文献前沿丨Nano Energy: 宽带红外热辐射增强协同调节的自适应节能窗

窗户作为建筑主要的能量交换通道，极大地影响着住宅的热舒适度。控制窗户辐射是降低热舒适能耗的有效方法，该策略主要涉及控制太阳光中的近红外辐射和环境中的长波红外辐射，分别起到室内供暖和散热的作用。

低发射率(Low-E)玻璃已被证明可以通过热辐射控制来减少热量损失。然而，由于天气条件的变化，对供暖和制冷的需求不断变化，因此有必要将静态Low-E窗变成动态的。一种解决方案是将Low-E窗户与自适应热致变色技术相结合。宽带动态调制(NIR-LWIR)可以利用太阳的热源和环境的冷汇来辅助室内供暖和制冷，最近引入了基于Fabry-Perot(F-P)辐射制冷器的新型窗户。然而，有限的近红外传输（TNIR）仍然限制了近红外调节范围。

近日，华中科技大学胡彬教授团队开发了一种具有低辐射和高 TNIR 的氢掺杂 In2O3 (IHO) 涂层，并将其应用于自适应辐射热管理 (SRTM) 窗户，以增强近红外调节。与商用低辐射窗户相比，SRTM 窗户降低了每年的供暖和制冷能源成本及全球二氧化碳排放量，可在不同的天气条件下提高建筑物的热舒适度和能源效率。相关工作Self-adaptive energy-efficient windows with enhanced synergistic regulation of broadband infrared thermal radiation发表在Nano Energy期刊。

SRTM 窗户总体概述：

窗户在加热和冷却模式下的理想光谱如图1 a (i) 所示。在冷却模式中，低 TNIR 和高 ε 是首选，因为它们会降低近红外热通量，而增强的辐射冷却会减少室内冷却负荷。相反，在加热模式下，逆光谱（高 TNIR 和低 ε）允许向内太阳能加热，同时减轻向外散热。此外，内部 Low-E 最大限度地减少了室内辐射热损失，如图1 a (ii) 所示。图1 b显示了SRTM窗户示意图，W-VO2、PMMA和顶部IHO（面向室外）分别充当F-P腔的前镜、垫片和后镜。底部IHO（内侧）用于室内辐射隔热。SRTM 窗户中的动态模式转换是通过 VO2 的热致变色实现的。在炎热的天气（冷却模式），金属状态的 VO2会阻挡近红外辐射。金属 VO2 的长波红外反射率与 IHO 一起使 F-P 谐振器能够工作，从而增强窗户外表面的发射率。相反，在寒冷的日子（加热模式），绝缘状态的VO2在NIR和LWIR范围内表现出更高的透明度，允许大多数NIR辐射通过。在这种情况下，由于 IHO 层的Low-E特性，窗户的发射率会降低。

SRTM窗户的光学和热特性:

IHO层是通过磁控溅射工艺制备的。通过改变后退火温度来调整它们的光学性能。在300℃退火10分钟后，300 nm IHO层的TNIR从67.6%增加到79.5%，同时保持0.13的低ε值（图2 a）。对于 IHO，TNIR 的增加伴随着载流子密度从 3.20 × 1020cm-3 减少到 1.96 × 1020 cm−3，霍尔迁移率从50 cm2⋅V−1⋅s−1 增加到96 cm2⋅V−1⋅s−1。根据第 2.2 节，载流子密度的降低通过使图2b中可见的“德鲁德边缘”红移对 TNIR 产生积极影响。实验选择最佳的300 nm厚IHO。如图2c所示，该300 nm IHO薄膜的光学特性与模拟结果非常一致（μ = 96 cm2⋅V−1⋅s−1, n=1.96 × 1020cm−3）。同时，与ITO玻璃相比提高了27.8%（TNIR = 62.2%，ε = 0.13）。此外，采用相同参数制备双面IHO玻璃。用于隔热的室内侧IHO略微降低了Tsol（从 79.8% 至 73.3%）和Tlum（从 81.3% 至 76.5%），同时将 TNIR 保持在 77.4%，超过了ITO对应产品的50.8% TNIR（图2d）。双面IHO玻璃的可调节NIR 功率 (ΔPNIR) 最高可达353.3 W⋅m−2，与 ITO玻璃相比，增强了52.4 % (121.5 W⋅m−2)。这进一步促进了基于IHO的SRTM窗户的NIR调节（ΔTNIR 10.9 %，ΔPNIR = 46.7 W⋅m−2），比基于ITO的SRTM窗户提高了70 %（ΔTNIR = 6.4 %；ΔPNIR = 27.4 W⋅m−2)，同时保持可接受的Tlum ~ 31.5 %。

为了满足实际应用，通过调节钨掺杂浓度将VO2纳米颗粒的相变温度调整至29.3℃。所制备的W-VO2 纳米粒子表现出约50 nm的均匀尺寸分布。由于W-VO2纳米颗粒的可见光吸收，制备了不同W-VO2溶液浓度的样品以权衡ΔTNIR和Tlum。随着浓度从0.02g/mL增加到0.1 g/mL，Tlum从75.1%下降到12.7%，ΔTNIR从3.1%增加到12.7%（图2d）。然而，随着浓度进一步增加至0.15 g/mL，Tlum (15.5 %) 和ΔTNIR (12.2 %) 同时降低，这可能是由于较高浓度的W-VO2 纳米颗粒分布不良所致。因此选择 0.1 g/mL W-VO2 溶液用于 SRTM 窗户的制造。

PMMA的厚度显着影响F-P腔内的长波红外吸收。εcold随着垫片厚度的增加而增大，而εhot则先增大后减小。在 PMMA 厚度约为 100 nm（样品 1）和 ~ 550 nm（样品 4）的样品中观察到了εcold的下限和 εhot 的最大上限（图2f）。最大调节范围 (Δε = 0.26) 由 PMMA 中值厚度 (~ 400 nm) 的样品3给出，在热致变色位移中从 εcold=0.47 过渡到 εhot = 0.73（图 1 c (ii)）。这些特性偏离了同时实现最小εcold、最大εhot和最大Δε的理想情况，表明需要更精细的设计来权衡发射率。

本文在FDTD模拟中，首先模拟了VO2的影响。如图3a所示，SRTM窗户增加的VO2厚度导致Tlum显着降低，但ΔTNIR从4.8％增加到12.3％。值得注意的是，Δε 从0.56下降到 0.07。发生这种现象的原因是，在寒冷条件下，由于绝缘 VO2的高长波红外透明度，εcold 几乎恒定。SRTM 中模拟的Tlum、ΔTNIR和Δε的关系如图 3b 所示。据观察，较厚的VO2被证明对ΔTNIR有利，尽管以牺牲Tlum和Δε为代价。模拟的SRTM 窗户具有可接受的Tlum (27.8%)，显示ΔTNIR为7.7%，Δε为0.36，接近实验结果。

高透明PMMA对Tlum和ΔTNIR影响不大，但影响LWIR吸收。随着 PMMA 厚度从0.1 μm 增加到3 μm，绘制了SRTM的光谱发射率（εcold 和 εhot）。由于PMMA不是理想的无损垫片，SRTM的ε冷随着垫片厚度的增加而不断增加（图3c）。由于共振效应增强，εhot 最初增加，后随着PMMA厚度偏离最佳谐振区域而下降（图 3d）。为了合理地多层组合，建立了εcold、εhot和Δε之间的总体关系。（图3e）

本研究通过现场测试研究了SRTM窗户在实际室外条件下的性能。由于其无阻挡的NIR 透射率和Low-E特性，采用IHO玻璃的测试模型表现出最高温度约 34 ℃。令人惊讶的是，VO2 样品表现出与透明玻璃样品相当的内部温度，并且由于第二次辐射的负面影响，在较强的太阳辐射下偶尔会超过它。相比之下，即使在中午12-13点的强照射下，处于冷却模式的SRTM样品仍保持最低温度，比 VO2 样品低约 2 ℃。傍晚（16–18点），随着太阳辐照度的下降，所有样本的温度均下降。VO2和透明玻璃样品的红外热调节能力较差，其稳定温度最低，比环境温度低约 2.6 ℃。相反，在室内侧低发射率的情况下，SRTM 和 IHO样品具有较高的稳定温度，比VO2和透明玻璃样品高约 2 ℃。具体而言，与 IHO 样品相比，加热模式下的 SRTM 样品显示出更温和的温度下降，最终达到略高的稳定温度。这是由于 SRTM 玻璃的两侧具有较低的发射率，从而与没有室外表面辐射发射率调节的 IHO 样品相比，抑制了不需要的室外表面辐射冷却。

SRTM窗的节能性能仿真:

为了进一步评估STRM窗户的全球节能潜力，本文模拟了其节能性能。根据图4b，配备商用Low-E窗和我们的SRTM窗的建筑物与传统玻璃窗相比，显著降低了冷负荷和热负荷。Low-E窗可节省160~1082MJ⋅m−2，SRTM窗可节省351~1314 MJ⋅m−2。得益于动态宽带红外管理，SRTM窗显示出更大的节能潜力，比Low-E窗节省19.8%。这一增强的性能使SRTM窗户成为可持续碳中和的重要贡献者，与Low-E窗户相比，潜在的等值CO2排放量每年减少14-244 t (图4 c)。

总结：本文通过采用近红外透明掺氢In2O3（IHO）作为功能层（ε = 0.13，TNIR = 79.8％），提出了一种基于法布里-珀罗谐振器的宽带自适应辐射热管理（SRTM）窗户。与常见的基于氧化锡 (ITO) 的对应物相比，基于 IHO 的 SRTM 窗户的近红外功率调节能力 (10.9%) 增强了70%，而发射率调节能力仍保持不变 (0.26)。与全球传统低辐射窗户相比，它对节能做出了重大贡献，每年可节省能源20% (411 MJ⋅m−2) ，并减少244 吨/年的二氧化碳排放量。

论文信息：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110023.

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