邁向綠色未來：節(jié)能熱變色智能窗戶

　　隨著氣候變化的現(xiàn)實日益迫在眉睫,，對節(jié)能解決方案和減少碳排放的需求變得比以往任何時候都更加緊迫。在應對這一全球挑戰(zhàn)的各種方法中，有一種方法因其與我們的日常生活密切相關，即優(yōu)化家庭和工作場所的能源使用。這種方法的基石是節(jié)能技術的發(fā)展，而這一領域最有前途的技術之一就是所謂的智能窗戶。

　　智能窗戶，也稱為可切換或動態(tài)窗戶，代表了建筑設計和能源效率方面的創(chuàng)新進步，其可以徹底改變管理建筑物溫度和能源消耗的方式。這是一種可以根據(jù)特定條件(如溫度、光線或電力)改變其屬性(通常是光傳輸)的窗戶。這種功能使智能窗戶能夠以比傳統(tǒng)窗戶更有效的方式調節(jié)來自太陽的熱量和光線，從而提高建筑物的能源效率。

　　在用于制造智能窗戶的各種技術中，熱致變色窗戶使用一種特殊材料，可以根據(jù)熱量改變其透光特性。當溫度升高到一定程度時，材料會變暗，從而阻擋更多來自太陽的光和熱。這使建筑物更涼爽并減少了對空調的需求。

　　在最近發(fā)表在《先進材料》雜志上的一篇文章(“可打印的基于熱致變色水凝膠的全天候建筑溫度調節(jié)智能窗”)中，中國的一個多學科研究團隊展示了基于水凝膠的新型智能窗戶，具有強太陽能調制和可調轉變溫度(τc)用于不同氣候下的全天候溫度調節(jié)。

　　提出的PND水凝膠的太陽能調制熱致變色機制 來源：Wiley-VCH Verlag

　　那么，基于水凝膠的智能窗戶究竟是如何工作的，其又是如何為節(jié)能目標做出貢獻的呢?

　　這些智能窗戶的基本特征是一種特殊設計的水凝膠，可以對其進行微調以調節(jié)溫度，使其適合在任何氣候下使用。這意味著無論是正在經歷阿拉斯加冬天的寒冷還是中東夏天的烈日，這些智能窗戶都可以適應以確保最佳溫度控制，從而顯著節(jié)省能源。

　　這些熱致變色智能窗戶核心的PNIPAM水凝膠具有高親水性，即其很容易吸水，并且包含特定的微結構，可以強烈調節(jié)或調整其允許通過的太陽能。PNIPAM是一種應用廣泛的負熱敏聚合物，因為其隨著溫度的降低溶解度增加，通過形成氫鍵引起體積相變。目前引起了很多科學研究的興趣。

　　然而，PNIPAM水凝膠在特定溫度(約32°C)下轉變，限制了其在不同氣候下的用途。為了使這些窗戶更加通用，研究團隊通過將PNIPAM與另一種物質結合來調整轉變溫度，這種物質是一種稱為N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)的親水性單體。這種組合形成了一種新型水凝膠(PND)，其轉變溫度可以通過改變DMAA的量來精確控制。這種方法允許將轉變溫度設置在32.5至43.5°C之間的任何位置，使這些智能窗戶能夠適應不同的氣候條件。

　　PNIPAM和PND水凝膠結構示意圖 來源：Wiley-VCH Verlag

　　這種太陽能調制跨越紫外線、可見光和近紅外光，這意味著其可以有效地阻擋陽光，減少晴天時不必要的熱量。

　　這些窗戶的設計在阻擋太陽能透射方面表現(xiàn)出令人印象深刻的效率，減少了高達88.84%。同時，其保持高水平的自然光，允許高達91.3%的陽光通過。此外，其還經久耐用，適合長期使用。

　　從北京到廣州，在幾個不同氣候的城市進行了模擬室內研究，證明了這種窗戶的有效性。結果令人震驚：與標準窗戶相比，這些智能窗戶能夠在夏季將室內日間溫度降低多達7.3°C，從而使每立方米房間體積節(jié)省9.51千焦的能源。

　　此外，這些窗戶在冬季表現(xiàn)出顯著的阻擋熱輻射或熱傳輸?shù)哪芰?，即使與中央供暖系統(tǒng)一起使用時也是如此。這種能力進一步提高了節(jié)能潛力。

　　展望未來，這些窗戶不僅僅是溫度調節(jié)。水凝膠材料的柔韌性允許使用3D打印技術。太陽能調制和可見度是基于PND水凝膠的智能窗戶的主要優(yōu)勢，其提供了廣泛的設計可能性。窗戶可以裝飾或圖案化各種文化元素，包括藝術設計和廣告。例如，這些窗戶可以用紅色剪紙裝飾，這是中國節(jié)日傳統(tǒng)上使用的一種剪紙藝術。

　　正如研究人員在其工作中所展示的那樣，由于PND水凝膠具有出色的可打印性，可以將不同的圖案直接印刷到窗戶上。此外，水凝膠可以用各種染料染色，創(chuàng)造出色彩繽紛的設計，例如中國結和熊貓。這些水凝膠的多功能性允許根據(jù)特定場合或要求進行定制，大大提高了智能窗戶的可用性和功能性。

　　用于平衡太陽能調制和可見度的印刷水凝膠圖案：PND 水凝膠打印的圖案照片：中國傳統(tǒng)紅剪紙、中國結和熊貓。

　　來源：Wiley-VCH Verlag

　　這項技術的一個很有前途的應用是廣告。企業(yè)標志或其他品牌元素可以印在這些智能窗戶上，而不會影響其太陽能調制能力。此外，彩色圖案的水凝膠設計可以快速響應溫度變化，這為這些窗戶增加了另一層交互性。這種新穎的窗戶制造方法擴展了智能窗戶在文化展示和廣告方面的潛力。

　　有了這些開創(chuàng)性的熱致變色智能窗戶，可以設想未來的建筑可以全天候調節(jié)溫度，而不受當?shù)貧夂虻挠绊?。這項技術不僅提高了舒適度和建筑設計，而且顯著有助于節(jié)能，為低碳經濟鋪平了道路。開發(fā)和大規(guī)模采用這種節(jié)能解決方案，可以說是應對氣候變化的一大步。