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  輻射制冷技術已被廣泛應用在建筑物節(jié)能冷卻的領域。該技術通過熱輻射，將熱能發(fā)射到寒冷的太空中，從而降低建筑物制冷能耗。然而，在四季分明的地區(qū)，由于現(xiàn)有材料無法“關閉”輻射制冷，導致冬季建筑供暖能耗增加。因此，溫度自適應輻射制冷調(diào)控成為節(jié)能的關鍵課題。窗戶作為建筑圍護結(jié)構(gòu)中能效最低、結(jié)構(gòu)最復雜的部件之一，導致了最高可達60%的建筑能量損失。因此，提高窗戶的節(jié)能效率，對于提高建筑圍護結(jié)構(gòu)整體能效具有重要意義。現(xiàn)有的智能窗戶在太陽光透射率的調(diào)控上已經(jīng)取得了顯著進展。然而，在智能窗戶領域，與熱輻射和輻射制冷有關的長波紅外波段對窗戶能效的影響卻鮮少受到關注。設計同時調(diào)控太陽光和長波紅外雙波段的智能窗戶仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。

  近日，南洋理工大學龍祎與美國懷俄明大學譚剛，華中科技大學楊榮貴合作，提出了同時調(diào)控太陽光波段及長波紅外波段的理想智能窗戶模型并制設計了基于鎢摻雜二氧化釩的熱響應雙波段調(diào)控智能玻璃窗。該工作以Scalable thermochromic smart windows with passive radiative cooling regulation 為題發(fā)表在《Science》上。研究團隊指出：理想的智能窗戶需要同時調(diào)控太陽光和長波紅外線以達到最佳的節(jié)能效果。在本模型中，太陽光（包括可見光和近紅外波段）與室內(nèi)加熱有關；而長波紅外線與輻射制冷、熱輻射有關。在夏季，理想的智能窗戶需要具有低近紅外透過率，從而減少由陽光引起的室內(nèi)升溫；同時具有高長波紅外發(fā)射率，以促進輻射制冷。另一方面在冬季，理想智能窗戶應具有高近紅外透過率和低長波紅外發(fā)射率以促進陽光透射和減小經(jīng)由窗戶的熱損失。同時，無論冬夏，智能窗戶均應具有一定的可見光透過率以保證采光的需求（圖1）。

圖1 理想智能窗戶模型

  基于這一模型，作者設計并利用基于溶液的方法制備了自響應太陽光-長波紅外雙調(diào)控智能窗戶（RCRT窗戶）。該窗戶利用熱響應鎢摻雜二氧化釩納米顆粒，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,以及氧化銦錫（ITO）涂層構(gòu)成了一個法布里-珀羅諧振器，從而實現(xiàn)對于太陽光和長波紅外線的雙波段自響應調(diào)控。該窗戶在低溫的長波紅外發(fā)射率為0.21，與市售低輻射玻璃相近；在高溫時，該智能窗戶的長波紅外發(fā)射率增加至0.61（圖2）。同時，本款智能窗戶的太陽能調(diào)制能力（ΔT_sol）為9.3%。在基于自響應太陽光-長波紅外雙調(diào)控智能窗戶光學數(shù)據(jù)的實際建筑耗能計算機模擬中作者發(fā)現(xiàn)：相比于傳統(tǒng)的太陽光調(diào)控智能窗戶和市售低輻射玻璃，雙波段調(diào)控智能窗戶在全球各氣候區(qū)，尤其是四季分明的氣候區(qū)，具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢。以12層的辦公樓為模型，與市售低輻射玻璃相比，雙調(diào)控智能窗戶可實現(xiàn)最高達324.6MJ/m²的制冷/制熱節(jié)能（圖3）。

圖2 雙波段調(diào)控智能窗戶與傳統(tǒng)熱致變色二氧化釩窗戶的光譜比較

圖3 雙波段調(diào)控智能窗戶的建筑節(jié)能模擬結(jié)果。

  在本文中，作者提出了同時考慮太陽光和長波紅外線兩個波段的理想智能窗戶模型。同時基于此模型設計并制備了雙波段調(diào)控自響應智能窗戶。在建筑節(jié)能模擬中，雙波段調(diào)控智能窗戶顯示出比市售低輻射節(jié)能玻璃更優(yōu)異的節(jié)能效果。本文為智能節(jié)能建筑圍護結(jié)構(gòu)尤其是節(jié)能玻璃的發(fā)展提供了新的思路，為全球的節(jié)能減碳事業(yè)貢獻了了一種獨特的解決方案。

  論文共同第一作者為新加坡南洋理工大學王善成博士，美國懷俄明大學蔣騰耀博士（現(xiàn)工作地址為南京工業(yè)大學）。王善成博士負責進行智能窗戶的制備，表征和性能測試。蔣騰耀博士負責進行建筑能效計算機模擬。通訊作者為新加坡南洋理工大學龍祎博士，美國懷俄明大學譚剛教授和華中科技大學楊榮貴教授。其中，龍祎博士提出了本論文的最初構(gòu)想，并且指導了實驗和窗戶光學性質(zhì)的計算機模擬。譚剛教授和楊榮貴教授指導了建筑能效的計算機模擬。新加坡南洋理工大學孟云博士參與了智能窗戶光學性質(zhì)的計算機模擬計算，對本篇論文亦有貢獻。本篇論文受到新加坡-耶路撒冷希伯來大學聯(lián)合實驗室（SHARE），中新國際聯(lián)合研究院及新加坡教育部科研基金（基金號：RG103/19）提供的資金支持。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg0291

作者簡介

  龍祎博士畢業(yè)于英國劍橋大學，現(xiàn)任新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院高級講師。在職業(yè)生涯早期，她專注于從事科研成果產(chǎn)業(yè)化的工作，曾成功為世界著名的硬盤生產(chǎn)商希捷公司進行學術成果轉(zhuǎn)化。龍祎博士的研究興趣集中在用于節(jié)能和柔性電子領域的功能涂層和功能材料。迄今，龍祎博士作為通訊作者在國際知名期刊如《Science》，《Chemical Society Review》，《Joule》等發(fā)表多篇文章。同時，她主持的研究項目得到了《Nature》雜志，路透社，法新社，新加坡亞洲新聞頻道等80余家國際媒體的專題報道。

  龍祎博士課題組網(wǎng)站：https://personal.ntu.edu.sg/longyi/

  譚剛教授課題組網(wǎng)站：https://www.uwyo.edu/civil/faculty_staff/faculty/gang-tan/tan.html

  楊榮貴教授課題組網(wǎng)站：http://x-thermal.energy.hust.edu.cn/

  王善成博士畢業(yè)于新加坡南洋理工大學，現(xiàn)為新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院龍祎博士課題組博士后研究員。王善成博士的研究方向為智能響應功能涂層在節(jié)能領域的應用。

  蔣騰耀博士畢業(yè)于英國約克大學，現(xiàn)為南京工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院副教授。蔣騰耀博士的研究方向為建筑節(jié)能材料的開發(fā)應用與節(jié)能模擬計算。