本文來自微信公衆號：X-MOLNews“上善若水。水善利萬物而不爭”——老子《道德經》第八章全球的快速現代化導致了能源需求的增加。其中建築能源使用占了發達國家能源總消費量的40%，超過了工業和運輸領域的能源消耗。與建築的其他部分相比，透光通風的窗戶被認爲是最不節能的，大面積窗戶造成的能耗可占到建築能耗的60%左右。爲了提高建築物的能源效率，通過窗戶對建築物內外能量交換進行有效控制是節能的關鍵。傳統智能玻璃研究主要集中在玻璃的光學調節，長久以來，熱學性能在玻璃的研究中相對缺乏。新加坡南洋理工大學龍祎（Yi Long）博士團隊在2014年首次將水凝膠用于智能窗戶領域。不過，目前幾乎所有該領域的文獻報道都集中在膠體形式的材料，而且也只能進行光學調節。近期，通過將水凝膠衍生的水相液體捕獲在玻璃夾層中，龍祎博士團隊首次開發了高熱能存儲熱響應液體智能窗（HTEST智能窗）。HTEST智能窗可以自動響應熱量調節透光率，儲存熱量，並附加有電力高峰負荷轉移和隔音的功能，在冷熱環境測試中表現出了優異的節能性能。而且由于液體特性，其制作工藝簡單、均勻性好，無玻璃形貌限制，是智能窗戶發展的一項“think out of the box”的成果。該論文最近發表在Cell Press旗下的能源旗艦期刊Joule 上。圖1. （a）水與部分建築材料、商用高TES材料的比熱容對比。（b）HTEST智能窗戶的結構。（c）液體冷卻和加熱階段的微觀結構方案。（d）液體的填充過程。（e）在一天的不同時間進行1 m2大型窗戶測試的光學照片。其中，TRL液體在窗戶（0.5 m * 1 m）中填充了一半。圖片來源：JouleHTEST智能窗戶的開發利用了高太陽能調制和富含水的熱敏液體（TRL）固有的高熱能存儲（TES）能力，而這種水相液體是從普通水凝膠衍生而來。HTEST窗戶的設計是先將聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）微水凝膠顆粒分散在水中，加以穩定劑，然後填充于兩層玻璃之間（圖1b）。在低臨界溶解溫度（LCST）下，水分子位于PNIPAm大分子內，該分子具有很高的透明度，從而可以在低溫的冬季以高太陽能透過率加熱房間；一旦加熱到LCST以上，水分子就會從PNIPAm中釋放出來，水凝膠顆粒收縮引起光散射，透光率降低，窗戶變得不透明（圖1c、1e）。要強調的是，不同于用于生産常規水凝膠的原位合成技術，新開發的TRL通過將PNIPAm顆粒分散在水中並形成均相溶液來合成，而窗戶的制造也只需簡單地將這種可流動的水相液體倒入雙層玻璃中即可（圖1d）。高熱能存儲材料可以減少制冷/加熱負荷並將能量負荷轉移到低價時段，被廣泛用于牆壁、屋頂等建築結構中。爲確保性能穩定且令人滿意，熱能存儲材料必須具有良好的比熱容以確保能夠大量儲熱和相對較高的導熱率以提高儲熱效率。爲此，作者首先對不同厚度TRL樣品的光學和熱學性質進行了測試。根據厚度爲0.1 mm、1 mm和1 cm TRL樣品在20 °C和60 °C的透射光譜總結，可以看到，隨著厚度的增加，紅外和太陽光波長範圍的透射率調制能力都在增加。與之類似，當樣品厚度增加時，反射率調制能力也隨之增加。光學照片與光譜一致：在低溫下，所有樣品都是透明的，透光率不受厚度的影響。根據TRL相對于溫升的比熱容曲線和熱導率曲線顯示，TRL液體的比熱容（〜4.35 kJ kg-1 K-1）比去離子水（〜4.2 kJ kg-1 K-1）高。由于水的比熱容與大多數其他材料相比要高得多，因此TRL的高比熱容使得它能夠在相同的溫度變化量下，比傳統的建築材料和玻璃存儲更多的熱能。與此同時，TRL的高導熱性使窗戶的溫度分布更加均勻，可以爲窗戶提供更高的能量存儲效率（圖2）。圖2. （a）樣品分別在20 °C（實線）和60 °C（虛線）下的透射光譜。（b-c）TRL在20 °C（Tlum，20 °C）和60 °C（Rlum，60 °C）下的光學性能比較。（d）樣品在20 °C和60 °C下的光學照片。（e-g）TRL的比熱容曲線、FTIR光譜和熱導率曲線。圖片來源：Joule圖3. （a）HTEST智能窗在夏季早晚、夏季中午和冬季的工作原理。（b）HTEST智能窗室內熱測試設置方案。（c）在20 °C（冷狀態）和60 °C（熱狀態）下分別使用普通玻璃、1 mm液體、1 cm水和1 cm液體的Tsol。（d-e）窗戶內表面溫度（傳感器A的溫度讀數）和箱內空氣溫度（傳感器B的溫度讀數）。（f-g）新加坡和北京的戶外測試氣溫曲線。圖片來源：JouleHTEST智能窗戶的工作原理是在環境溫度較低不足以觸發HTEST窗戶中TRL相變時保持透明狀態，光線可透射到房間；而在環境溫度高于HTEST窗戶中TRL的相變點後，窗戶變爲半透明或不透明，光照熱量存儲在TRL中，阻止陽光進入和加熱房間（圖3a）。基于這樣的工作原理，HTEST智能窗戶能夠通過降低制冷能耗來減少建築物的暖通空調系統（HVAC）的能耗。爲了進一步探索TRL節能性能的太陽光調制和TES效應，作者對HTEST智能窗進行了室內熱測試和室外的高溫/寒冷環境測試。室內熱測試中設置四個樣品，即普通玻璃面板、1 cm水填充玻璃面板、1 mm和1 cm TRL填充玻璃面板，分別安裝到四個玻璃箱（20 * 20 * 30 cm）上以研究溫度變化，並分別記錄窗戶內表面的溫度（位置A）和箱內空氣溫度（位置B）。由于窗戶的內表面溫度主要受窗戶上積聚的熱量和通過窗戶傳遞的熱量的影響，而水和玻璃比熱容差異較大，通過太陽輻射積累的熱量更多地存儲在富含水的材料中，因此在較厚的（1 cm）樣品上檢測到了表面溫度大大降低。箱內空氣溫度（位置B）受窗戶的太陽能傳輸調制和熱能存儲能力的影響，結合了這兩項優勢的 1 cm TRL的最低空氣溫度爲32 °C，相比于1 cm水和1 mm TRL分別低了9°和11°C。在冷熱環境中對HTEST智能窗戶進行戶外測試，獲取了玻璃箱幾何中心空氣溫度。在新加坡的高溫環境下，中午時分普通玻璃窗、1 mm TRL和1 cm水的箱內空氣溫度分別爲84 °C、57 °C和55 °C，1 cm TRL填充的窗戶具有最低的箱內空氣溫度——50 °C；晚上零點時普通玻璃窗、1 mm TRL和1 cm水的箱內空氣溫度均爲27 °C，而1 cm TRL填充的HTEST窗戶箱內空氣溫度爲28 °C。在北京較爲寒冷環境下，相比于1 cm水（6 °C）、1 mm TRL（5 °C）和普通玻璃（5 ℃），1 cm TRL填充的HTEST窗戶的夜間空氣溫度爲6 °C，四種窗戶的玻璃箱內空氣溫度相似。圖4. （a）HTEST窗、雙層玻璃和普通玻璃的隔聲性能對比。（b）在上海、拉斯維加斯、利雅得和新加坡的氣候條件下，1 cm TRL 填充智能窗戶、1 mm TRL填充智能窗戶、low-E窗戶與普通玻璃窗戶的年度HVAC節能性能對比。（c-f）在上海、拉斯維加斯、利雅得和新加坡四種窗戶的每月HVAC能耗。圖片來源：Joule由于TRL的水含量非常高，HTEST智能窗戶有很大潛力用于建築物降噪。根據ISO 140-3對1 m2的樣品進行隔聲測試，結果顯示，在100到4000 Hz的頻率範圍內，HTEST窗戶的加權降聲指數（Rw = 39 dB）高于雙層玻璃窗和普通玻璃窗（分別爲34 dB和30 dB），表明HTEST窗具有比雙層玻璃窗和普通玻璃窗更好的隔音性能（圖4a）。爲了研究HTEST智能窗戶在實際房屋設計中的節能性能，作者采用實際尺寸建築模型進行了節能模擬。模擬中光學響應在所有條件下均保持不變，唯一的變量是窗戶和房屋之間的體積比。采用上海、拉斯維加斯、利雅得和新加坡的天氣數據進行仿真，以普通玻璃窗和低輻射（low-E）窗作爲對照，作者分析了不同TRL厚度（1 mm和1 cm）的HTEST智能窗的節能潛力。結果顯示，與在上海、拉斯維加斯、利雅得和新加坡的普通玻璃窗相比，含1 cm TRL液體的HTEST智能窗可以將HAVC年度能耗分別降低19.1％、24.3％、25.4％和44.6％。可見，HTEST智能窗能夠有效地節約實際建築物中的能耗。總結龍祎博士團隊通過將水凝膠衍生的熱敏液體注入雙層玻璃內部，開發了第一個智能液體窗戶面板，它可以自動響應熱量，同時儲存熱量，還附加有電力高峰負荷轉移和隔音的功能。室內外實際環境測試以及仿真模擬結果表明，這種HTEST智能窗戶具有令人鼓舞的節能性能。這一工作爲節能建築和溫室開辟了新的思路。https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30403-7Liquid Thermo-Responsive Smart Window Derived from HydrogelYang Zhou, Shancheng Wang, Jinqing Peng, Yutong Tan, Chuanchang Li, Freddy Yin Chiang Boey, Yi LongJoule, 2020, DOI: 10.1016/j.joule.2020.09.001研究團隊介紹龍祎（Long Yi）博士，畢業于英國劍橋大學，現任職于新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院，博導。研究領域主要是智能材料與器件、納米薄膜制備、節能塗料、功能納米材料以及柔性電極。她早期職業生涯爲世界領先的硬盤公司希捷科技成功地實現了從實驗室到工業的技術轉移，同時也是世界創新會議暨博覽會的創新獎獲得者，在能源、材料相關方向的頂尖期刊上發表多篇文章以及應邀綜述。該文一作是南洋理工的博士生 王善成 與 周洋。論文作者感謝湖南大學彭晉卿教授進行能源計算，長沙理工大學李傳常教授對于相變儲能的討論。新加坡國立大學Prof. Freddy Boey 給與一作周洋博士的經費支持。此項研究由中新研究院（Sino-Singapore International Joint Research Institute）以及National Research Foundation、Prime Minister’s Office、Singapore under its Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE) programme提供支持。https://www.x-mol.com/university/faculty/49525