智能节能窗户重大突破登上Sci. Adv.

一、【导读】

由于庞大的建筑规模，我国建筑碳排放量约占全国总碳排放量的一半。建筑的节能减排，对实现全社会的碳中和目标至关重要。窗户作为建筑的主要采光构件，且其又是建筑外围结构中，保温隔热的最薄弱构件，窗户的节能性能对建筑的能源消耗有着重大影响。理想的节能窗户应能在炎热环境下，阻挡室外热量的进入，并促进室内热量的排出；在寒冷环境下，提高室外热量的导入，减少室内热量的散失。这种智能调控，在不改变窗户结构的情况下，可通过热致变色材料，根据温度变化，自主调节窗户的太阳辐射透过率和远红外热辐射反射率，实现热流的方向控制，从而达到零能耗节能的效果。然而，现有的热致变色玻璃，仅能实现太阳辐射波段的光谱调控，远红外热辐射波段的光谱调控十分有限。而这种限制，源自现有材料的性能制约，长时间内都未实现大幅度突破。本文展示了一种全新的调节机理，通过创新的微纳结构设计，绕过材料限制，实现了太阳辐射和热辐射的同步调控，且调控幅度均超过55%的重大突破。

二、【成果掠影】

近日，香港科技大学黄宝陵教授、姚舒怀教授和香港城市大学李威宏教授（共同通讯）联合在国际著名期刊Science Advances上发表文章，题为“All-weather thermochromic windows for synchronous solar and thermal radiation regulation”。第一作者为香港科技大学博士后研究员林崇佳，共同一作为硕士生Jun Hur。研究团队首次利用水凝胶（pNIPAm）的热致水捕获和释放特性，利用水分子作为远红外热辐射调节剂，水凝胶为太阳辐射调控材料，并结合银纳米线的热反射性能，获得了拥有58.4%太阳辐射调控和57.1%远红外热辐射调控能力的热致变色智能窗（STR窗户）。此STR窗户在寒冷环境下，可透过大量的太阳光能，提高室内温度，同时反射大部分室内热辐射，防止热能外泄，达到突出的取暖保暖效果；在炎热环境下，可反射大部分太阳光能，降低室内的热荷载，同时吸收室内的热辐射并发射至室外，促进室内散热，达到优异的降温效果。室温测试和模拟计算均表明，此新型智能窗户相比于现有的节能窗户，其超宽光谱的自动调节能力，使其拥有更强的气候适用性，可于不同地区均实现显著的节能效益。

三、【核心创新点】

1. 创造性地设计了以水分子为远红外辐射调节剂的热致变色结构，突破了远红外热辐射调节难以和太阳辐射调节共存的限制，制作出光谱调控范围广且幅度大的被动式智能窗户，为新一代智能节能窗户的发展提供了思路；
2. 本文设计的智能窗户，亦突破了一种节能窗户通常只适用于特定气候地区的限制，其不管在寒冷或炎热地区，在白天或晚上，均展现出优异的室内温度调节能力，具有突出的全气候适应性。

四、【数据概览】

图1、STR窗户的热致变色性能

图2、STR窗户的制作流程和工作机理

图3、STR窗户的光学和热学性能

图4、不同节能窗户的室内热管理对比测试

图5、STR窗户的稳定性和节能效率

参考文献：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。