智能節能窗戶重大突破登上Sci. Adv.

一、【導讀】

由于龐大的建筑規模，我國建筑碳排放量約占全國總碳排放量的一半。建筑的節能減排，對實現全社會的碳中和目標至關重要。窗戶作為建筑的主要采光構件，且其又是建筑外圍結構中，保溫隔熱的最薄弱構件，窗戶的節能性能對建筑的能源消耗有著重大影響。理想的節能窗戶應能在炎熱環境下，阻擋室外熱量的進入，并促進室內熱量的排出；在寒冷環境下，提高室外熱量的導入，減少室內熱量的散失。這種智能調控，在不改變窗戶結構的情況下，可通過熱致變色材料，根據溫度變化，自主調節窗戶的太陽輻射透過率和遠紅外熱輻射反射率，實現熱流的方向控制，從而達到零能耗節能的效果。然而，現有的熱致變色玻璃，僅能實現太陽輻射波段的光譜調控，遠紅外熱輻射波段的光譜調控十分有限。而這種限制，源自現有材料的性能制約，長時間內都未實現大幅度突破。本文展示了一種全新的調節機理，通過創新的微納結構設計，繞過材料限制，實現了太陽輻射和熱輻射的同步調控，且調控幅度均超過55%的重大突破。

二、【成果掠影】

近日，香港科技大學黃寶陵教授、姚舒懷教授和香港城市大學李威宏教授（共同通訊）聯合在國際著名期刊Science?Advances上發表文章，題為“All-weather thermochromic windows for synchronous solar?and thermal radiation regulation”。第一作者為香港科技大學博士后研究員林崇佳，共同一作為碩士生Jun?Hur。研究團隊首次利用水凝膠（pNIPAm）的熱致水捕獲和釋放特性，利用水分子作為遠紅外熱輻射調節劑，水凝膠為太陽輻射調控材料，并結合銀納米線的熱反射性能，獲得了擁有58.4%太陽輻射調控和57.1%遠紅外熱輻射調控能力的熱致變色智能窗（STR窗戶）。此STR窗戶在寒冷環境下，可透過大量的太陽光能，提高室內溫度，同時反射大部分室內熱輻射，防止熱能外泄，達到突出的取暖保暖效果；在炎熱環境下，可反射大部分太陽光能，降低室內的熱荷載，同時吸收室內的熱輻射并發射至室外，促進室內散熱，達到優異的降溫效果。室溫測試和模擬計算均表明，此新型智能窗戶相比于現有的節能窗戶，其超寬光譜的自動調節能力，使其擁有更強的氣候適用性，可于不同地區均實現顯著的節能效益。

三、【核心創新點】

1. 創造性地設計了以水分子為遠紅外輻射調節劑的熱致變色結構，突破了遠紅外熱輻射調節難以和太陽輻射調節共存的限制，制作出光譜調控范圍廣且幅度大的被動式智能窗戶，為新一代智能節能窗戶的發展提供了思路；
2. 本文設計的智能窗戶，亦突破了一種節能窗戶通常只適用于特定氣候地區的限制，其不管在寒冷或炎熱地區，在白天或晚上，均展現出優異的室內溫度調節能力，具有突出的全氣候適應性。

四、【數據概覽】

圖1、STR窗戶的熱致變色性能

圖2、STR窗戶的制作流程和工作機理

圖3、STR窗戶的光學和熱學性能

圖4、不同節能窗戶的室內熱管理對比測試

圖5、STR窗戶的穩定性和節能效率

參考文獻：Lin, C., Hur, J., Chao, C. Y., Liu, G., Yao, S., Li, W., & Huang, B. (2022). All-weather thermochromic windows for synchronous solar and thermal radiation regulation.?Science Advances,?8(17), eabn7359.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn7359

本文由作者供稿。