Abstrak
Cat dengan emisivitas rendah (low-e) mengurangi pertukaran panas radiatif antara bangunan dan lingkungan, menstabilkan iklim dalam ruangan dan menurunkan permintaan pendingin udara. Namun, cat low-e yang murah, tahan lama, dan berwarna belum didemonstrasikan. Di sini, pendekatan diusulkan menggunakan poli(benzodifurandione) (n-PBDF) yang didoping-n, polimer konduktif organik transparan, yang dilapisi di atas cat komersial berwarna. Ini mencapai emisivitas termal rendah sebesar 0,19 dalam spektrum inframerah-tengah, yang dikaitkan dengan pengangkutan muatan elektron π yang terdelokalisasi secara efisien dalam struktur n-PBDF. Pengurangan emisivitas termal membantu dalam mengatur suhu bangunan dengan meminimalkan perpindahan panas antara bangunan dan sekitarnya di berbagai zona iklim dan musim. Lapisan n-PBDF mempertahankan warna cat yang mendasarinya karena transparansi yang terlihat tinggi, memenuhi persyaratan estetika. Ini juga menunjukkan stabilitas yang kuat dalam uji pelapukan dalam ruangan yang dipercepat, memastikan kinerja jangka panjang. Simulasi memperkirakan penghematan energi HVAC tahunan lebih dari 10.800 kWh di San Francisco dan 5.500 kWh di Chicago untuk apartemen bertingkat menengah pada umumnya. Fleksibilitas, skalabilitas, dan daya tahan cat membuatnya cocok untuk bangunan, kendaraan, dan rumah kaca, membantu mitigasi pulau panas perkotaan.

1 Pendahuluan
Sepanjang sejarah, manusia telah berupaya menciptakan arsitektur yang nyaman secara termal. Saat ini, permintaan energi di sektor bangunan melonjak karena pertumbuhan populasi dan urbanisasi, diperburuk oleh fluktuasi iklim seperti panas dan dingin yang ekstrem, yang meningkatkan beban energi pada bangunan. Bangunan menyumbang sekitar 40% dari konsumsi energi global dan 33% dari emisi karbon. [ 1 ] Khususnya, lebih dari 40% energi bangunan digunakan untuk sistem pemanas, ventilasi, dan pendingin udara (HVAC) untuk menjaga kenyamanan dalam ruangan. [ 2 ] Memenuhi permintaan ini sangat penting untuk memenuhi target pengurangan emisi yang ditetapkan oleh Perjanjian Paris. [ 1 ]

Ada dua strategi utama untuk pengaturan termal di dalam bangunan: metode aktif, yang mengandalkan pendingin udara yang boros energi, [ 3 ] dan metode pasif, yang menggunakan material canggih untuk memodulasi perpindahan panas secara alami. [ 4 – 6 ] Pendekatan ini mencakup jendela termokromik, [ 7 – 11 ] material insulasi termal, [ 12 , 13 ] dan material pendingin radiatif siang hari. [ 14 – 23 ] Dinding menyumbang ≈25% pertukaran panas antara lingkungan interior dan eksterior, dengan permukaan eksterior bertukar panas melalui konveksi dan radiasi inframerah. [ 24 ] Material tradisional seperti batu bata, batu, kaca, dan beton memiliki emisivitas termal yang tinggi, yang menyebabkan perubahan suhu dan ketidaknyamanan. [ 25 ] Material dengan emisivitas tinggi dapat menyebabkan panas berlebih di iklim panas dan kehilangan panas berlebihan di iklim dingin. Untuk mengatasi tantangan ini, bahan pendingin radiatif dapat dikembangkan agar memiliki emisivitas tinggi hanya di pita jendela langit (8–13 µm), sehingga memungkinkan terjadinya pertukaran panas di pita ini sekaligus membuang panas dari pita ini akibat lingkungan yang panas. [ 26 – 28 ] Namun, hal ini tidak menyelesaikan masalah iklim dingin, di mana hilangnya panas masih menjadi perhatian.

Di sisi lain, cat emisivitas rendah (low-e) dicirikan oleh emisivitas termal rendah di seluruh pita inframerah menengah (MIR) (2,5–20 µm) dan sering kali di pita inframerah dekat (NIR) (0,8–2,5 µm). Properti ini memungkinkan mereka untuk meminimalkan pertukaran panas dengan lingkungan sekitar, menciptakan iklim dalam ruangan yang lebih stabil baik dalam kondisi panas maupun dingin. Sebagian besar cat low-e komersial menggunakan bahan metalik seperti partikel perak atau serpihan aluminium untuk mencapai emisivitas rendah. [ 29 – 34 ] Namun, cat ini memiliki tampilan metalik yang tidak memenuhi persyaratan estetika dan dapat kehilangan kinerja emisivitas rendahnya seiring waktu karena oksidasi partikel logam. Sebaliknya, penelitian terbaru oleh Peng et al. [ 31 ] memperkenalkan cat dwi lapis dengan lapisan atas berwarna transparan IR yang mengandung nanopartikel anorganik (misalnya, biru Prusia, oksida besi, goetit, seng oksida) dan lapisan bawah low-e dari serpihan aluminium yang tersebar dalam pengikat organik transparan IR. Meskipun menjanjikan, tingginya biaya pengikat transparan IR membatasi skalabilitas. Polimer konduktif seperti PEDOT:PSS [ 35 , 36 ] menawarkan alternatif logam untuk cat low-e. Namun, mereka menghadapi tantangan, termasuk kebutuhan untuk dopan eksternal, proses pasca-perlakuan dan pengeringan termal tambahan, kurangnya warna, masalah stabilitas di bawah tekanan lingkungan (misalnya, paparan kelembaban dan UV), konduktivitas yang lebih rendah, dan film yang lebih tebal dengan transmisi cahaya yang berkurang. Hingga saat ini, belum ada penelitian yang menunjukkan cat low-e yang dapat diskalakan, berwarna, dan tahan lama.

Bahasa Indonesia: Untuk mengatasi tantangan ini, kami mengusulkan pendekatan menggunakan lapisan sangat tipis dari polimer konduktor baru, poli(benzodifurandione) terdoping-n (n-PBDF), yang disemprotkan dengan mudah di atas cat komersial dengan cara yang dapat diskalakan dan hemat energi. Tidak seperti logam yang digunakan dalam cat komersial low-e, di sini n-PBDF menyediakan fungsionalitas low-e intrinsik dari keadaan doping sendiri di seluruh rentang IR, yang menawarkan potensi penghematan biaya yang substansial baik dalam biaya proses maupun material. [ 37 ] Desain kami menempatkan lapisan low-e di atas lapisan berwarna, menghilangkan permintaan untuk pengikat IR-transparan yang mahal dan nanopartikel metalik/anorganik low-e. [ 31 , 38 , 39 ] Lapisan n-PBDF memperlihatkan warna lapisan di bawahnya, mempertahankan daya tarik estetika cat komersial. Lapisan pelapis n-PBDF menunjukkan stabilitas yang kuat dalam uji pelapukan dalam ruangan yang dipercepat, yang memastikan kinerja jangka panjang. Pelapis n-PBDF yang diproses dengan larutan ini dapat diaplikasikan dengan mudah dan membantu menolak radiasi termal MIR di musim panas yang terik sekaligus meminimalkan kehilangan panas di musim dingin ( Gambar 1a,b ). Model teoritis menunjukkan bahwa dinding low-e mempertahankan suhu dengan fluktuasi yang lebih kecil dibandingkan dengan dinding dengan cat komersial ( Gambar 1c,d ). Hal ini menyoroti potensi cat low-e berwarna kami sebagai strategi penghematan energi yang efektif, mengurangi konsumsi energi HVAC dengan meminimalkan pertukaran panas radiatif.

Gambar 1
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Konsep cat low-e berwarna untuk pengaturan termal bangunan. Skema proses pertukaran panas antara dinding bangunan yang dilapisi cat low-e berwarna dan lingkungan sekitar pada a) musim panas dan b) musim dingin. c,d) Suhu permukaan dinding yang dilapisi cat low-e dan cat komersial sebagai fungsi faktor pandangan langit (SVF) pada c) musim panas dan d) musim dingin. e) Skema yang mengilustrasikan prinsip kerja cat low-e berwarna. Lapisan bawah adalah cat komersial berwarna yang memberikan tampilan yang diinginkan untuk memenuhi tuntutan estetika. Lapisan atas adalah lapisan pelapis berbasis n-PBDF yang transparan-tampak dengan reflektansi termal tinggi di wilayah inframerah. f) Foto (kiri) dan gambar IR yang sesuai (kanan) yang menunjukkan “P” low-e yang kontras dengan cat hitam komersial dengan emisivitas termal tinggi.

2 Hasil dan Pembahasan
2.1 Desain Material
Cat berwarna dan berenergi rendah harus memantulkan cahaya tampak secara selektif untuk memenuhi fungsi estetika dan memantulkan radiasi inframerah dengan kuat untuk menghambat pertukaran panas dengan lingkungan. Hingga saat ini, cat komersial berwarna selalu menunjukkan emisivitas termal yang tinggi karena pengikat organik, salah satu komponen penting, menampilkan puncak emisif pada panjang gelombang IR. Di sini, mulai dari cat komersial berwarna sebagai lapisan dasar, lapisan ultratipis yang transparan-tampak dan memantulkan IR diterapkan di bagian atas, yang memungkinkan warna cat dipertahankan sambil mencapai reflektansi IR yang tinggi. Lapisan atas terdiri dari koloid PBDF n-doped (n-PBDF), polimer konduktif terkonjugasi organik (Gambar 1e ). Dimulai dari panjang gelombang 0,8 µm, lapisan atas menunjukkan reflektansi yang meningkat dan mengurangi perolehan panas matahari di wilayah NIR, sehingga memfasilitasi penghematan energi selama musim panas. Sementara itu, lapisan atas menunjukkan refleksi tinggi pada panjang gelombang MIR, tempat radiasi termal objek suhu ruangan terkonsentrasi. Ini meminimalkan pertukaran radiasi termal antara selubung bangunan dan lingkungan sekitar dan memfasilitasi pengaturan termal bangunan di sepanjang musim. Emisivitas rendah n-PBDF dapat divisualisasikan menggunakan pola “P” n-PBDF yang disemprotkan pada kertas cetak yang dikelilingi oleh cat hitam komersial (Gambar 1f ). Meskipun suhunya sama, warna biru tua dari pola “P” e rendah pada gambar IR dengan jelas menunjukkan emisivitas rendah lapisan n-PBDF, karena memancarkan lebih sedikit radiasi termal ke kamera IR.

2.2 Pelapisan Tinta Polimer Konduktif untuk Cat Low-E
n-PBDF menonjol karena konduktivitas listriknya yang luar biasa dan transparansi optik yang unggul dalam spektrum cahaya tampak, serta stabilitasnya yang luar biasa di bawah kondisi udara, kelembapan, dan termal, karena pengangkutan muatan elektron-π yang terdelokalisasi secara efisien dalam tulang punggung π yang kaku dan memanjang. [ 40 , 41 ] Kami telah berhasil memadukan film low-e transparan ini dengan cat berwarna eksterior umum, yang menunjukkan potensinya untuk aplikasi luas dalam meningkatkan efisiensi energi dan kinerja optik pelapis arsitektur dan kendaraan. Gambar 2a memberikan ilustrasi skematis komprehensif dari proses yang melibatkan pelapisan cat komersial berbagai warna, diikuti oleh pelapisan atas larutan tinta n-PBDF yang disiapkan melalui proses pelapisan semprot skala besar (Catatan S1 , Informasi Pendukung). Khususnya, pemanfaatan pelarut berbasis alkohol yang ramah lingkungan memfasilitasi pelestarian struktur tulang punggung n-PBDF yang kaku selama formulasinya menjadi tinta semprot yang dapat diskalakan. Sisipan menunjukkan foto larutan yang disiapkan yang berisi lebih dari 300 mL larutan tinta n-PBDF, yang menyoroti sifat larutan, dispersi yang sangat baik, stabilitas yang baik, dan tinta yang homogen. Ini menunjukkan potensi universal tinta n-PBDF untuk memperbaiki permukaan berwarna guna mempertahankan warna sekaligus memungkinkan sifat rendah-e terlepas dari skalanya, termasuk dinding bangunan besar atau eksterior kendaraan.

Gambar 2
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Skema dan karakterisasi proses pelapisan polimer konduktif emisif rendah. a) Ilustrasi skema pelapisan semprot skala besar tinta n-PBDF ke berbagai substrat yang dilapisi dengan cat berwarna komersial. Sisipan menunjukkan larutan tinta n-PBDF berbasis etanol yang ramah lingkungan, cocok untuk peningkatan skala yang mudah. ​​b–d) Gambar SEM yang mengilustrasikan b) cat hitam komersial, c) film n-PBDF pada kaca, dan d) film n-PBDF di atas lapisan cat hitam. e) Distribusi diameter partikel agregat skala nano yang terbentuk pada permukaan film n-PBDF, dengan panel atas dari SEM c,d) dan panel bawah dari gambar fase AFM (Gambar S1 , Informasi Pendukung), yang menyoroti fitur partikulat nano dengan diameter rata-rata ≈28 nm. f) Spektrum ATR FT-IR untuk empat film berbeda dengan substrat kaca/cat hitam. g) Spektrum serapan UV–vis-NIR dari tinta n-PBDF yang diencerkan lebih dari 20 kali lipat (sisipan: larutan tinta n-PBDF yang diencerkan secara serial).
Gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) pada Gambar 2b–d menggambarkan morfologi permukaan cat hitam komersial, partikel n-PBDF, dan lapisan n-PBDF yang dilapisi pada cat hitam komersial. Cat hitam komersial menunjukkan permukaan kasar karena adanya kristal mineral mikronisasi (Gambar 2b ). Gambar 2c,d mengilustrasikan lapisan seragam partikel n-PBDF berukuran nano pada slide kaca dan permukaan cat hitam kasar, masing-masing. Gambar mikroskop gaya atom (AFM) selanjutnya menguatkan fitur nano seragam partikel n-PBDF yang berkisar dari 22 hingga 42 nm, dengan ukuran rata-rata sekitar 28 nm (Gambar 2e dan Gambar S1 , Informasi Pendukung). Ukuran partikel skala nano secara signifikan mengurangi hamburan cahaya tampak, memungkinkan transmitansi cahaya tampak yang tinggi. Selain itu, spektroskopi inframerah transformasi Fourier reflektansi total yang dilemahkan digunakan untuk analisis kualitatif kimia permukaan di empat sampel berbeda (Gambar 2f ). Lapisan cat hitam komersial terdiri dari beberapa pengisi, perekat, pigmen, dan bahan lain yang menghasilkan pembentukan puncak kuat pada 1720 cm −1 (peregangan C═O pada gugus ester/karboksil), 1165 dan 1074 cm −1 (peregangan Si-O), dan berbagai pita serapan simetris dan asimetris. Film n-PBDF memiliki puncak absorbansi yang bergeser atau baru pada 1790 dan 1630 cm −1 dan dalam rentang 1970–2160 cm −1 . Perhatikan bahwa puncak 1790 cm −1 dikaitkan dengan peregangan pita C═O asimetris dan merupakan sidik jari spektral untuk gugus lakton beranggota 5. Sidik jari spektral yang jelas dari kedua lapisan dan kompatibilitas antara lapisan n-PBDF dan lapisan cat, serta pembentukan cat low-e, dapat dikonfirmasi secara tidak langsung oleh puncak absorbansi peregangan berbeda yang diamati saat film n-PBDF berdampingan dengan lapisan cat low-e.

Gambar 2g menunjukkan spektrum absorbansi yang jelas dari larutan tinta n-PBDF di wilayah UV–vis-NIR. Meskipun diencerkan lebih dari 20 kali lipat, larutan tersebut menunjukkan penyerapan polaronik yang jelas yang secara bertahap meningkat di wilayah NIR. Kedua puncak panjang gelombang, 487 dan 1350 nm, pada berbagai konsentrasi pengenceran menunjukkan kesesuaian linear absorbansi dengan konsentrasi. Tren ini sesuai dengan hukum Beer–Lambert, yang mengonfirmasi keberadaan koefisien kepunahan yang berkorelasi dengan konsentrasi larutan tinta n-PBDF (Gambar S2 , Informasi Pendukung). Analisis hamburan cahaya dinamis digunakan untuk menentukan distribusi ukuran fitur n-PBDF dalam larutan tinta, yang mengungkapkan diameter hidrodinamik rata-rata 76 nm. Hasil ini, yang dirinci dalam Gambar S3 (Informasi Pendukung), membuktikan dispersi fitur n-PBDF yang seragam dan stabil dalam pelarut, yang menekankan kesesuaian tinta untuk aplikasi yang memerlukan distribusi seragam dan kinerja yang konsisten di berbagai substrat dan lapisan cat.

2.3 Karakterisasi Optik Cat Low-E Berwarna
Sifat optik cat dua lapis dengan lapisan n-PBDF dengan ketebalan berbeda di atas lapisan cat hitam buram diselidiki untuk mengungkap fungsinya dalam mengurangi emisivitas termal cat komersial. Spektrum reflektansi cat hitam low-e, cat hitam komersial, dan nanopartikel n-PBDF murni yang dilapisi pada slide kaca ditunjukkan pada Gambar 3a . Cat komersial menunjukkan reflektansi rendah secara konsisten di seluruh panjang gelombang surya dan termal. Secara khusus, reflektansi termal rata-rata 0,05 menunjukkan bahwa, dalam iklim panas, cat tersebut hampir tidak menolak perolehan panas dari lingkungan sekitar; sebaliknya, dalam iklim dingin, cat tersebut kehilangan panas ke lingkungan sekitarnya, sehingga meningkatkan permintaan pemanasan. Sebaliknya, slide kaca yang dilapisi dengan partikel n-PBDF setebal 194 nm menunjukkan peningkatan reflektansi yang tajam dari 0,6 µm dan mencapai ≈0,95 pada panjang gelombang MIR. Reflektansi cat hitam low-e dengan lapisan partikel n-PBDF setebal 194 nm yang sama mulai meningkat dari 0,8 µm dan mempertahankan reflektansi tinggi 0,81 dalam panjang gelombang MIR, setara dengan emisivitas 0,19 (Catatan S2 , Informasi Pendukung). Oleh karena itu, menambahkan lapisan n-PBDF ke cat hitam komersial secara bersamaan memblokir radiasi NIR dari matahari dan radiasi MIR dari lingkungan sekitar yang panas di musim panas, sehingga mengurangi permintaan pendinginan. Selain itu, kehilangan panas radiasinya ditekan dalam iklim dingin karena emisivitasnya yang diminimalkan. Perlu dicatat bahwa emisivitas termal cat low-e lapisan ganda dapat disetel dengan memvariasikan ketebalan lapisan atas n-PBDF (Gambar 3b ). Saat meningkat dari 121 menjadi 194 nm, reflektansi termal meningkat dari 0,60 menjadi 0,72, yang menunjukkan pengurangan emisivitas termal, yang divisualisasikan dalam gambar termal IR (Gambar 3b , sisipan). Dengan mata telanjang, warna yang tampak dari cat low-e ini sangat mirip, tetapi gambar termal IR yang sesuai menunjukkan pengurangan yang jelas dari “suhu tampak” dari kiri ke kanan karena berkurangnya emisi termal saat ketebalan lapisan n-PBDF meningkat. Cat low-e dengan lapisan atas n-PBDF paling tebal menunjukkan suhu permukaan terendah dalam gambar termal IR (Lihat Bagian Eksperimen dan Gambar S4 , Informasi Pendukung, untuk keterangan lebih rinci).

Gambar 3
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Sifat optik yang dapat disetel dari cat low-e dalam panjang gelombang surya dan MIR. a) Spektrum reflektansi cat hitam low-e, n-PBDF, dan cat hitam komersial. Sisipan menunjukkan foto-foto mereka, dan semua sampel dilapisi pada kaca. b) Spektrum reflektansi cat hitam low-e dengan berbagai ketebalan lapisan n-PBDF. Sisipan menunjukkan foto-foto mereka dan gambar IR yang sesuai. c) Spektrum transmitansi dan reflektansi yang disimulasikan dari lapisan n-PBDF dengan berbagai ketebalan yang dilapisi pada slide kaca. d) Spektrum reflektansi yang disimulasikan dari cat hitam low-e dengan lapisan n-PBDF dengan berbagai ketebalan di atas cat pendingin radiatif BaSO 4 -akrilik buram. [ 43 ] e) Foto-foto yang menunjukkan cat berwarna komersial dan padanan low-e lapisan ganda. f) Kromatisitas cat komersial (penanda lingkaran) dan cat low-e yang sesuai (penanda segitiga) dengan warna yang berbeda ditunjukkan dalam ruang warna CIE 1931. g) Spektrum Reflektansi cat komersial (kurva padat) dan cat low-e (kurva putus-putus) di wilayah MIR.
Simulasi sifat optik lapisan pelapis n-PBDF dengan ketebalan yang berbeda penting untuk merekayasa desain cat low-e yang optimal. Gambar S5 (Informasi Pendukung) membandingkan reflektansi dan transmitansi yang disimulasikan versus yang diukur dari lapisan n-PBDF setebal 168 nm pada slide kaca setebal 1 mm. Karena ukuran partikel rata-rata 27,4 nm jauh lebih kecil dari panjang gelombang, koefisien hamburan dapat diabaikan. Ini menyederhanakan masalah menjadi media penyerap yang homogen, dengan persamaan Fresnel yang memperhitungkan refleksi spekular dan hukum Beer–Lambert yang memperhitungkan penyerapan dalam lapisan n-PBDF dan slide kaca. [ 42 ] Simulasi menyiratkan bahwa transmitansi tinggi dalam spektrum tampak disebabkan oleh indeks bias dan koefisien pemadaman yang rendah, sementara reflektansi meningkat ke arah wilayah NIR karena koefisien pemadaman sangat meningkat, yang menyebabkan peningkatan hamburan batas di permukaan atas. Gambar 3c menunjukkan respons spektral yang disimulasikan untuk empat ketebalan lapisan n-PBDF yang berbeda. Kurva reflektansi hampir identik untuk keempat ketebalan, yang disebabkan oleh koefisien pemadaman besar yang menginduksi reflektansi batas tinggi di permukaan atas dan penyerapan tinggi cahaya yang menembus film. Ini menunjukkan perilaku bahan konduktor dan menjelaskan mengapa lapisan sangat efektif bahkan pada ketebalan rendah karena reflektansi terjadi pada permukaan atas dan bukan karena hamburan volumetrik difus di seluruh lapisan nanopartikel, yang memerlukan ketebalan tertentu agar efektif. Gambar 3d membandingkan simulasi reflektansi cat pendingin radiatif BaSO4 – akrilik tanpa lapisan atas versus empat ketebalan lapisan n-PBDF yang berbeda. [ 43 ] Struktur multi-lapis disimulasikan dengan simulasi Monte Carlo menggunakan kode sumber terbuka FOS. [ 44 ] Kita melihat di sini lagi bahwa reflektansi dalam NIR didominasi oleh koefisien pemadaman besar n-PBDF melalui NIR; Namun, daya pantul cat yang tampak bervariasi karena koefisien pemadaman yang lebih rendah dalam spektrum ini tidak menimbulkan banyak pantulan batas sambil tetap menyerap cahaya yang melewatinya sebelum mencapai lapisan bawah akrilik BaSO4 .

Fleksibilitas dalam desain adalah atribut penting lain dari cat low-e kami, yang menawarkan berbagai pilihan estetika kepada para desainer. Struktur dua lapis dari cat low-e kami memungkinkan kami untuk menggunakan lapisan atas yang sama yang tersusun dari n-PBDF pada cat komersial dengan berbagai warna. Panel atas Gambar 3e menunjukkan cat komersial berwarna hijau, biru, kuning, dan merah pada slide kaca, sedangkan baris bawah menunjukkannya dengan lapisan n-PBDF setebal 143 nm. Cat low-e memiliki warna yang sedikit lebih gelap daripada cat polos, karena puncak pantulannya melemah (Gambar S6 , Informasi Pendukung). Seperti yang digambarkan pada Gambar 3f , cat berwarna komersial dan versi low-e kami memiliki koordinat kromatisitas yang sama dalam diagram kromatisitas berdasarkan ruang warna CIE 1931, yang menunjukkan bahwa penambahan lapisan n-PBDF tidak secara signifikan mengubah warna yang terlihat dari cat lapisan dasar. Selain itu, cat komersial lebih dekat ke tepi diagram, mewakili warna yang lebih jenuh daripada cat low-e. [ 45 ] Pada panjang gelombang MIR, spektrum reflektansi cat low-e menunjukkan tren yang mirip dengan lapisan n-PBDF saja (Gambar 3g ). Mengambil warna biru sebagai contoh, reflektansi MIR cat biru komersial hanya 0,10, sedangkan cat biru low-e setinggi 0,80, yang merupakan peningkatan delapan kali lipat (Gambar S7 , Informasi Pendukung).

2.4 Respon Termal Teoritis Cat Low-E di Iklim Panas dan Dingin
Proses perpindahan panas antara bangunan dan lingkungan sekitarnya, termasuk objek di sekitarnya dan tanah, diilustrasikan dalam Gambar 4a , yang menyoroti keuntungan cat low-e dalam menstabilkan suhu bangunan dibandingkan dengan cat komersial dalam berbagai kondisi iklim. Pertama, dinding bangunan dapat menghilangkan energi termal ke luar angkasa melalui radiasi termal spontan ( P rad ). Selain itu, dinding bangunan dapat secara langsung menyebarkan radiasi termal ke luar angkasa ( P rad ). Persamaan kesetimbangan termal untuk mengakses suhu permukaan bangunan yang menghadap objek tetangga dan tanah di bawahnya dijelaskan sebagai P rad ( T dinding ) − P sun − P a − P n − P g +   P conv = 0. Suhu dinding yang dihitung untuk bangunan yang dilapisi cat low-e dan cat komersial yang menghadap objek tetangga di iklim panas dan dingin diilustrasikan dalam Gambar 4b,c , masing-masing. Emisivitas permukaan objek tetangga ditetapkan ke 0,9, yang merupakan selubung bangunan paling umum untuk batu bata, beton, dan cat. Jarak 25 m antara kedua item ini dipilih untuk mensimulasikan tata letak bangunan perkotaan. Kedua bangunan memiliki ketinggian yang sama yaitu 50 m dan sejajar dengan bangunan 15 lantai. Tanah di antara keduanya memiliki emisivitas 0,9, dengan asumsi bahan konstruksi aspal. [ 46 ] Rincian lebih lanjut tentang perhitungan dapat ditemukan di Catatan S3 dan Gambar S8 , Informasi Pendukung.

Gambar 4
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Demonstrasi pengaturan termal untuk cat low-e di lingkungan panas dan dingin buatan. a) Skema yang mengilustrasikan proses pertukaran panas antara dua dinding bangunan. b,c) Suhu permukaan dinding yang dihitung dilapisi dengan cat hitam low-e dan cat hitam komersial sebagai fungsi dari suhu permukaan bangunan di sekitarnya b) di musim panas dan c) di musim dingin. Sisipan menampilkan tata letak dinding dan tanah yang disederhanakan. d) Pengaturan eksperimen respons suhu untuk cat low-e dan cat hitam komersial yang menghadap pelat panas. e,f) Suhu terukur cat hitam low-e dengan ketebalan lapisan n-PBDF yang berbeda dibandingkan dengan cat hitam komersial saat e) suhu pelat panas meningkat dari 40 menjadi 70 °C dan f) jarak antara sampel dan pelat panas berubah dari 20 menjadi 5 cm. g) Pengaturan eksperimen saat sampel cat menghadapi pelat dingin. h,i) Suhu terukur saat h) suhu pelat dingin berubah dari 15 menjadi 0 °C dan i) jarak antara sampel dan pelat dingin berubah dari 15 menjadi 5 cm. j) Skema respon temperatur di lingkungan panas (kiri) dan dingin (kanan). k,l) Respon temperatur transien cat hitam komersial dan cat hitam e rendah setelah dipindahkan ke lingkungan k) panas dan l) dingin.
Dinding yang dilapisi cat low-e dapat menstabilkan suhunya baik di iklim panas maupun dingin. Gambar 4b menunjukkan bahwa di iklim panas dengan suhu sekitar 30 °C dan suhu permukaan jalan 60 °C, dinding berlapis cat low-e (dinding low-e) menunjukkan respons datar terhadap fluktuasi signifikan pada suhu objek di sekitarnya dibandingkan dengan dinding berlapis cat komersial (dinding komersial). Karakteristik ini mencegah variasi suhu yang besar pada dinding bangunan dari pengaturan suhu dalam ruangan dan peningkatan kenyamanan termal. Secara khusus, ketika suhu objek di sekitarnya melebihi 57 °C, dinding low-e menunjukkan suhu permukaan yang lebih rendah, mengungguli dinding komersial. Hasil ini muncul karena ketika objek di sekitarnya memiliki suhu permukaan yang relatif lebih rendah (di bawah 57 °C), penyerapan radiasi dari lingkungan sekitar oleh dinding terbatas dibandingkan dengan emisi termal dari dinding ke luar angkasa; oleh karena itu, baik dinding komersial maupun dinding low-e menunjukkan suhu permukaan di bawah suhu sekitar. Dalam keadaan seperti itu, karena emisivitas tinggi dari dinding komersial di MIR, ia menunjukkan kinerja pendinginan yang unggul dengan menghilangkan lebih banyak energi termal dan menyediakan suhu permukaan yang lebih rendah daripada dinding low-e. Namun, ketika objek di sekitarnya melebihi 57 °C, dinding komersial menyerap sejumlah besar radiasi termal yang masuk, dengan demikian mengimbangi dan bahkan melampaui panas yang hilang ke luar angkasa. Sebaliknya, dinding low-e secara efektif menolak energi termal yang masuk ini dan membantu mempertahankan suhu yang stabil (Gambar S9 , Informasi Pendukung). Secara paralel, kinerja pengaturan suhu dinding di iklim dingin ditunjukkan pada Gambar 4c . Suhu sekitar dan permukaan jalan keduanya ditetapkan pada 5 °C. Terlepas dari berbagai suhu objek di sekitarnya, mulai dari −35 hingga 25 °C, dinding low-e secara konsisten mempertahankan suhu yang lebih tinggi daripada dinding komersial. Hal ini karena, bahkan di daerah beriklim dingin, dinding komersial dengan emisivitas permukaan yang tinggi menghilangkan energi panas ke ruang luar dan lingkungan sekitar yang dingin, sehingga meningkatkan beban pemanasan pada bangunan (Gambar S10 , Informasi Pendukung).

2.5 Kinerja Termal Dalam Ruangan Cat Low-E dan Cat Komersial
Respons suhu cat low-e dan cat komersial dalam kondisi panas dan dingin yang terkendali secara ekstensif menyoroti kemampuan cat low-e dalam mengurangi fluktuasi suhu dibandingkan dengan cat komersial (Gambar 4d–i ). Gambar 4e menampilkan respons suhu per jam berkelanjutan dari cat hitam low-e dengan ketebalan lapisan n-PBDF 143, 194, dan 231 nm pada cat hitam komersial dan cat hitam komersial murni dengan ukuran 35 × 35 mm. Semua sampel menunjukkan peningkatan suhu, dengan cat komersial menunjukkan peningkatan suhu tertinggi dari ≈32,5 hingga ≈49,4 °C, sementara semua sampel dengan cat low-e menunjukkan peningkatan suhu yang lebih rendah. Cat low-e dengan lapisan pelapis n-PBDF setebal 231 nm (yaitu, sampel kami dengan reflektansi termal tertinggi) menunjukkan peningkatan suhu terendah, yang selanjutnya menunjukkan efisiensi cat low-e kami dalam menekan penyerapan energi termal dari lingkungan sekitar (Gambar S11 , Informasi Pendukung). Respons suhu sampel saat pelat pemanas dipasang pada 60 °C dan jaraknya divariasikan dari 20, 15, 10, hingga 5 cm ditunjukkan pada Gambar 4f . Profil suhu semua sampel menunjukkan peningkatan saat jarak pemanasan menurun. Ini menunjukkan bahwa efek penolakan panas dari cat low-e menjadi lebih jelas saat mendekati sumber pemanas. Seperti yang diharapkan, cat komersial secara konsisten melampaui sampel low-e selama pengujian. Kami juga mencatat variasi suhu untuk mempelajari kinerja termal dalam ruangan cat saat menghadapi sumber pendingin. Gambar 4h mengungkapkan bahwa ketika suhu sumber pendingin menurun sementara jarak pendinginan antara sampel dan pelat pendingin ditetapkan pada 10 cm, suhu semua sampel menurun secara progresif. Karena emisivitas termal cat komersial yang tinggi, ia mengalami penurunan suhu terbesar. Cat low-e dengan peningkatan ketebalan lapisan n-PBDF menunjukkan penurunan suhu yang lebih kecil, yang menunjukkan bahwa cat low-e dapat secara efektif mempertahankan suhu ketika berhadapan dengan objek yang lebih dingin (Gambar S12 , Informasi Pendukung). Pada Gambar 4i , profil suhu semua sampel dicatat, dimulai dengan jarak 5 cm dan suhu pendinginan tetap 0 °C. Suhu permukaan semua sampel meningkat saat jarak pendinginan meningkat menjadi 10 cm dan selanjutnya menjadi 15 cm. Karena lebih banyak energi termal yang hilang dari cat komersial, mereka selalu menampilkan suhu yang jauh lebih rendah daripada cat low-e pada semua jarak pendinginan. Di antara cat low-e, cat dengan lapisan pelapis paling tebal dengan emisivitas termal lebih rendah menunjukkan efek pengaturan suhu terbaik, dengan penurunan suhu minimal saat berhadapan dengan sumber pendingin.

Untuk mempelajari lebih lanjut kinerja termal transien cat, kotak lingkungan didirikan untuk mensimulasikan suhu sekitar 65 dan 5 °C, masing-masing (Gambar 4j ). Respons suhu cat komersial dan cat low-e dengan ketebalan lapisan n-PBDF masing-masing 143 dan 213 nm, pada slide kaca dipantau. Semua sampel pertama-tama distabilkan pada suhu kamar setelah perekaman suhu selama 10 menit dan kemudian dipindahkan ke kotak lingkungan untuk perekaman suhu berkelanjutan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4k,l , setelah cat ini terkena kotak lingkungan panas atau dingin, cat komersial menunjukkan respons yang lebih cepat baik untuk meningkatkan atau menurunkan suhu. Cat low-e mengalami perubahan suhu yang lebih lambat sebelum akhirnya mencapai keseimbangan termal dengan lingkungan karena pertukaran termal yang kecil dengan lingkungan sekitarnya.

2.6 Stabilisasi Termal dan Kinerja Hemat Energi dari Cat Low-E
Untuk menyelidiki kinerja pemeliharaan termal cat low-e dalam aplikasi praktis, uji lapangan dilakukan selama musim dingin di atap gedung tiga lantai di Universitas Purdue, West Lafayette, IN, AS. Pengaturan eksperimen ditunjukkan pada Gambar 5a . Dalam uji lapangan, dua model rumah yang secara struktural identik dibangun menggunakan lembaran kayu yang sama yang dicat dengan dinding hitam dan atap putih. Dinding satu rumah dilapisi dengan cat hitam komersial, yang disebut rumah komersial, dan dinding rumah lainnya dilapisi dengan cat hitam low-e, yang disebut rumah low-e. Nilai emisivitas termal untuk dinding rumah komersial dan dinding rumah low-e masing-masing adalah 0,95 dan 0,31. Untuk meminimalkan efek perpindahan panas dari atap dan bagian bawah rumah, yang memungkinkan kita untuk memaksimalkan kinerja termal dinding, atap dicat dengan cat BaSO4 ultra-putih dengan reflektansi surya 97%, [ 43 ] dan bagian bawah rumah disegel dengan busa isolasi. Termokopel ditempelkan pada permukaan bagian dalam dinding dan titik pusat ruang dalam untuk setiap rumah pada posisi yang identik untuk menangkap suhu dinding dan udara dalam. Dalam uji lapangan, dua rumah ditempatkan secara paralel pada busa insulasi termal yang dibungkus dengan aluminium foil, dengan dinding yang menahan termokopel pada sisi dalam menghadap ke timur. Selain itu, kaca depan dengan film transparan MIR digunakan untuk mendapatkan lingkungan yang terkendali dan konsisten dengan koefisien konveksi yang sama selama pengukuran (Catatan S4 , Informasi Pendukung). Gambar 5b menunjukkan hasil pengujian selama dua hari berturut-turut dari 13 Desember hingga 14 Desember 2023, dengan suhu sekitar siang hari tertinggi 12 °C dan suhu sekitar malam hari terendah ≈3 °C. Selama dua hari cerah ini, perubahan suhu dinding dan udara di dalam rumah secara umum mengikuti tren suhu sekitar, tetapi di bawah pengaruh iradiasi matahari. Telah diamati bahwa suhu rata-rata untuk dinding yang dilapisi cat low-e (dinding low-e) melebihi suhu dinding yang dilapisi cat komersial (dinding komersial) sebesar ≈9,1 °C dari pukul 11:00 hingga 14:00 pada tanggal 13 Desember (Gambar S13c) ., Informasi Pendukung). Sementara itu, suhu udara rata-rata di dalam rumah low-e tercatat 4,3 °C lebih tinggi daripada di dalam rumah komersial selama interval waktu yang sama. Perbedaan dalam kinerja termal ini menyoroti keuntungan regulasi fototermal dari cat low-e kami. Sementara energi matahari yang diserap oleh cat low-e sebanding dengan cat hitam komersial, kehilangan radiasi termal jauh lebih rendah untuk cat low-e. Analisis kuantitatif dari spektrum reflektansi dan emitansi cat hitam low-e dan cat hitam komersial di bawah intensitas matahari 500 W m −2 hanya mengungkapkan perbedaan kecil dalam penyerapan cahaya tampak (3,44 W m −2 ) dan penyerapan NIR (29,4 W m −2 ). Namun, kehilangan radiasi termal untuk cat low-e berkurang sebesar 465,3 W m −2 untuk objek pada suhu 50 °C (suhu dinding rata-rata untuk kedua cat ini antara pukul 11:00 dan 13:00). Kinerja termal cat low-e khususnya terbukti di daerah beriklim dingin. Pada tanggal 21 Januari 2024, hari yang ditandai dengan intensitas matahari tinggi, suhu sekitar siang hari maksimum −5 °C, dan suhu sekitar malam hari minimum −18 °C, suhu dinding rata-rata rumah low-e antara pukul 11:00–12:00 siang adalah 7,0 °C lebih tinggi daripada rumah yang dilapisi cat hitam komersial (Gambar 5c ). Lebih jauh lagi, suhu udara interior rata-rata rumah low-e adalah 6,1 °C lebih hangat daripada rumah komersial (Gambar S13d , Informasi Pendukung). Pada malam hari, tanpa masukan panas eksternal, baik rumah low-e maupun komersial menghilangkan sejumlah besar energi termal ke lingkungan, dengan suhu interior turun di bawah suhu sekitar. Yang lebih penting, rumah low-e membatasi kehilangan panas radiatif dari rumah ke lingkungan dingin, mempertahankan energi termal yang lebih tinggi di dalam bangunan. Oleh karena itu, bahkan pada malam hari, suhu ekuilibrium rumah low-e tetap relatif tinggi (Gambar 5c , sisipan). Setelah pukul 2:00 dini hari, saat cuaca menjadi berawan, disipasi termal melalui perpindahan panas radiatif ke luar angkasa ditekan. Dalam kondisi ini, pertukaran panas antara rumah dan lingkungan terutama diatur oleh konveksi dan konduksi. Oleh karena itu, suhu rumah low-e dan rumah komersial secara bertahap menyatu dan akhirnya mencapai ekuilibrium dengan suhu sekitar.

Gambar 5
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Uji lapangan dan estimasi penghematan energi. a) Foto yang menunjukkan pengaturan eksperimen untuk kapasitas pengaturan termal. b,c) Suhu dinding dan udara dalam ruangan selama uji lapangan 2 hari. Sisipan menunjukkan suhu yang diukur setelah matahari terbenam. d) Peta simulasi penghematan energi HVAC untuk gedung apartemen bertingkat menengah di seluruh Amerika Serikat dengan cat rendah-e. e) Estimasi penghematan energi pemanas tahunan untuk gedung apartemen bertingkat menengah di 16 kota representatif.
2.7 Potensi Penghematan Energi untuk Aplikasi Selubung Bangunan
Perangkat lunak simulasi energi bangunan, EnergyPlus, diterapkan untuk mengevaluasi kinerja penghematan energi HVAC dengan melapisi cat low-e pada dinding bangunan referensi dari apartemen menengah pasca-1980 (Lihat Bagian Eksperimental; Gambar S14 dan S15 , Informasi Pendukung untuk detail lebih lanjut). Total penghematan energi tahunan dari sistem HVAC di 16 kota representatif di Amerika Serikat yang mencakup berbagai zona iklim ditunjukkan pada Gambar 5d . Cat low-e kami menghemat energi di sebagian besar zona iklim. Wilayah utara, yang dicirikan oleh periode panjang iklim dingin dan kering, menampilkan penghematan energi yang paling substansial. Hal ini dapat dikaitkan dengan permintaan pemanasan yang mendominasi permintaan pendinginan di wilayah ini, dan cat low-e kami dapat mengurangi kehilangan panas dari dinding bangunan (Gambar 5e ). Misalnya, di Fairbanks, Alaska, diperkirakan bahwa cat low-e kami dapat menghasilkan penghematan energi HVAC tahunan sebesar 26,4 GJ. Selain itu, di daerah beriklim sedang dan lembap, seperti Seattle, cat low-e kami masih mempertahankan penghematan energi sebesar 30 GJ per tahun. Di sisi lain, di beberapa zona iklim dengan kelembapan dan suhu tinggi, seperti Miami dan Phoenix, diperlukan pendingin udara dan sirkulasi udara yang substansial, dan cat low-e kami tidak menunjukkan penghematan energi yang diharapkan. Hal ini dapat dikaitkan dengan kendala perangkat lunak EnergyPlus dalam memperhitungkan peningkatan suhu tanah dan radiasi inframerah menengah yang terkait dengannya, serta kurangnya pemodelan bahan insulasi untuk bangunan di Amerika Serikat bagian selatan di EnergyPlus. Selama musim panas, radiasi matahari meningkatkan suhu tanah, yang menyebabkan radiasi inframerah menengah substansial yang berkontribusi pada beban termal pada dinding bangunan. Namun, keuntungan regulasi termal cat low-e dalam mengurangi emisi termal tanah tidak tertangkap dalam penghematan energi akhir.

3 Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, studi ini menunjukkan cat low-e berwarna yang inovatif, dapat diskalakan, dan tahan lama yang memiliki struktur dua lapis yang terdiri dari lapisan atas n-PBDF yang sangat tipis dan lapisan dasar cat komersial berwarna, yang menghasilkan pengaturan termal yang signifikan sekaligus mempertahankan tampilan estetika. Sebagai konduktor organik yang transparan, lapisan atas n-PBDF setebal 200 nm pada cat komersial menekan emisivitas dari 0,95 menjadi 0,19. Selain itu, ketebalan lapisan n-PBDF atas dapat disesuaikan untuk menyetel emisivitas termal cat yang dihasilkan, yang menunjukkan fleksibilitas yang signifikan dalam pengaturan termal dan desain cat low-e. Di musim dingin, dinding low-e 9,1 °C lebih hangat daripada dinding yang dilapisi cat hitam komersial (dinding hitam) pada siang hari. Cat low-e kami dapat secara efektif menolak radiasi termal dari bangunan tetangga dan lingkungan sekitar di iklim panas sekaligus mengurangi kehilangan radiasi termal di iklim dingin, memungkinkan pengaturan termal radiatif bangunan, meningkatkan kenyamanan termal, dan menghemat energi. Simulasi EnergyPlus memperkirakan bahwa cat low-e kami dapat menghasilkan penghematan energi tahunan yang signifikan di sebagian besar zona iklim AS untuk apartemen bertingkat menengah pada umumnya, seperti San Francisco (39 GJ, atau 10833 kWh), Chicago (20 GJ, atau 5556 kWh), dan Fairbanks (26,4 GJ, atau 7333 kWh). Selain itu, cat low-e kami kompatibel dengan teknik aplikasi umum, seperti penyemprotan dan penyikatan, dan dapat beradaptasi dengan berbagai geometri permukaan, memastikan integrasi yang mudah ke dalam praktik bangunan yang ada, sehingga menurunkan biaya pemasangan dan memfasilitasi adopsi yang meluas. Pendekatan ini menandai kemajuan signifikan dalam selubung bangunan hemat energi, meningkatkan stabilisasi termal tanpa mengorbankan estetika desain.

4 Bagian Eksperimen
Pembuatan Film Cat Low-e Berwarna-warni
Cat hitam onyx komersial yang disediakan oleh Tex-Cote LLC dan cat hijau, biru, kuning, dan merah dari Rust–Oleum diaplikasikan pada substrat kaca (5,0 × 7,5 cm, Corning Inc. AS) menggunakan pelapis bilah buatan sendiri, diikuti dengan pengeringan pada kondisi ruangan selama 4 jam untuk membentuk film yang dicat warna. Polimer konduktif tipe-n, n-PBDF, disintesis dalam pelarut DMSO melalui sintesis satu pot, seperti yang dijelaskan sebelumnya. [ 40 ] Untuk menyiapkan larutan tinta n-PBDF rendah-e, n-PBDF yang didialisis (batas berat molekul <10 K, tabung dialisis membran selulosa, Fisher Scientific) secara bertahap ditambahkan ke etanol anhidrat yang diaduk (200 proof, 100% tidak terdenaturasi, Fisher Scientific) pada rasio 1:6 (v/v), memastikan dispersi yang homogen. Campuran diaduk perlahan pada suhu ruangan selama 2 jam, menjaga stabilitas dispersi selama lebih dari dua minggu. Film n-PBDF low-e yang seragam dibuat menggunakan sistem pelapisan semprot ultrasonik (ExactaCoat, Sono-Tek Inc.), yang menghasilkan ketebalan melebihi 100 nm. Nosel semprot ultrasonik 120 kHz (Impact, Sono-Tek) dioperasikan pada laju aliran cairan 0,5 mL min −1 dan jarak nosel ke substrat 50 mm, mengikuti pola berbentuk busur dengan siklus berulang otomatis. Untuk memastikan pemodelan struktural yang andal dan reproduktifitas eksperimental yang tinggi, presisi ketebalan film (kurang dari ±3% deviasi standar) dievaluasi menggunakan profiler permukaan (DektakXT, Bruker) dengan mengukur setidaknya lima titik di berbagai kelompok substrat kaca dalam kondisi pelapisan yang identik.

Karakterisasi
Untuk karakterisasi optik larutan tinta n-PBDF yang disiapkan melalui metode pengenceran seri pada berbagai konsentrasi (10-, 20-, 50-, dan 100 kali lipat), 3 mL setiap larutan digunakan dalam sel cairan kuarsa yang dibersihkan (panjang lintasan cahaya: 1 cm). Spektrum serapan UV-vis-NIR direkam menggunakan Spektrometer UV–vis Agilent Cary 5000. Spektrum absorbansi FT-IR diukur menggunakan spektrometer FT-IR Nicolet 6700 (Thermo Nicolet Corp.) yang dilengkapi dengan aksesori Attenuated Total Reflectance (ATR) Smart iTR, yang memanfaatkan kristal berlian pantulan tunggal, pada rentang bilangan gelombang 4000 hingga 800 cm −1 , dengan resolusi spektral 4 cm −1 dan rata-rata 64 pemindaian. Koreksi garis dasar dan normalisasi puncak maksimum dilakukan tanpa penghalusan tambahan menggunakan perangkat lunak OMNIC (v.8.3, Thermo Nicolet Corp.).

Untuk karakterisasi optik cat low-e yang disiapkan dengan cat komersial berwarna sebagai lapisan dasar, cat dicat pada slide kaca sebagai substrat. Total transmitansi hemisferik dan spektrum reflektansi dari 0,3 hingga 2,5 µm diukur dengan spektrometer ultraviolet-tampak-inframerah-dekat (UV-vis-NIR) dengan bola terintegrasi dan standar reflektansi difus Spectralon yang tersertifikasi (Lambda 950, Perkin Elmer, Inc., AS). Spektrometer FTIR Nicolet iS50 dengan bola terintegrasi PIKE Technologies digunakan untuk mengukur total transmitansi hemisferik dan reflektansi antara 2,5 dan 20 µm. Hukum Kirchhoff dan prinsip kesetimbangan termal digunakan untuk memperoleh spektrum emitansi ( ɛ ) berdasarkan spektrum reflektansi ( r ) dan transmitansi ( t ) yang diukur, di mana ɛ = 1 − r − t . Gambar SEM diambil dengan Hitachi S-4800 Field Emission SEM.

Pengukuran Termal
Semua gambar termal IR direkam menggunakan kamera termal (FLIR E8xt). Untuk gambar termal IR dari low-e hitam “P” dan latar belakang cat hitam komersial pada Gambar 1f , semua cat dilapisi pada pelat aluminium yang berfungsi sebagai substrat. Pelat tersebut dipasang pada dinding bata vertikal yang menghadap ke barat daya. Gambar termal IR diambil menggunakan kamera termal setelah 30 menit paparan sinar matahari alami. Untuk gambar termal IR dari cat hitam low-e dengan ketebalan lapisan n-PBDF yang berbeda yang ditunjukkan pada Gambar 3b , semua cat diaplikasikan pada slide kaca setebal 1 mm dalam dimensi 3 × 3 cm, berfungsi sebagai substrat. Sampel-sampel ini ditempatkan pada pelat panas yang ditutupi dengan pelat logam hitam, yang memiliki emisivitas permukaan 0,94. Suhu pelat panas diatur ke 60 °C. Setelah suhu stabil, gambar termal IR ditangkap menggunakan kamera termal pada suhu kamar. Untuk uji demonstrasi pengaturan termal dalam ruangan yang ditunjukkan pada Gambar 4 , semua suhu sampel diukur dengan termokopel tipe T. Untuk uji lapangan luar ruangan yang ditunjukkan pada Gambar 5a–c , suhu dinding rumah dan udara dalam ruangan diukur dengan termokopel tipe K.

Karakterisasi Respon Suhu Uji Dalam Ruangan
Untuk pengujian dalam ruangan guna memeriksa respons suhu cat hitam low-e dan cat hitam komersial yang menghadapi pelat panas dan pelat dingin, tiga sampel cat hitam low-e berbeda dengan ketebalan lapisan n-PBDF masing-masing 143, 194, dan 231 nm disiapkan, dan cat hitam komersial digunakan sebagai kelompok kontrol. Semua cat dilapisi pada slide kaca dengan dimensi 35 × 35 × 1 mm sebagai substrat. Termokopel tipe-T digunakan untuk mengukur suhu sampel secara real-time, ditempelkan di bagian belakang setiap slide kaca, dan diamankan ke busa polistirena ekspansi yang diselimuti oleh foil yang sangat reflektif, yang berfungsi sebagai latar belakang adiabatik untuk sampel. Selain itu, untuk meminimalkan pengaruh aliran udara sekitar pada suhu sampel, film polietilena (PE) transparan MIR diaplikasikan di atas area atas sampel, yang memungkinkan konsentrasi tertentu pada perpindahan panas radiatif. Pelat yang dapat diatur suhunya ditempatkan di bawah sampel dan ditutup dengan pelat logam hitam dengan emisivitas permukaan 0,94. Untuk uji respons suhu saat sampel menghadapi sumber pemanas, seperti dibahas dalam Gambar 4d–f , pelat panas berfungsi sebagai sumber pemanas dengan suhu yang dapat diatur dari 40, 50, 60, hingga 70 °C, dan jarak pemanasan antara pelat logam hitam dan sampel dapat diubah dari 20, 15, 10, hingga 5 cm. Untuk uji respons suhu saat sampel menghadapi sumber pendingin, seperti dibahas dalam Gambar 4g–i , pelat yang dikontrol pendingin termoelektrik berfungsi sebagai sumber pendingin dengan suhu yang dapat diatur dari 15, 10, 5, hingga 0 °C, dan jarak pendinginan antara pelat logam hitam dan sampel dapat diubah dari 5, 10, hingga 15 cm.

Perhitungan Penghematan Energi Bangunan
EnergyPlus digunakan untuk memperkirakan konsumsi energi HVAC sepanjang tahun. Dengan menggunakan model bangunan referensi dari apartemen menengah pasca-1980, seperti yang ditetapkan oleh Departemen Energi AS, studi tersebut menggabungkan cat low-e setebal 500 µm pada permukaan luar dinding (Tabel S1 , Informasi Pendukung). Untuk meminimalkan variasi dalam penilaian konsumsi energi yang disebabkan oleh tampilan warna yang berbeda dari dinding bangunan, sifat optik dalam spektrum surya dipertahankan agar selaras dengan tampilan model bangunan referensi asli. Studi ini secara khusus difokuskan pada sifat optik dalam rentang panjang gelombang MIR melalui penerapan cat low-e. Dalam simulasi, emisivitas termal MIR dari dinding yang dilapisi dengan cat low-e ditetapkan sebesar 0,2, sedangkan nilai default untuk dinding bangunan referensi adalah 0,9. Untuk mempertimbangkan dampak sifat termal dan optik dari objek di sekitarnya pada bangunan yang dipelajari, dalam model simulasi, bangunan yang dipelajari ditempatkan di tengah empat apartemen identik yang mengelilinginya pada jarak 15 m. Untuk memastikan evaluasi yang komprehensif, enam belas kota representatif di berbagai zona iklim di AS dicakup, termasuk Miami, Houston, Phoenix, Atlanta, Los Angeles, Las Vegas, San Francisco, Baltimore, Albuquerque, Seattle, Chicago, Boulder, Minneapolis, Helena, Duluth, dan Fairbanks. Untuk setiap lokasi, data cuaca per jam untuk tahun meteorologi yang umum (TMY3) digunakan sebagai dasar untuk kondisi cuaca eksternal, yang menggabungkan variabel seperti suhu, kelembaban relatif, kecepatan angin, dan radiasi matahari. Sistem HVAC mencakup pemanas (untuk jalan yang menggunakan listrik dan gas alam), pendingin, dan kipas angin, dan konsumsi energi HVAC dihitung untuk bangunan murni dengan dinding bangunan konvensional dan yang dilapisi cat low-e.