智能窗戶如何實現(xiàn)建筑節(jié)能的？

透過陽光明媚的窗戶射入的自然光讓人感覺非常舒適——直到你瞇著眼睛擦去額頭上的汗水。你可以關(guān)上窗簾或打開空調(diào)，但你只能面對一個黑暗的房間或不斷上漲的電費。

40年前，人們就想出了解決這個難題的辦法——根據(jù)個人喜好調(diào)整的智能窗戶。通過使用特殊的材料來阻擋特定波長的光，這些窗戶可以適應(yīng)天氣或你的個人舒適度。太熱嗎？窗戶可以著色以阻擋光線，使房間保持涼爽。太冷？色彩消失，讓溫暖的自然光加熱你的空間。想要一些隱私？有些玻璃一按開關(guān)就會變得不透光明了。

在過去的幾十年里，智能窗戶研究的進步使這項技術(shù)遠遠超出了實驗室：到 2028 年，智能玻璃的市場預(yù)計將達到 75 億美元。智能窗戶的典型應(yīng)用類型已經(jīng)可以在船只、汽車和飛機上找到，并且已經(jīng)進入部分辦公室和機場航站樓等建筑物。支持者表示，假設(shè)克服了一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，它們有一天可以在提高家庭能源效率方面發(fā)揮重要作用。

建筑物占美國能源消耗的 39%，其中 35% 與供暖、通風(fēng)和空調(diào)有關(guān)。因為智能窗戶可以選擇性地阻擋熱量或讓熱量進入，它們可以降低這些能源需求：典型建筑物中大約 35% 的能量通過窗戶流失。

但要讓智能窗戶成為主流——并減少每個人的能源使用，那么價格需要下降。當(dāng)前設(shè)備的成本可能是標準節(jié)能窗戶價格的 10 倍。讓技術(shù)更便宜，甚至更智能，是研究人員非常感興趣的領(lǐng)域。

未來，材料物理學(xué)家 Claes-G?ran Granqvist 說，“除了這些智能窗戶之外，沒有任何理由在使用其他窗戶?！?/p>像電池一樣

智能窗戶早在手機和電視被認為是“智能”之前就已經(jīng)出現(xiàn)了。在 1980 年代初期，來自瑞典查爾姆斯理工大學(xué)和加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室的科學(xué)家們正在集思廣益地研究制造節(jié)能建筑材料的新方法。研究人員提出了一個可以動態(tài)改變其色調(diào)的響應(yīng)窗口的想法。作為早期研究的一部分，格蘭奎斯特在撥款申請中使用了“智能窗戶”一詞。這個名字一直存在——第一個智能窗戶在 1984 年實現(xiàn)了。

早在手機和電視被認為是“智能”之前，智能窗戶就已經(jīng)出現(xiàn)了。20世紀80年代初，來自瑞典查爾默斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)和加州勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的科學(xué)家們正在集體討論制造節(jié)能建筑材料的新方法。研究人員提出了一種可以動態(tài)改變顏色的響應(yīng)式窗戶的想法。Granqvist參與了這項早期研究，他在一項撥款申請中使用了“智能窗戶”這個詞。這個名字被保留了下來，第一個智能窗口在1984年開花結(jié)果。

初的原型跨度只有幾厘米，玻璃可以從透明到變暗，這一壯舉是通過將玻璃、幾層材料和透明導(dǎo)體夾在一起來提供微小的電流。電壓改變了材料與光相互作用的方式——改變了被反射或吸收的波長。

隨著技術(shù)的進步，研究人員探索了其他可以操縱光以響應(yīng)其他提示的物質(zhì)，例如熱、紫外線和磁力。今天，使用了一系列特殊的“智能材料”，研究人員繼續(xù)研究新的材料。

這些早期的原型使用了“電致變色”材料，這意味著它們對電流或電壓的響應(yīng)是可逆的。電致變色窗口通常有五層，包括作為電極的兩層(像電池的正極和負極)和包含離子的內(nèi)部電解質(zhì)層。當(dāng)施加電壓時，帶正電的離子進入一層，而電子進入另一層。這種反應(yīng)產(chǎn)生了一種顏色，可以阻擋一些可見光以及熱的紅外光。這種顏色會一直保持下去，直到另一輪電壓觸發(fā)反反應(yīng)，提取電子和離子，從而使窗口再次透明。

“這就像電池一樣，”瑞典烏普薩拉大學(xué) ?ngstr?m 實驗室的 Granqvist 說?！澳惚仨毻度胍恍┠芰縼沓潆?，但你可以保持很長時間?！?/p>

電致變色玻璃廣泛用于智能窗戶，已經(jīng)可以在隱私屏幕、顯示面板、船窗、飛機窗戶和一些汽車天窗中找到。某些類型的電致變色玻璃在未通電時幾乎是不透明的。在這種狀態(tài)下，玻璃的響應(yīng)材料，無論是晶滴還是其他懸浮粒子，都亂七八糟地排列著，散射光而不是讓它通過，使玻璃變得渾濁。但是用電流擊打它，液滴或晶體就會排成一列——使玻璃變得透明。

這些和其他電致變色窗戶使建筑物的居住者可以手動控制色調(diào)水平，但需要電工正確構(gòu)建電極陣列和隨附的電線，從而使設(shè)計和安裝復(fù)雜化。這使得它的價格比其他一些智能窗戶設(shè)計要高得多。Granqvist說，另一方面，這種材料相對便宜、廉價且可擴展的生產(chǎn)方法正在出現(xiàn)。

而且電致變色窗還有改進的空間。研究人員繼續(xù)研究新的響應(yīng)材料，以提高效率和窗戶壽命。例如，科學(xué)家們最近在ACS Omega上報告說，與許多現(xiàn)有的電致變色窗口相比，一個含有摻雜有兩種其他金屬的氧化錫的原型可以阻擋紅外線和可見光，持續(xù)更多的開/關(guān)周期。

另一類響應(yīng)熱而變化的智能窗戶稱為熱致變色窗戶，它沒有電致變色窗戶的復(fù)雜接線或電源。材料科學(xué)家 Harlan Byker 說，一種長期被研究的熱致變色材料是二氧化釩 (VO₂)，他創(chuàng)立了動態(tài)窗玻璃制造商 Pleotint 公司。

VO₂具有在更高溫度（約 68 攝氏度或 154 華氏度）下變形的能力，從而增加了反射紅外光的能力。這允許可見光繼續(xù)流入，照亮房間，同時降低進入的熱量，保持房間涼爽。Byker 說，研究人員可以將特殊物質(zhì)混合到 VO₂中，使其在較低溫度下反射，但這會阻礙其對光的反射——使產(chǎn)品難以從實驗室走向商業(yè)市場。

下一代熱致變色窗戶可能會使用不同的材料來吸收光線而不是反射光線，從而隨著溫度的升高產(chǎn)生連續(xù)的色調(diào)，類似于電致變色窗戶。最近開發(fā)的一種物質(zhì)利用金屬離子和其他分子之間的相互作用，在外面很冷時吸收較少的紅外線和可見光，從而允許更多的熱量進入。當(dāng)室內(nèi)更熱時，這些材料吸收更多的光，將其相關(guān)的熱量排除在外。

新加坡南洋理工大學(xué)的材料科學(xué)家Long Yi表示，每種溫度響應(yīng)材料都會在不同的溫度下發(fā)生轉(zhuǎn)變，并且看起來或多或少有色——而且都面臨挑戰(zhàn)。有些，例如一種稱為水凝膠的聚合物，非常擅長轉(zhuǎn)移熱量，但顏色太不透明而無法透視。其他的，例如 VO₂，足夠透明以保證視野，但由于它們也不能反射熱量，所以不那么節(jié)能。

“沒有完美的材料，”Long Yi說?！拔覀冎荒転槟承?yīng)用找到完美的材料?！?/p>

一種應(yīng)用是設(shè)計不僅可以散射光而且還可以捕獲熱量的窗戶。例如，Long Yi的實驗室正在開發(fā)熱致變色窗戶，它可以儲存一天中最陽光充足的時間收集的熱量，并在一天中較冷的時間需求和成本較低時釋放熱量。

他們可以通過將水液體（水和水凝膠的組合）放置在兩塊玻璃之間來做到這一點。當(dāng)溫度低于 30 攝氏度（86 華氏度）時，水凝膠內(nèi)的聚合物鏈會膨脹，從而使玻璃變得透明。超過這個閾值，鏈條像紙一樣皺縮并相互纏繞，形成一種色彩，散射近紅外光和可見光。由于混合物中的水可以保持大量熱量，因此液體液體會吸收熱量，隨著時間的推移逐漸釋放熱量。根據(jù)Long Yi 的模擬數(shù)據(jù)，與雙層玻璃相比，這可以減少 35% 的供暖、通風(fēng)和空調(diào)能源需求。

她的最新研究引入了一個雙向窗戶。2021 年在《科學(xué)》雜志上進行了描述，Long Yi 的團隊創(chuàng)造了一種窗戶——采用節(jié)能涂層和 VO₂——它可以阻止熱量聚集的紅外光進入建筑物，同時讓室內(nèi)熱量散發(fā)出去，從而在夏季為房間降溫。這種機制在冬天隨著溫度變冷而逆轉(zhuǎn)——這些材料讓光線進入并防止室內(nèi)熱量散發(fā)出去。Long Yi說，與目前的商用節(jié)能玻璃涂層相比，這項新技術(shù)可以節(jié)省高達 15% 的能源消耗。

研究人員正在開發(fā)智能窗戶，可以在夏季阻擋熱聚集的近紅外光進入，同時讓熱量散發(fā)出去（左）；在冬天，這些窗戶可以讓近紅外光進入并防止室內(nèi)熱量向外輻射（右圖）。可見光在所有季節(jié)都可以通過。圖片來源：S. WANG等人 / 《科學(xué)》2021

智能窗戶可以幫助世界在節(jié)能方面取得長足的進步——但是，正如我們看到的電動汽車等其他創(chuàng)新一樣，通往綠色未來的道路可能會有些坎坷。

《化學(xué)與生物分子工程年度評論》(The Annual Review of Chemical and biommolecular Engineering)上一篇關(guān)于智能窗材料的2016年綜述指出，智能窗的高昂價格是其向更多領(lǐng)域擴張的主要障礙。例如，電致變色窗戶可能比節(jié)能窗戶貴幾倍，因為它們的電力系統(tǒng)復(fù)雜，安裝過程漫長。雖然熱變色窗更便宜，但它們?nèi)匀槐绕胀ù皯糍F。大多數(shù)消費者寧愿選擇更便宜的選擇，即使他們?nèi)狈χ悄艽皯魩淼哪茉葱б妗?/p>

科學(xué)家們繼續(xù)改進技術(shù)，但在這一點上，智能窗戶的成敗在很大程度上取決于經(jīng)濟性。窗戶涂料咨詢公司 Star Science 的管理合伙人、材料科學(xué)家和電氣工程師 Carl Lampert 表示，要想讓智能窗戶大受歡迎，它們的價格需要下降。在政府退稅項目中加入窗戶——比如節(jié)能產(chǎn)品的“能源之星”標志——可能會有所幫助。更好地向消費者介紹新興技術(shù)、性能和節(jié)能，也可能提高需求。

研究正在慢慢為更簡單、更便宜、更耐用的智能窗戶鋪平道路，從而降低成本和風(fēng)險。但消費者可能不得不等待它們：Long Yi 估計新產(chǎn)品離開實驗室進入市場可能需要 10 年的時間。

最終，這樣的窗口可能會更普遍，被動地適應(yīng)消費者的需求或響應(yīng)按鈕的按下——就像電視的遙控器一樣，Lampert說。他設(shè)想了一個未來，他可以要求在家得（Home Depot）寶安裝一個智能窗戶，而不會引起工人的困惑。其他研究人員也同意：

“動態(tài)窗戶是不可避免的，”Byker說?！斑@里有很多初生的痛苦?！?/p>

本文作者：Brittney J. Miller

生成海報

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容主要來自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網(wǎng)站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網(wǎng)站將盡力確保所提供信息的準確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準確性及可靠性，讀者在使用前請進一步核實，并對任何自主決定的行為負責(zé)。本網(wǎng)站對有關(guān)資料所引致的錯誤、不確或遺漏，概不負任何法律責(zé)任。任何單位或個人認為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識產(chǎn)權(quán)或存在不實內(nèi)容時，應(yīng)及時向本網(wǎng)站提出書面權(quán)利通知或不實情況說明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細侵權(quán)或不實情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開相關(guān)鏈接。