不講太滿,希望在理想狀態下做到零冷氣。」

雷黨願也表示窗是大挑戰,「一方面要讓光線進來,但進來又要做到製冷,本身是矛盾的。」記者問可以做到透明塗層嗎?戴建國笑笑說:「我們也在想這個事情,可讓窗戶玻璃達到一定透明效果且具有強發射性,就可能連窗戶也可製冷。」

從建築物表面談到窗戶時,戴建國特別指出窗戶方面很多專家在做。「現在可能還是很大的挑戰,世界還沒有人有如此突破,做得到的話真是顛覆性,但節能是完全沒問題的。」

他們研發的塗層有不同顏色,希望將來會出現半透明,但當中牽涉到行業壁壘的問題。

與物理專家合作3年

香港是個獨特的地方,人和建築物都擠得透不過氣,然而人才的滙聚也促使黑科技的誕生。戴建國畢業於大連理工大學,後赴北海道大學獲得工學博士,2008年離開日本國土交通省港灣及機場研究所,來到香港理工大學。雷黨願則是西北大學物理學學士,在香港中文大學讀完碩士之後,再去英國帝國理工學院讀博士,2012年回港先後任教於理工大學和城市大學。

戴建國的研究團隊在珠海透過模型屋進行測試,左圖為模型屋原貌,右圖為加上製冷塗層後。(受訪者圖片)

戴建國的研究團隊在珠海透過模型屋進行測試,左圖為模型屋原貌,右圖為加上製冷塗層後。(受訪者圖片)

一個研究建築維護,一個做光學物理,他們3年前在聚會上認識,開始了一場跨領域的建築革命。雷黨願一字一句說:「過去,我一味偏重物理基礎研究,只忙着發表論文,不知道自己的研究有何用處。自從跟戴教授合作後,知道社會的需求在哪裏,比如建築商的需求是什麼,我們就用物理知識去解決實際問題。」

戴建國接口說:「在雷教授幫助下, 我們把事情搞得很清楚。設計一個東西, 最重要是搞清楚理論,剩下的是實踐而已。我們做土木材料的,經常是不斷嘗試和失敗的試驗研究過程,跟物理人相結合,就知道朝哪個方向做能解決問題。這個跨學科的合作,對我們的研究非常有幫助。」

兩人都很了解香港的實際情況,雷黨願留意到室內室外溫差大的問題,「其實這是大量使用冷氣所致,能量是守恒的,你把室內的能量散發到外面,外面的溫度自然就高。我們這次合作就希望幫到香港市民,將來如果把塗層用在房屋上,真的可以不用冷氣。」

至於戴建國更是對建築有濃厚的情意結,「我本身是學港口、海洋的,到讀碩士才改學建築,然後又集中在建築維護上,我覺得將來社會將更加老齡化,於是去日本學建築的加固和維護。來到香港,我就發現這裏建築物老化的問題,更想透過研究解決這些問題。」

農村小子16歲讀大學

戴建國來自江蘇農村,16歲就讀大學,20歲讀碩士學位,23歲讀博士。在大連理工大學時已透過繪製建築施工圖賺取生活費,但學習成績一直穩居班級第一,堪稱超級學霸。

記者說他學業成績出色,他慨嘆走過彎路,原來他1999年去北京接受培訓考TOEFL和GRE,最終卻選擇去東瀛留學,記者訪問後致電找他作一些補充時,聊起往事,他在電話裏直呼:「當年瞎折騰!走彎路。」他在日本跟隨上田多門院士,從對方和日本文化學會謙虛和專注,難怪他的言行有日本人的客套風格。

他談起香港住屋問題,不禁吟起杜甫的《茅屋為秋風所破歌》:「安得廣廈千萬間,大庇天下寒士俱歡顏,風雨不動安如山。嗚呼!何時眼前突兀見此屋,吾廬獨破受凍死亦足。」誰都想安居樂業,讓人人擁有舒適的家居,大概是每一個建築師的夢。

過去一年的疫情,全世界處於封城狀態,戴建國和雷黨願反而多了見面的時間。「我們3年來不知一起吃過多少頓飯。」戴建國笑着說。訪問過程中研究團隊的程曉博士還展示在珠海的製冷建築塗層研究的模型房研試驗,香港人距離熄冷氣的日子走近一大步。

香港理工大學土木及環境工程學系副系主任戴建國希望透過製冷塗層降低建築物的溫度,從而達到減少用冷氣和增加建築物壽命的效果。(吳楚勤攝)

香港理工大學土木及環境工程學系副系主任戴建國希望透過製冷塗層降低建築物的溫度,從而達到減少用冷氣和增加建築物壽命的效果。(吳楚勤攝)

戴建國小檔案

出生地點:中國江蘇省
身份:香港理工大學土木及環境工程學系副系主任
學歷:日本北海道大學工學博士
來港工作年份:2008

撰文 : 吳雄
[email protected]

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