具有被動輻射冷卻調節的可伸縮熱致變色智能窗戶
科學家發明“自適應”加熱和冷卻需求的節能玻璃
【導讀】：
在一天中最熱的時候， 液體吸收熱量並變得不透明， 阻擋陽光並防止建築物升溫。到了晚上， 液體逐漸冷卻並釋放熱量， 從而恢複到原來的清澈狀態。在較冷的環境中，窗戶全天保持透明，讓陽光進入並溫暖建築物。
“在我們的測試中，窗戶 能夠降低通常用于冷卻的建築物的能耗 ，通風和空調增加了 近 50%，”龍博士說。據研究人員稱，這些 窗戶還能夠降低環境 噪音，效率比普通雙層玻璃窗高約 15% 。
NTU新加坡科學家開發的自適應玻璃具有獨特的結構，可以同時調節加熱和冷卻。
由新加坡南洋理工大學 (NTU Singapore) 的科學家領導的國際研究小組開發出一種材料，當塗在玻璃窗板上時，可以有效地適應世界不同氣候區的房間供暖或制冷，幫助以減少能源使用。
由 NTU 研究人員開發並在《科學》雜志上報道，這種首創的玻璃通過在加熱和冷卻之間切換來自動響應不斷變化的溫度。
自適應玻璃是使用多層二氧化釩納米粒子複合材料、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 和低輻射塗層開發的，形成獨特的結構，可以同時調節加熱和冷卻。
新開發的玻璃沒有電子元件，它的工作原理是利用負責加熱和冷卻的光譜。
在夏季，玻璃會抑制太陽加熱（近紅外光），同時促進輻射冷卻（長波紅外線）——熱量通過表面向寒冷的宇宙發射的一種自然現象——以冷卻房間。在冬天，它會相反地加熱房間。
在使用紅外攝像機可視化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）發出受控量的熱量，證明其能夠對不斷變化的天氣條件做出動態反應。
新玻璃可調節加熱和冷卻
窗戶是建築物設計中的關鍵部件之一，但也是最節能、最複雜的部分。根據美國能源部提供的數據估計，僅在美國，建築物中與窗戶相關的能源消耗（加熱和冷卻）每年約占其主要能源使用總量的 4% 。
雖然其他地方的科學家已經開發出可持續的創新來緩解這種能源需求——例如使用低輻射塗層來防止熱傳遞和電致變色玻璃通過著色來調節太陽能傳輸進入房間——但沒有一種解決方案能夠同時調節加熱和同時冷卻，直到現在。
該研究的首席研究員、南洋理工大學材料科學與工程學院（MSE）的龍祎博士說：“當今大多數節能窗戶都解決了可見光和近紅外太陽光引起的太陽能熱增益部分。然而，研究人員經常忽視長波長紅外線中的輻射冷卻。雖然專注于輻射冷卻的創新已用于牆壁和屋頂，但在冬季，這種功能變得不受歡迎。我們的團隊首次展示了一種可以對兩種波長做出良好響應的玻璃，這意味著它可以不斷自我調整以應對所有季節的溫度變化。”
由于這些特點，南大研究團隊相信他們的創新提供了一種在建築物中節約能源的便捷方法，因爲它不依賴任何移動部件、電氣機制或阻擋視線來運行。
共同作者美國懷俄明大學的譚剛教授和武漢華中科技大學的楊榮貴 教授說，爲了提高窗戶的性能，太陽能傳輸和輻射冷卻的同時調制至關重要。
“這項創新通過開辟新的研究方向以最大限度地減少能源消耗，填補了傳統智能窗戶和輻射冷卻之間的空白，”譚剛教授說。
該研究是支持 NTU 2025 戰略計劃的開創性研究的一個例子，該計劃旨在解決人類在可持續性方面的重大挑戰，並加速將研究發現轉化爲減輕人類對環境影響的創新。
(LR)研究團隊包括材料科學與工程學院研究員孟雲、首席研究員龍祎博士和研究員王善成博士。
適用于各種氣候類型的創新
作爲概念證明，科學家們使用覆蓋全球所有人口稠密地區（七個氣候區）的氣候數據模擬測試了他們發明的節能性能。
該團隊發現他們開發的玻璃在溫暖和涼爽的季節都顯示出節能效果，整體節能性能高達 9.5%，或每年約 330,000 千瓦時（估計爲新加坡 60 戶家庭供電一年所需的能源）更少比市售的低輻射玻璃在模擬中型辦公樓中使用。
該研究的第一作者王善成，研究員，龍毅博士的學生說：“結果證明了我們的玻璃在各種氣候條件下的可行性，因爲它能夠幫助減少能源消耗，而不受冷熱季節性溫度波動的影響。這使我們的發明與當前的能源區別開來- 在季節性變化較小的地區，這種節省窗口的用途往往有限。”
此外，他們的玻璃的加熱和冷卻性能可以定制，以滿足其預期的市場和地區的需求。
“我們可以通過簡單地調整層疊在玻璃面板上的特殊納米複合塗層的結構和成分來實現這一點，使我們的創新有可能用于廣泛的熱調節應用，而不僅限于窗戶，”龍毅博士說.
美國馬裏蘭大學材料創新中心主任、赫伯特·拉賓特聘教授胡良兵教授發表獨立觀點說：“龍和同事原創開發了可以調節近紅外線太陽光和長波紅外線熱量。使用這種智能窗戶對于建築節能和脫碳非常重要。”
這項創新已申請新加坡專利。作爲下一步，研究團隊的目標是通過設計納米複合塗層來實現更高的節能性能。
國際研究團隊還包括來自中國南京工業大學的科學家。論文“源自水凝膠的液體熱響應 智能窗” 發表在 Joule (2020) 上。DOI： 10.1016/j.joule.2020.09.001。