重磅：智能窗户，自适应不同气候区

一、研究背景建筑消耗了全球约40%的能源，而窗户是能源效率最低的部分之一，占其能源损失的60%。
在美国，建筑物中与窗户相关的供暖和制冷能耗估计占全国一次能源使用总量的4%。
热致变色窗由于其简单的结构、被动光调制和零能量输入特性，被认为是一种具有成本效益、刺激合理、节能的智能窗。
智能窗的性能指标是光透射率（Tlum）和太阳光透射调制（ΔTsol)，其中ΔTsol定义为低温和高温之间的Tsol (0.38至2.5μm)差异（图1A）。
然而，LWIR长波红外(εLWIR，2.5至25 μm)在窗口中的发射率(ε)的调制很少被研究。
通过LWIR的辐射冷却Radiative cooling（RC）通过向寒冷的外层空间辐射热自发地冷却表面。
近年来，已经有几个应用采用了这种策略，包括次环境辐射冷却器、节能薄膜、基于RC的空调系统、织物、屋顶和节能涂料。
然而，固定的高电流只能在天气温暖时提供冷却。
冷热季节温度波动较大的地区，需要适应不同季节天气条件的调制钢筋混凝土。
二、研究成果辐射冷却材料自发地向寒冷的外层空间辐射长波红外(LWIR)，提供在炎热季节首选的冷却能力。
辐射冷却已被广泛用于墙壁和屋顶，但很少用于窗户，窗户是建筑中最不节能的部分之一。
今日，华中科技大学杨荣贵教授、南洋理工大学龙祎教授和美国怀俄明大学谭刚教授报道了使用一种解决方案工艺制造了可扩展的智能窗户，在高温(εLWIR-H=0.61)和低温(εLWIR-L=0.21)下给出不同的发射率(ε)，以自动调节辐射冷却，同时保持发光透明度和近红外(NIR)调制。
这些被动和独立的可见-近红外-LWIR调节智能窗户能够动态辐射冷却，以适应不同气候区的自适应应用。
相关研究工作以“Scalable thermochromic smart windows with passive radiative cooling regulation”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。
就在2021年7月8日，华中科技大学武汉光电国家研究中心陶光明教授课题组和浙江大学马耀光教授课题组报道，大规模机织超材料织物（metafabric）可以在大气窗口中提供高发射率(94.5%)，在太阳光谱中提供高反射率(92.4%)，因为在整个超织物中随机分散的散射体的分级形态设计。
通过可大规模制备的工业纺织品制造路线，这种超材料织物在保持高效辐射冷却能力的同时，为商用服装展现出出色的机械强度、防水性和透气性。
实际应用测试表明，超材料织物覆盖的人体可以比商品棉织物覆盖的人体降温约4.8 ℃。
并且这种超材料织物的成本效益和高性能为智能服装、智能纺织品和被动辐射冷却应用提供了巨大优势。
相关研究工作以“Hierarchical-morphology metafabric for scalable passive daytime radiative cooling”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。
据报道，不到半年，华中科技大学已发数篇Nature/Science，点赞！三、图文速递图1. RCRT窗的结构和概念图2. RCRT窗的光学和热学性能作者为一个理想的智能窗户(图1A)提出了一组特征，它应该在可见光范围(380到780纳米)内具有透明度，负责加热房间。
因此，将近红外状态从夏季的不透明变为冬季的透明是可取的。
此外，一个理想的智能窗户应该有一个在温暖天气下促进钢筋混凝土的高温和一个在室外寒冷时抑制钢筋混凝土的低温。
作者设计并利用基于溶液的方法制备了自响应太阳光-长波红外双调控智能窗户（RCRT窗户，RC regulating thermochromic, 图1c）。
该窗户利用热响应二氧化钒VO2纳米颗粒，聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃（PMMA）,以及氧化铟锡（ITO）涂层构成了一个法布里-珀罗谐振器（图1d，图1e），从而实现对于太阳光和长波红外线的双波段自响应调控。
作者测定了RCRT窗口(图2A)的光谱，在20和90℃时，Tlum分别为27.8和26.1%，ΔTsol为9.3%。
超过1500 nm波长的低透过率是由于ITO涂层的强近红外阻挡造成的。
VO2层的转变温度(τc)为~60 oC，可以通过掺杂调节。
RCRT窗口显示了良好的εLWIR调节性能。
在20℃时，多层结构的εLWIR为0.21，在τc以上增加到0.61, ΔεLWIR为0.40。
相比之下，没有RC调节的VO2样品的光谱(图2B)给出了典型的Tlum 32.2%，ΔTsol为17%，但ΔεLWIR可忽略。
叠加设计(图1D)产生了良好的ΔεLWIR (图1D)。
另外作者使用红外热成像仪收集了两个样品的图像（图2C），相比之下，没有RC调节的样品显示出比背景更亮的颜色，这进一步表明它在没有结构操纵的情况下无法调节其εLWIR。
图3 RCRT窗的电子发射率调节和能耗模拟作者比较了不同气候区掺钨最大Δε的RCRT样品与商用low-E(低辐射)窗口和无RC调节的常规热变色窗口的节能性能。
本文RCRT样品产生了更高的节能性能，通过商用low-E玻璃在所有不同气候区进行基准测试（图3D），节能高达324.6 MJ m−2，这进一步说明了RC调节和太阳能调节在窗户中的潜在重要性。
四、结论与展望在这项研究中， 作者基于钨W掺杂VO2-PMMA/间隔棒/low-E堆叠，采用溶液工艺制造了εLWIR可调的热致变色智能窗口，以满足不同气候区的动态能源需求。
窗口的ε长波红外调制能力可以通过简单地调整间隔层厚度、VO2重量比和掺杂来调节。
在整个建筑能耗模拟中，RCRT窗在不同气候区显示出比商用low-E玻璃更高的加热和冷却节能。
这类技术有可能减少与供暖和制冷相关的碳排放，提高建筑物的可持续性。
被动ε长波红外和太阳能调制有可能用于广泛的热调节应用，包括窗户、墙壁、屋顶、织物和绘画。
五、文献文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg0291文献原文：关注『材化生环圈』，后台回复“智能窗户”，即可获取文献原文。