新加坡南洋理工大學科學家研發出一款節能玻璃，可自動對溫度變化做出反應，並在加熱和冷卻之間切換。這種智能窗的使用對建築節能和脫碳將具有非常重要的意義。
節能玻璃創新
由新加坡南洋理工大學（NTU）的科學家領導的一個國際研究團隊開發了一種材料，將其塗在玻璃板上，可以有效地自適應世界各地不同氣候區的房間加熱或冷卻，幫助減少能源使用。
NTU的研究人員開發了這種玻璃，並在頂級科學雜志《科學》(Science)上發表了論文。這種玻璃是第一種能自動對溫度變化做出反應的玻璃，可以在加熱和冷卻之間切換。
節能玻璃，來源：NTU
結構及工作原理
這種自適應玻璃是利用二氧化釩納米顆粒複合層、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和低輻射塗層開發的，形成了一種獨特的結構，可以同時調節加熱和冷卻。
玻璃獨特結構，來源：NTU，Youtube視頻截圖
新開發的玻璃沒有電子元件，它的工作原理是通過利用負責加熱和冷卻的光的光譜來工作。在夏季，玻璃抑制太陽能加熱（近紅外光），同時促進輻射冷卻（長波紅外）來冷卻房間。
夏季工作原理，來源：NTU，Youtube視頻截圖
在冬天，它的作用正好相反，使房間暖和起來。
冬季工作原理，來源：NTU官網，Youtube視頻截圖
在使用紅外攝像機觀察結果的實驗室測試中，玻璃允許在各種條件下(室溫- 70°C以上)釋放一定量的熱量，證明其能夠對不斷變化的天氣條件作出動態反應。
可同時調節加熱和冷卻
窗戶是建築物設計中的關鍵部分，也是最不節能和最複雜的部分。根據美國能源部提供的數據，僅在美國，建築中與窗戶有關的能源消耗（供暖和制冷）每年約占其初級能源總用量的4%。
盡管其他地方的科學家已經開發出可持續的創新來緩解能源需求——例如使用低輻射塗層來防止熱傳導，以及通過著色來調節太陽輻射進入房間的電致變色玻璃——但直到現在，還沒有一種解決方案能夠同時調節加熱和冷卻。
這項研究的首席研究員，NTU材料科學與工程學院(MSE)的 Long Yi 博士說：“如今，大多數節能窗戶都解決了由可見光和近紅外太陽光引起的那部分太陽熱增益。然而，研究人員往往忽略了長波長紅外線的輻射冷卻。”
“雖然專注于輻射冷卻的創新已經被用于牆壁和屋頂，但這一功能在冬季變得不可取。我們的團隊首次展示了一種能夠對兩種波長作出良好反應的玻璃，這意味著它可以持續自我調節，以對所有季節的溫度變化作出反應。”
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Long Yi 博士，來源：NTU
由于這些特點，NTU研究團隊認爲他們的創新爲建築節能提供了一種方便的方式，即不依賴任何移動部件、電氣機制或阻擋視線來發揮作用。
共同作者，來自美國懷俄明大學的Gang Tan教授和領導建築節能模擬的華中科技大學的Ronggui Yan教授說，爲了提高窗戶的性能，同時調節太陽能傳輸和輻射冷卻是至關重要的。
Gang Tan教授表示這項創新填補了傳統智能窗和輻射冷卻之間的空白，爲最大限度地減少能源消耗鋪設了一個新的研究方向。
這項研究是支持NTU 2025戰略計劃的開創性研究的一個例子，該計劃旨在應對人類在可持續發展方面的巨大挑戰，並加快將研究發現轉化爲減輕人類對環境影響的創新。
適用于廣泛的氣候類型
作爲概念證明，科學家們使用覆蓋全球所有人口居住地區（七個氣候區）的氣候數據模擬測試了他們的發明的節能性能。
研究小組發現，他們開發的玻璃在暖季和冷季都顯示出節能效果，在模擬的中型辦公大樓中，總體節能性能高達9.5%，即每年比市面上的低輻射玻璃少約33萬千瓦時（約新加坡60個家庭一年所需的能源）。
該研究的第一作者Wang Shancheng表示：“結果證明了在所有類型的氣候中應用我們的玻璃的可行性，因爲它能夠幫助減少能源的使用，而不受季節性溫度冷熱波動的影響。這使我們的發明有別于目前的節能窗，後者往往在季節性變化較小的地區有限使用。”
（左）研究員Meng Yun、（中）首席研究員Long Yi博士
（右）研究員Wang Shancheng博士，
來源：NTU
此外，他們的玻璃的加熱和冷卻性能可以定制，以適應市場和地區的需求。
Long Yi博士說：“我們只需簡單地調整分層在玻璃板上的特殊納米複合塗層的結構和成分，就可以實現這一目標，使我們的創新有可能被用于廣泛的熱調節應用，而不僅僅局限于窗戶。”
美國馬裏蘭大學Herbert Rabin特聘教授、材料創新中心主任Liangbing Hu教授提供了一個獨立的觀點，他說：“Long Yi教授和她的同事們原創性地開發了可以調節近紅外太陽光和長波紅外熱量的智能窗。這種智能窗的使用對建築節能和脫碳具有非常重要的意義。”
這項創新已經在新加坡申請了專利。下一步，研究團隊的目標是通過設計他們的納米複合塗層實現更高的節能性能。
國際研究團隊還包括來自中國南京理工大學的科學家。該研究得到了新加坡-胡志明市研究與企業聯盟（SHARE）的支持，該聯盟屬于卓越研究與技術企業校園計劃（CREATE），教育部研究基金第一級以及中新國際聯合研究學院。
參考文獻：
1. NTU Singapore scientists invent energy-saving glass that ‘selfadapts’ to heating and cooling demand ;
2. Paper titled “Scalable thermochromic smart windows with passive radiative coolingregulation”, published in Science, 17 December 2021.DOI: 10.1126/science.abg0291
