????被動(dòng)式智能窗（包括熱致變色和光致變色智能窗）因其結構簡(jiǎn)單、無(wú)需能源輸入，被認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)調節窗戶(hù)的太陽(yáng)光通量，其中具有散射效應的智能窗戶(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)光調制效果（ΔTsol）方面具有優(yōu)勢，但其散射特性會(huì )影響人們對室外的觀(guān)察。而基于調節對太陽(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，目前大多數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，這些熱量向室內的傳遞會(huì )導致室溫升高，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)熱電轉換發(fā)電。除了對室內溫度的調制，窗戶(hù)還必須提供足夠的室內照明，同時(shí)限制過(guò)高的亮度和局部眩光。
在研究團隊的前期工作中已經(jīng)證明了光致變色智能窗戶(hù)在這方面具有足夠的優(yōu)勢，因為光致變色的觸發(fā)因素是陽(yáng)光強度（Adv. Mater. 2023, 2304910）。日照強度高時(shí)，光致變色智能窗會(huì )處于著(zhù)色態(tài)，防止室內過(guò)亮和眩光；日照強度低時(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(zhù)色并阻隔太陽(yáng)光，會(huì )導致額外的供暖能耗。
翻轉技術(shù)是一種簡(jiǎn)單有效的方法，可滿(mǎn)足建筑物內部不同季節的熱管理需求，并已被廣泛應用于動(dòng)態(tài)建筑圍護結構的研究。通常使用具有完全相反功能的異質(zhì)結構，比如一側具有高太陽(yáng)光吸收率以及低紅外發(fā)射率以滿(mǎn)足利用太陽(yáng)光加熱室內的要求，另一側具有高太陽(yáng)光反射率以及高紅外發(fā)射率以實(shí)現輻射冷卻的目的，通過(guò)對該結構的翻轉實(shí)現不同功能的切換。受翻轉技術(shù)的啟發(fā)，中國科學(xué)院理化所仿生中心江雷院士、王京霞研究員團隊與低溫中心李來(lái)風(fēng)研究員團隊通過(guò)將光致變色薄膜技術(shù)與機械旋轉技術(shù)相結合，實(shí)現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節進(jìn)入室內的可見(jiàn)光，提高日光舒適度，又能調節進(jìn)入室內的太陽(yáng)熱量，降低室內溫度，減少制冷所需的能耗。智能窗的冬季模式只能調節可見(jiàn)光，但即使在著(zhù)色狀態(tài)下，仍允許太陽(yáng)熱量進(jìn)入室內，從而避免了額外的加熱能耗。因此，在季節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使用夏季模式節能效果最多可提高五倍。此外，還驗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Photochromic Thermoelectric Smart Window for Season-Adaptive Solar Heat and Daylight Management為題發(fā)表在Advanced Function 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、譚龍飛研究員，華南師范大學(xué)周?chē)唤淌凇⒑∥母苯淌冢商m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、魏平教授負責了光致變色膜的熱電性能研究。江雷研究員對該課題的開(kāi)展做了關(guān)鍵的指導。該課題獲得了院國際合作項目NWO-CAS 的資助。
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論文鏈接 https://doi.org/10.1002/adfm.202402494
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圖：雙模式光致變色智能窗在(a)冬季模式和(b)夏季模式下的設計和工作原理。(c)安裝了雙模式光致變色智能窗的樣板房在實(shí)地測試中的溫度曲線(xiàn)。(d)北京、阿姆斯特丹、卡爾加里和斯德哥爾摩裝有雙模式光致變色智能窗的辦公室模型在夏季連續模式和切換模式下的年能耗和節能效果模擬。
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