华科胡彬&港中文龙祎Advanced Science：光热高效利用材料-增温窗口降低制热能耗实现节能与碳减排

在应对全球气候变化的背景下，建筑节能技术成为减少碳排放的关键领域。据统计，采暖、通风和空调系统（HVAC）占建筑能耗的40%，而传统窗户因热损失严重，贡献了其中的近60%的能量散失。针对高寒地区采暖的特殊需求，华中科技大学胡彬教授与香港中文大学龙祎教授课题组合作在《Advanced Science》发表研究成果，利用氢掺杂氧化铟（IHO）薄膜独特的电学特性设计了增温玻璃，其卓越的光学性能可大幅减少供暖的能耗，并显著降低碳排放，这种最大限度利用阳光能量的特性，也为需要利用光-热协同效应来提升性能的场景（如光热催化）提供了优异的窗口材料。

【研究背景】

传统窗户玻璃虽然对太阳光谱高透过，但其高发射率使建筑中的热能大量散失，尤其在高纬度寒冷区域，如何控制辐射来保温的需求更为突出。通过镀银的低辐射玻璃通过抑制辐射的热损失可以一定程度解决这一问题，但这些传统的低辐射材料也会阻止一部分太阳光谱中用于采暖的近红外光。研究团队指出，与广泛研究的辐射制冷技术（更适用于低纬度炎热地区）不同，高纬度寒冷地区需要的是兼具高太阳光透射率和低中红外热发射率的增温玻璃，但目前已有材料性能无法很好满足这一需求。

图1 高寒地区加热、制冷需求和辐射采暖窗口材料的设计原则

【创新内容】

为解决这一挑战，研究团队基于德鲁德理论（Drude's theory），提出通过抑制掺杂氧化物的电子浓度，同时提升电子迁移率，可以设计兼具太阳辐射高透过与低辐射热损的增温薄膜材料，基于这一材料设计原理，并制备了符合该特性的氢掺杂氧化铟（IHO）玻璃。

图2 具有最佳光谱特性的增温窗口材料设计原理

合作团队基于可工业化的磁控溅射工艺、优化的退火工艺，制备具有2.17×1020cm−3电子浓度和98.3 cm2 V−1 s−1的迁移率的IHO玻璃，结合减反层，展现出83.6%的高太阳光透射率Tsol和0.117的低中红外热发射率εMIR。与商业低辐射玻璃相比，该增温玻璃兼具更高的可见光透过率Tvis、更高的红外光透过率TNIR、更高的中红外反射率RMIR，以及更高的ξ（Tsol/εMIR），为建筑、汽车、光热反应腔室等封闭空间的保温提供了优异的窗口材料。

图3 减反增透IHO玻璃的光热增温特性

【能效与环境效益】

能量模拟结果显示，在高纬度严寒地区，安装这种增温玻璃的典型建筑可使年采暖能耗降低高达6.6%，相当于每平方米减少20.0kg的二氧化碳排放，例如，在芬兰坦佩雷，每年每平米可节省6.4 m3的天然气消耗，其性能超越了已经商业应用的1165种低辐射玻璃。这项技术为寒冷环境的可持续建筑节能提供了重要途径。

图4 增温IHO玻璃的与商用节能玻璃的对比及节能减碳潜力

【展望】

此项无能耗的被动辐射增温玻璃为定制化节能玻璃设计开辟了新思路，特别是在能源需求旺盛的高纬度区域，具有巨大的应用潜力。未来，基于该设计思路寻找更低成本的材料，探索在高效光热利用需求新场景中应用的可行性，是推动这一技术发展的重要内容。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202414192