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。你可以關上窗簾或打開空調，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——根據個人喜好調整的智能窗戶。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遠遠超出了實驗室：到 2028 年，智能玻璃的市場預計將達到 75 億美元。智能窗戶的典型應用類型已經可以在船只、汽車和飛機上找到，并且已經進入部分辦公室和機場航站樓等建筑物。支持者表示，假設克服了一些關鍵挑戰(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、通風和空調有關。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。當前設備的成本可能是標準節(jié)能窗戶價格的 10 倍。讓技術更便宜，甚至更智能，是研究人員非常感興趣的領域。

未來，材料物理學家 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”之前就已經出現(xiàn)了。在 1980 年代初期，來自瑞典查爾姆斯理工大學和加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室的科學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)改變其色調的響應窗口的想法。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，智能窗戶就已經出現(xiàn)了。20世紀80年代初，來自瑞典查爾默斯理工大學(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。

隨著技術的進步，研究人員探索了其他可以操縱光以響應其他提示的物質，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)和包含離子的內部電解質層。當施加電壓時，帶正電的離子進入一層，而電子進入另一層。這種反應產生了一種顏色，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，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 ?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水平，但需要電工正確構建電極陣列和隨附的電線，從而使設計和安裝復雜化。這使得它的價格比其他一些智能窗戶設計要高得多。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)研究新的響應材料，以提高效率和窗戶壽命。例如，科學家們最近在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/關周期。

另一類響應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雜接線或電源。材料科學家 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生連續(xù)的色調，類似于電致變色窗戶。最近開發(fā)的一種物質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。當室內更熱時，這些材料吸收更多的光，將其相關的熱量排除在外。

新加坡南洋理工大學的材料科學家Long Yi表示，每種溫度響應材料都會在不同的溫度下發(fā)生轉變，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谜业酵昝赖牟牧??！?/p>

一種應用是設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。當溫度低于 30 攝氏度（86 華氏度）時，水凝膠內的聚合物鏈會膨脹，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Long Yi 的模擬數據，與雙層玻璃相比，這可以減少 35% 的供暖、通風和空調能源需求。

她的最新研究引入了一個雙向窗戶。2021 年在《科學》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——這些材料讓光線進入并防止室內熱量散發(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熱量向外輻射（右圖）?？梢姽庠谒屑竟?jié)都可以通過。圖片來源：S. WANG等人 / 《科學》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。

《化學與生物分子工程年度評論》(The Annual Review of Chemical and biommolecular Engineering)上一篇關于智能窗材料的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)復雜，安裝過程漫長。雖然熱變色窗更便宜，但它們仍然比普通窗戶貴。大多數消費者寧愿選擇更便宜的選擇，即使他們缺乏智能窗戶帶來的能源效益。

科學家們繼續(xù)改進技術，但在這一點上，智能窗戶的成敗在很大程度上取決于經濟性。窗戶涂料咨詢公司 Star Science 的管理合伙人、材料科學家和電氣工程師 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、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，從而降低成本和風險。但消費者可能不得不等待它們：Long Yi 估計新產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，被動地適應消費者的需求或響應按鈕的按下——就像電視的遙控器一樣，Lampert說。他設想了一個未來，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

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