科學(xué)家研發(fā)智能節(jié)能窗新材料，讓建筑更智能，更節(jié)能！

出品：科普中國

作者：石霧遙（生物學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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隨著全球氣候變暖越來越明顯，節(jié)能減排變得越來越重要。而在節(jié)能減排中，窗戶其實(shí)也扮演了一個關(guān)鍵角色：夏天烈日產(chǎn)生的強(qiáng)太陽能輻射會透過窗玻璃使室內(nèi)的溫度升高，冬季室內(nèi)的熱量可以通過窗玻璃釋放到外界。通過窗損失的能量可以達(dá)到整個建筑物能耗的一半。因此很多科學(xué)家將目光放在了窗戶之上。

窗戶是現(xiàn)代建筑物的重要組成部分

（圖片來源：veer圖庫）

2024年5月14日，我國科學(xué)家在《自然·可持續(xù)性》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于研制智能節(jié)能窗的文章，宣布研制出可以有效降低建筑能耗的電致變色窗。

研究成果發(fā)表于《自然可持續(xù)性》雜志

（圖片來源：《自然可持續(xù)性》雜志）

智能窗的原理

根據(jù)電磁輻射譜的不同，太陽光可以分為可見光、紫外光、紅外光等多種波長范圍的輻射。在日常生活中，可見光是人眼可以感知的部分，可用于室內(nèi)的照明。太陽輻射中接近一半的能量位于紅外線范圍內(nèi)，紅外光部分可用于加熱物體。

太陽光頻譜，其中紅外光處于微波和可見光頻率之間

（圖片來源：Wikipedia）

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們開發(fā)出了一種能夠有效降低建筑能耗的電致變色窗。這種窗戶可以根據(jù)室內(nèi)外溫度或太陽輻射等環(huán)境變化，自動調(diào)節(jié)對可見光、近紅外光和中紅外光的傳輸和反射特性——換句話說，窗戶能智能調(diào)整自身的透光性和反射率，從而控制進(jìn)入室內(nèi)的光線和熱量，最終提高建筑的能源效率。

為了避免室內(nèi)外環(huán)境之間的熱交換，研究者將窗設(shè)計(jì)成室內(nèi)側(cè)為具有低輻射率ITO/聚乙烯（PE）基板，此材料能反射大部分外部熱輻射，減少其對室內(nèi)環(huán)境的影響。同時，室外側(cè)為具有高輻射率石英基板，此材料能夠高效地發(fā)射和吸收輻射，因此可以有效的將室內(nèi)的熱輻射發(fā)射到外部環(huán)境中，從而無需借助空調(diào)等外界設(shè)備降低室內(nèi)的溫度。

同時，窗內(nèi)部含有鋰離子（Li?）和氧化釩/氧化鎢（VO2/WO3）材料。氧化釩和氧化鎢作為過渡金屬氧化物，它們能夠在電場的作用下發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)。通過施加不同的外加電壓，Li?能夠分別擴(kuò)散至VO?和WO?層，并結(jié)合形成不同的化學(xué)物質(zhì)。

進(jìn)入VO?層的Li?可以經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)形成四方相LixVO2，它具有金屬相的特性，折射率快速升高，導(dǎo)致近紅外光透過率的劇烈變化。而Li?進(jìn)入WO?層形成的LiyWO3由于鎢離子的還原表現(xiàn)出對可見光和紅外部分的吸收，導(dǎo)致透過率快速下降。因此，這兩種材料的結(jié)合使用，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、多樣化的顏色變化效果。

智能窗設(shè)計(jì)原理圖（a.智能窗設(shè)計(jì)概念；b.裝置原理圖；c. 加熱后檢測樣品表面溫度實(shí)驗(yàn)圖；d. 加熱后不同材料表面溫度實(shí)驗(yàn)圖；e.器件在明亮加熱、明亮冷卻和黑暗狀態(tài)下的透射光譜和內(nèi)外面的中紅外發(fā)射率）

（圖片來源：《自然可持續(xù)性》雜志）

在寒冷的冬天里，外界的低溫會激活材料的亮加熱狀態(tài)——窗戶在這種狀態(tài)下會變得更透明——以促進(jìn)近紅外和可見光的進(jìn)入。相反，在炎熱的夏天，則會啟動材料的亮冷和暗狀態(tài)，其中亮冷是指窗戶在這種狀態(tài)下也保持透明，但主要作用是允許可見光進(jìn)入，同時減少近紅外光（熱量）的進(jìn)入；而暗狀態(tài)則是指窗戶在這種狀態(tài)下會變得不透明或半透明，以減少可見光和近紅外光的進(jìn)入。

因此，這種窗戶可以在供暖和制冷方面節(jié)省大量能源，使其成為全球各種氣候條件下窗戶的可持續(xù)選擇。研究者利用研制的新型智能窗在戶外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的窗相比，新型電致變色結(jié)構(gòu)的窗戶可實(shí)現(xiàn)全天持續(xù)冷卻，最高溫度降幅可達(dá)14℃。

戶外節(jié)能性能測試（a. 在中國三亞一所房子的陽臺上進(jìn)行的測量裝置；b.環(huán)境溫度和實(shí)時太陽輻照度；c.環(huán)境與實(shí)驗(yàn)窗之間的溫度差）

（圖片來源：《自然可持續(xù)性》雜志）

還有哪些利于節(jié)能減排的建筑材料?

進(jìn)入近現(xiàn)代以來，工程師們就在建筑物中廣泛使用各自保溫隔熱材料，用于建筑物的冬季保暖和夏季隔熱，它們其實(shí)也能降低能源消耗。這些材料包括礦物棉、巖棉、玻璃棉、泡沫塑料及多孔聚合物、膨脹珍珠巖及其制品、硅酸鈣絕熱制品和各種復(fù)合保溫隔熱材料等。

此外，工程師們這些年來還在使用各種新型材料，其中包括：

1.硅酸鹽復(fù)合絕熱砂漿

這是一種新型墻體保溫材料，以精選海泡石、硅酸鋁纖維為主原料，經(jīng)多種工藝深度復(fù)合而成。其顯著特點(diǎn)是保溫隔熱性能好，施工簡便（直接涂抹），且解決了板材拼接處罩面層開裂的問題。

2.水泥聚苯板

由聚苯乙烯泡沫塑料下腳料或廢聚苯乙烯泡沫塑料制成，加水泥、水、起泡劑和穩(wěn)泡劑等材料攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而成。具有質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、保溫隔熱性能好、有一定強(qiáng)度和韌性、耐水、難燃、施工方便、粘貼牢固、便于抹灰、價格較低等優(yōu)點(diǎn)。

磚墻

（圖片來源：veer圖庫）

3.“變色龍”建材

科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種可以自由變溫的智能化“變色龍”建材。這種材料內(nèi)部含有可以在固體液體兩種構(gòu)象間自由轉(zhuǎn)換的層，分別是可以保留紅外能量使溫度升高的固體銅和發(fā)射紅外線使溫度降低的電解質(zhì)水溶液。因此，外界溫度變化時，材料內(nèi)部便可發(fā)生化學(xué)變化，從而改變材料對于紅外熱輻射的發(fā)射率來實(shí)現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)，可以極大地節(jié)省取暖的能耗。

“變色龍”建材示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

隨著科技的進(jìn)步和人們環(huán)保意識的提高，節(jié)能減排建筑材料將迎來更廣闊的發(fā)展前景。我們期待更多創(chuàng)新材料和技術(shù)涌現(xiàn)，為建筑行業(yè)帶來更多可能性。同時，我們每個人也要積極的參與到這個行動中來，為節(jié)能減排做出自己的一份貢獻(xiàn)！

參考文獻(xiàn)：

1、Shao, Z., Huang, A., Cao, C. et al. Tri-band electrochromic smart window for energy savings in buildings. Nat Sustain (2024) DOI:10.1038/s41893-024-01349-z.

2、Chenxi Sui, Jiankun Pu, Ting-Hsuan Chen, et al. Dynamic electrochromism for all-season radiative thermoregulation. Nat Sustain，6, 428–437 (2023).

3、張國玉.新型建筑材料在建設(shè)工程中應(yīng)用以及發(fā)展趨勢[J].江西建材, 2015, 000(022):284-284.DOI:10.3969/j.issn.1006-2890.2015.22.257.

4、何云富,徐剛,朱俊,等.VO2熱色智能玻璃研究進(jìn)展[J].微納電子技術(shù), 2008, 45(7):6.DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2008.07.004.

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