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中科院理化所江雷院士/王京霞團(tuán)隊(duì)與合作者 AFM：在光致變色熱電智能窗方面取得新進(jìn)展
2024-04-09  來(lái)源：高分子科技

  被動(dòng)式智能窗（包括熱致變色和光致變色智能窗）因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需能源輸入，被認(rèn)為是理想的智能窗技術(shù)。而熱致或光致變色智能窗多是通過(guò)提高吸收或散射來(lái)調(diào)節(jié)窗戶(hù)的太陽(yáng)光通量，其中具有散射效應(yīng)的智能窗戶(hù)體系（包括水凝膠、離子液體凝膠和液晶等）在透明度（Tlum）和太陽(yáng)光調(diào)制效果（ΔTsol）方面具有優(yōu)勢(shì)，但其散射特性會(huì)影響人們對(duì)室外的觀察。而基于調(diào)節(jié)對(duì)太陽(yáng)光吸收效果的智能窗材料（包括VO2、鈣鈦礦和WO3等）確實(shí)能保持透視效果。然而，目前的大多數(shù)智能窗材料的研究都傾向于關(guān)注陽(yáng)光的直接透過(guò)率（Tsol），而忽略了窗戶(hù)吸收的太陽(yáng)熱量，這些熱量向室內(nèi)的傳遞會(huì)導(dǎo)致室溫升高，降低智能窗在夏季的能效。因此，可以考慮將這部分能量收集起來(lái)加以利用，例如在冬季加熱房間或通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電。除了對(duì)室內(nèi)溫度的調(diào)制，窗戶(hù)還必須提供足夠的室內(nèi)照明，同時(shí)限制過(guò)高的亮度和局部眩光。


  在他們的前期工作中已經(jīng)證明了三氧化鎢摻雜聚甲基丙烯酸甲酯的光致變色智能窗戶(hù)在這方面具有足夠的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楣庵伦兩挠|發(fā)因素是陽(yáng)光強(qiáng)度（Adv. Mater. 2023, 2304910）。日照強(qiáng)度高時(shí)，光致變色智能窗會(huì)處于著色態(tài)，防止室內(nèi)過(guò)亮和眩光；日照強(qiáng)度低時(shí)，光致變色智能窗會(huì)處于透明狀態(tài)，最大限度地增加日光的進(jìn)入。但是，考慮到能源效率，光致變色智能窗在季節(jié)變化大的氣候條件下并不是最佳選擇。盡管與不使用光致變色智能窗的情況相比，使用光致變色智能窗后每年可以節(jié)約更多的能源，但在冬季，由于光致變色智能窗在晴朗的冬日也會(huì)著色并阻隔太陽(yáng)光，會(huì)導(dǎo)致額外的供暖能耗。


  翻轉(zhuǎn)技術(shù)是一種簡(jiǎn)單有效的方法，可滿(mǎn)足建筑物內(nèi)部不同季節(jié)的熱管理需求，并已被廣泛用于動(dòng)態(tài)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的研究。通常使用具有完全相反功能的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，比如一側(cè)具有高太陽(yáng)光吸收率以及低紅外發(fā)射率以滿(mǎn)足利用太陽(yáng)光加熱室內(nèi)的要求，另一側(cè)具有高太陽(yáng)光反射率以及高紅外發(fā)射率以滿(mǎn)足輻射冷卻的目的，通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)不同功能的切換。受翻轉(zhuǎn)技術(shù)的啟發(fā)，中科院理化所仿生中心江雷院士、王京霞研究員團(tuán)隊(duì)與低溫中心李來(lái)風(fēng)研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)將光致變色薄膜技術(shù)與機(jī)械旋轉(zhuǎn)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光熱功能去耦合的雙模式智能窗，從而提高了光致變色智能窗在冬季的能效，同時(shí)在一年四季都能保持光致變色智能窗提高日光舒適度的效果。智能窗的夏季模式既能調(diào)節(jié)進(jìn)入室內(nèi)的可見(jiàn)光，提高日光舒適度，又能調(diào)節(jié)進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)熱量，降低室內(nèi)溫度，減少制冷所需的能耗。智能窗的冬季模式只能調(diào)節(jié)可見(jiàn)光，但即使在著色狀態(tài)下，仍允許太陽(yáng)熱量進(jìn)入室內(nèi)，從而避免了額外的供暖能耗。因此，在季節(jié)性變化明顯的氣候條件下，使用雙模式光致變色智能窗比單獨(dú)使用夏季模式節(jié)能效果最多可提高五倍。此外，本工作還驗(yàn)證了利用光致變色膜吸收的熱量進(jìn)行發(fā)電的可行性。相關(guān)成果以題為“Photochromic Thermoelectric Smart Window for Season-Adaptive Solar Heat and Daylight Management”發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，該論文第一作者為理化所博士研究生孟維豪，通訊作者為王京霞研究員，李永副研究員。理化所低溫中心李來(lái)風(fēng)研究員、華南師范大學(xué)周?chē)?guó)富教授、胡小文副教授、荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的Albert Schenning教授以及荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Augustinus Kragt博士也參與了該課題的工作。武漢理工大學(xué)的趙文俞教授、魏平教授負(fù)責(zé)了光致變色膜的熱電性能研究。江雷研究員對(duì)該課題的開(kāi)展做了重要的指導(dǎo)和支持。該課題獲得了院國(guó)際合作項(xiàng)目NWO-CAS 的資助。


圖1. Fe-W-PC光致變色薄膜的制備和工作原理。（A）Fe-W-PC膜的葉片涂層制造工藝示意圖：FeCl3/WCl6/N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液和PMMA/1,2-二氯乙烷（DCE）溶液充分混合，然后進(jìn)行刮涂并干燥成膜。（B）透明態(tài)（左）和著色態(tài)（右）的 Fe-W-PC膜照片。（C, D）著色過(guò)程中Fe-W-PC膜的吸收率（C）和透射率（D）光譜。（E）漂白過(guò)程中Fe-W-PC膜的透射光譜。（F，G）Fe-W-PC 薄膜在（F）著色和（G）漂白過(guò)程中的Tlum和Tsol變化。（H）在著色和漂白過(guò)程中，Fe-W-PC 薄膜在1050 nm波長(zhǎng)處的透射率變化。 


圖 2. 雙模式雙層光致變色（DDP）智能窗在（A）冬季模式和（B）夏季模式下的設(shè)計(jì)和工作原理。（C）透明狀態(tài)和（D）著色狀態(tài)下的照片（右圖）。在冬季模式和夏季模式下，窗戶(hù)在陽(yáng)光下的（E）外表面和（F）內(nèi)表面的紅外照片。 


圖 3. DDP智能窗對(duì)室內(nèi)溫度的影響。（A-D）在模擬太陽(yáng)光照射4000秒的情況下，（A）冬季模式、（B）不帶Fe-W-PC膜的冬季模式、（C）夏季模式和（D）不帶Fe-W-PC膜的夏季模式下，裝有DDP窗的樣板房的溫度曲線(xiàn)；（E）在夏季和（F）冬季晴天的實(shí)地測(cè)試中，裝有DDP窗戶(hù)的樣板房的溫度曲線(xiàn)。 


圖 4.（A）帶有熱電器件的DDP窗結(jié)構(gòu)示意圖。(B、C）概念驗(yàn)證演示（B）以及夾在帶或不帶Fe-W-PC膜的典型DDP窗之間的熱電器件的電流-電壓和電流-功率密度測(cè)量圖（C）。 


圖 5. 模擬 DDP 窗的節(jié)能性能。（A）在不同光照強(qiáng)度下，DDP窗戶(hù)在冬季和夏季模式下的Tlum和SHGC變化。（B）安裝了DDP窗的模型辦公室在不同城市的年能耗計(jì)算結(jié)果。條形圖上標(biāo)注了DDP窗戶(hù)在夏季和冬季模式下與不使用Fe-W-PC膜的情況相比的節(jié)能百分比。（C）卡爾加里使用DDP窗的辦公室模型的每月能耗計(jì)算。（D）北京、阿姆斯特丹、卡爾加里和斯德哥爾摩裝有DDP窗的辦公室模型在連續(xù)夏季模式和切換模式下的年能耗和節(jié)能計(jì)算。


  論文鏈接 https://doi.org/10.1002/adfm.202402494

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（責(zé)任編輯：xu）
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