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能控制两种光谱的智能窗,冬暖夏凉还节能

2022-04-14 08:11:25      点击:147    评论:0      来源:科技日报

建筑物中的采暖、通风和空调系统消耗的能源,约占建筑物总能耗的一半。如今,一种最新设计的理论模型,通过智能调节窗户光学参数,控制太阳光和长波红外线强度,让室内冬暖夏凉。

4月13日,记者从南京工业大学获悉,该校环境科学与工程学院副教授蒋腾耀与新加坡南洋理工大学、美国怀俄明大学等合作团队,首次提出同时调控太阳光和长波红外线两个波段的理想智能窗户模型,实现双波段自响应调控,提升建筑的节能效果。这一成果发表于国际期刊《科学》。

“辐射冷却材料会自发地向寒冷的外层空间辐射长波红外线,是炎热季节首选的冷却材料,现在已广泛应用于墙壁和屋顶,但很少应用于窗户,因为窗户是建筑中能效最低的部分之一。”论文的共同第一作者蒋腾耀告诉科技日报记者,想避免室内太热,最直观的是挡住从窗户进入的太阳光,现有的智能窗户在太阳光透射率的调控上已经取得了显著进展。然而,与热辐射和辐射制冷有关的长波红外波段对窗户能效的影响却鲜少被关注。

研发一种能同时调控太阳光和长波红外双波段,并保持可见光透过率的智能窗户,是一个极具挑战性的课题。

在研究中,团队提出了同时调控太阳光长波及红外波段的理想智能窗户模型。“在夏季,理想的智能窗户需要具有低近红外透过率,从而减少由阳光引起的室内升温;同时具有高长波红外发射率,以促进辐射制冷。在冬季,智能窗户应具有高近红外透过率和低长波红外发射率,以促进阳光透射和减小经由窗户的热损失。”蒋腾耀说,这个模型的关键和难点在于,根据不同的季节、温度动态调节长波红外线的发射率,让窗户的长波红外辐射能力在一个适宜的区间波动。

为了实现对两个波段的自调控,使太阳光和长波红外光自动发挥最大节能效果,研究团队设计并制备了一款双波段调控自响应智能窗。

“我们采用溶液工艺在玻璃上涂了热响应钨掺杂二氧化钒纳米颗粒、聚甲基丙烯酸甲酯以及氧化铟锡涂层,构成了一个法布里-珀罗谐振器。”蒋腾耀介绍,该谐振器能够对外界温度自响应,适应外界气温的变化。改变法布里-珀罗谐振器的结构,智能窗还有不同的长波红外发射率切换能力,满足不同气候区的要求。

在现实中,这套模型是否能智能调节室温、实现建筑节能?蒋腾耀表示,研究团队在全球7个气候区进行模拟,发现双波段调控智能窗户较市售低辐射节能玻璃表现出更优异的节能效果,每平米玻璃可实现最高达324.6兆焦的制冷/制热节能,“这相当于每年每平米玻璃可节省约90度电。”

“这项成果为建筑特别是玻璃的智能节能发展提供了新的思路,也为全球的节能减碳事业提供了独特的解决方案。但想进入工业化生产,还需要继续探索工艺放大研究,例如材料的耐候性、使用寿命等问题。”蒋腾耀说。

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