全球能源日趋紧张，其中建筑物消耗了全球约 40% 的能源，而窗户是能效最低的部件之一，占其能量损失的 60%。
智能窗户是一种由玻璃或等基材和调光材料所组成的调光功能器件。在一定条件（电场、光等）下，这种器件可以改变自身的透明度或颜色，从而选择性的吸收和反射外界热辐射以及阻止内部热扩散，进而调节光强度或室内温度。
面对日益严峻的能源危机、污染、全球变暖等问题，智能窗户迅速成为研究的热点。其中热致变色窗因其结构简单、被动光调制和零能量输入特性而被认为是一种具有成本效益、刺激合理、节能的智能窗。
鉴于此，南洋理工大学龙祎教授、美国怀俄明大学谭刚教授和华中科技大学杨荣贵教授合作使用溶液工艺制备了基于钨（W）掺杂的二氧化钒（VO2）-PMMA（有机玻璃）/间隔物/低辐射堆栈的具有可调的长波红外线发射率（εLWIR）的热致变色智能窗，以满足不同气候区的动态能量需求。窗口的εLWIR调制能力可以通过简单地调整间隔物厚度和VO2重量比和掺杂来调整。在整个建筑的能源模拟中，辐射冷却热致调节（RCRT）窗户在不同气候区显示出比商用低辐射玻璃更高的加热和冷却能源节约。这种类型的技术有可能减少与供暖和制冷相关的碳排放，提高建筑物的可持续性。被动ε LWIR太阳能调制有可能用于广泛的热调节应用，包括窗户、墙壁、屋顶、织物和绘画。相关研究成果以题“Scalable thermochromic smart windows with passive radiative cooling regulation”发表在最新一期《Science》上。
【智能窗户设计】
智能窗的性能指标是光透射率（Tlum）和太阳光透射调制（ΔTsol)，其中ΔT sol定义为低温和高温之间的T sol(0.38至2.5μm)差异（图1A）。研究人员为一个理想的智能窗口提出了一组特性(图1A) ，无论在低温或高温下，其可见光范围(380至780纳米)均应具有透明度Tsol。作者使用接近室温的相变二氧化钒(VO 2)和掺杂的VO 2开发了一种透明的被动RCRT智能窗。近红外光在夏季被阻挡以防止太阳加热，同时可见透明度保持不变（图 1B）。作者使用旋涂来设计和制造了RCRT窗口，导致VO2/间隔物/低辐射堆叠（图1C）以形成法布里-珀罗谐振器。这种谐振器在低温下对LWIR具有低谐振，但由于VO 2的绝缘体到金属的转变，显示出强烈的法布里-珀罗谐振效应，从而大大增强了LWIR吸收。堆叠由VO2纳米复合外涂层（图1D）、PMMA无损间隔层以及两层低的氧化铟锡（ITO）构成，VO2起到Tsol和RC调制的核心功能（图1E）。
图 1. RCRT 窗口的结构和概念
【智能窗户的光学与热性能】
图2A展示了智能窗的光谱，在20°C和90°C下，T lum分别为27.8%和26.1%，ΔT sol为9.3%。RCRT窗口显示出有希望的εLWIR开关性能。在20°C时，多层结构的εLWIR为0.21，并在相变温度（τc）以上增加到0.61，ΔεLWIR为0.40。作为对比，VO 2的光谱图没有RC调节（图2B）给出了32.2%的典型T lum和17%的ΔT sol，但可以忽略不计的Δε LWIR（ε LWIR-L：0.82，ε LWIR-H：0.85）。堆叠设计（图1D）导致有利的ΔεLWIR（图2A）。
作者用红外相机收集了两个样品的图像（图2C），相比之下，没有RC调节的样品显示出比背景更亮的颜色，这进一步表明它在没有结构操纵的情况下无法调节其εLWIR。
图 2. RCRT窗口的光学和热性能
作者进一步通过调整PMMA间隔物的厚度和外涂层中VO2纳米粒子的重量比，系统地研究了RCRT窗口的εLWIR的可调性，展示了三个代表性样品及其光谱，使用不同的εLWIR调制能力，最大Δε（εLWIR-L=0.21和εLWIR-H=0.61），最大ε（εLWIR-L=0.47和εLWIR-H=0.67）和最小ε（εLWIR-L=0.13和εLWIR-H=0.36）（图3A）。
为了评估Tsol和εLWIR在不同气候区中的影响，作者绘制了每个窗口面积的加热和冷却能耗与七个气候区的Tsol(10%至90%)和εLWIR (0.1至0.9)的关系图（图3B）。为了进一步研究RC调控的重要性，作者通过添加映射的加热和冷却来总结总最低能耗，表现最好的静态εLWIR在区域1至4为0.9，在较冷区域6至7为0.1(图3C)。与性能最好的静态样品相比，动态样品(冷却时εLWIR为0.9，加热时εLWIR为0.1)每年可节省124.0 MJ m−2的能量。这一比较表明了εLWIR动态调制窗口能够满足不同气候条件下的节能需求。
最后，作者以典型的12层大型办公楼为模型，对全尺寸建筑进行能耗模拟。作者比较了掺W的max Δε LWIR样品在不同气候区域的节能性能，分别采用商业低能耗窗口和不采用RC调节的常规热变色窗口。本文们的RCRT样品在所有不同的气候区都获得了更高的节能性能基准(图3D)，节能高达324.6 MJ m-2，这进一步表明了窗户中RC调节和太阳能调制的潜在重要性。
图 3. εLWIR发射率调节和 RCRT 窗口的能耗模拟
【总结】
辐射冷却广泛用于墙壁和屋顶，但很少用于窗户，因为窗户是建筑中最不节能的部分之一。研究人员制作了可伸缩的智能窗户，采用在高温(εLWIR-H = 0.61)和低温(εLWIRR-L = 0.21)下提供不同的发射率(ε)的溶液工艺，自动调节辐射冷却，同时保持光透明度和近红外调制。这些被动和独立的可见-近红外-长波红外调节智能窗口能够动态辐射冷却自适应应用在不同的气候区域。
来源：高分子科学前沿
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