邁向綠色未來：節(jié)能熱變色智能窗戶

隨著氣候變化的現(xiàn)實(shí)日益迫在眉睫,，對(duì)節(jié)能解決方案和減少碳排放的需求變得比以往任何時(shí)候都更加緊迫。在應(yīng)對(duì)這一全球挑戰(zhàn)的各種方法中，有一種方法因其與我們的日常生活密切相關(guān)，即優(yōu)化家庭和工作場(chǎng)所的能源使用。這種方法的基石是節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，而這一領(lǐng)域最有前途的技術(shù)之一就是所謂的智能窗戶。

智能窗戶，也稱為可切換或動(dòng)態(tài)窗戶，代表了建筑設(shè)計(jì)和能源效率方面的創(chuàng)新進(jìn)步，其可以徹底改變管理建筑物溫度和能源消耗的方式。這是一種可以根據(jù)特定條件（如溫度、光線或電力）改變其屬性（通常是光傳輸）的窗戶。這種功能使智能窗戶能夠以比傳統(tǒng)窗戶更有效的方式調(diào)節(jié)來自太陽的熱量和光線，從而提高建筑物的能源效率。

在用于制造智能窗戶的各種技術(shù)中，熱致變色窗戶使用一種特殊材料，可以根據(jù)熱量改變其透光特性。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，材料會(huì)變暗，從而阻擋更多來自太陽的光和熱。這使建筑物更涼爽并減少了對(duì)空調(diào)的需求。

在最近發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上的一篇文章(“可打印的基于熱致變色水凝膠的全天候建筑溫度調(diào)節(jié)智能窗”)中，中國(guó)的一個(gè)多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)展示了基于水凝膠的新型智能窗戶，具有強(qiáng)太陽能調(diào)制和可調(diào)轉(zhuǎn)變溫度(τc)用于不同氣候下的全天候溫度調(diào)節(jié)。

提出的PND水凝膠的太陽能調(diào)制熱致變色機(jī)制 來源：Wiley-VCH Verlag

那么，基于水凝膠的智能窗戶究竟是如何工作的，其又是如何為節(jié)能目標(biāo)做出貢獻(xiàn)的呢？

這些智能窗戶的基本特征是一種特殊設(shè)計(jì)的水凝膠，可以對(duì)其進(jìn)行微調(diào)以調(diào)節(jié)溫度，使其適合在任何氣候下使用。這意味著無論是正在經(jīng)歷阿拉斯加冬天的寒冷還是中東夏天的烈日，這些智能窗戶都可以適應(yīng)以確保最佳溫度控制，從而顯著節(jié)省能源。

這些熱致變色智能窗戶核心的PNIPAM水凝膠具有高親水性，即其很容易吸水，并且包含特定的微結(jié)構(gòu)，可以強(qiáng)烈調(diào)節(jié)或調(diào)整其允許通過的太陽能。PNIPAM是一種應(yīng)用廣泛的負(fù)熱敏聚合物，因?yàn)槠潆S著溫度的降低溶解度增加，通過形成氫鍵引起體積相變。目前引起了很多科學(xué)研究的興趣。

然而，PNIPAM水凝膠在特定溫度（約32°C）下轉(zhuǎn)變，限制了其在不同氣候下的用途。為了使這些窗戶更加通用，研究團(tuán)隊(duì)通過將PNIPAM與另一種物質(zhì)結(jié)合來調(diào)整轉(zhuǎn)變溫度，這種物質(zhì)是一種稱為N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)的親水性單體。這種組合形成了一種新型水凝膠(PND)，其轉(zhuǎn)變溫度可以通過改變DMAA的量來精確控制。這種方法允許將轉(zhuǎn)變溫度設(shè)置在32.5至43.5°C之間的任何位置，使這些智能窗戶能夠適應(yīng)不同的氣候條件。

PNIPAM和PND水凝膠結(jié)構(gòu)示意圖來源：Wiley-VCH Verlag

這種太陽能調(diào)制跨越紫外線、可見光和近紅外光，這意味著其可以有效地阻擋陽光，減少晴天時(shí)不必要的熱量。

這些窗戶的設(shè)計(jì)在阻擋太陽能透射方面表現(xiàn)出令人印象深刻的效率，減少了高達(dá)88.84%。同時(shí)，其保持高水平的自然光，允許高達(dá)91.3%的陽光通過。此外，其還經(jīng)久耐用，適合長(zhǎng)期使用。

從北京到廣州，在幾個(gè)不同氣候的城市進(jìn)行了模擬室內(nèi)研究，證明了這種窗戶的有效性。結(jié)果令人震驚：與標(biāo)準(zhǔn)窗戶相比，這些智能窗戶能夠在夏季將室內(nèi)日間溫度降低多達(dá)7.3°C，從而使每立方米房間體積節(jié)省9.51千焦的能源。

此外，這些窗戶在冬季表現(xiàn)出顯著的阻擋熱輻射或熱傳輸?shù)哪芰?，即使與中央供暖系統(tǒng)一起使用時(shí)也是如此。這種能力進(jìn)一步提高了節(jié)能潛力。

展望未來，這些窗戶不僅僅是溫度調(diào)節(jié)。水凝膠材料的柔韌性允許使用3D打印技術(shù)。太陽能調(diào)制和可見度是基于PND水凝膠的智能窗戶的主要優(yōu)勢(shì)，其提供了廣泛的設(shè)計(jì)可能性。窗戶可以裝飾或圖案化各種文化元素，包括藝術(shù)設(shè)計(jì)和廣告。例如，這些窗戶可以用紅色剪紙裝飾，這是中國(guó)節(jié)日傳統(tǒng)上使用的一種剪紙藝術(shù)。

正如研究人員在其工作中所展示的那樣，由于PND水凝膠具有出色的可打印性，可以將不同的圖案直接印刷到窗戶上。此外，水凝膠可以用各種染料染色，創(chuàng)造出色彩繽紛的設(shè)計(jì)，例如中國(guó)結(jié)和熊貓。這些水凝膠的多功能性允許根據(jù)特定場(chǎng)合或要求進(jìn)行定制，大大提高了智能窗戶的可用性和功能性。用于平衡太陽能調(diào)制和可見度的印刷水凝膠圖案：PND 水凝膠打印的圖案照片：中國(guó)傳統(tǒng)紅剪紙、中國(guó)結(jié)和熊貓。來源：Wiley-VCH Verlag

這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)很有前途的應(yīng)用是廣告。企業(yè)標(biāo)志或其他品牌元素可以印在這些智能窗戶上，而不會(huì)影響其太陽能調(diào)制能力。此外，彩色圖案的水凝膠設(shè)計(jì)可以快速響應(yīng)溫度變化，這為這些窗戶增加了另一層交互性。這種新穎的窗戶制造方法擴(kuò)展了智能窗戶在文化展示和廣告方面的潛力。

有了這些開創(chuàng)性的熱致變色智能窗戶，可以設(shè)想未來的建筑可以全天候調(diào)節(jié)溫度，而不受當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊?。這項(xiàng)技術(shù)不僅提高了舒適度和建筑設(shè)計(jì)，而且顯著有助于節(jié)能，為低碳經(jīng)濟(jì)鋪平了道路。開發(fā)和大規(guī)模采用這種節(jié)能解決方案，可以說是應(yīng)對(duì)氣候變化的一大步。

本文作者：MichaelBerger

資料來源：https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=63118.php

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