一、研究背景：

建筑物能源利用效率的優(yōu)化在很大程度上主導了現(xiàn)代城市可持續(xù)發(fā)展的進程，其中建筑物的照明、供暖和空調(diào)等能源系統(tǒng)占據(jù)了全球能源消耗的約40%，很多建筑物的能量會因為建筑窗戶與外界熱交換而大量浪費掉。因此，如何通過窗戶的智能化實現(xiàn)太陽光的調(diào)制是建筑物熱能高效利用的一項挑戰(zhàn)。

由環(huán)境溫度變化引起自身物理性質(zhì)變化的二氧化釩材料（VO2）成為實現(xiàn)窗戶智能化的重要手段之一。作為無需人工干預的自響應智能窗，它可以保持可見光不變，僅僅隨溫度變化調(diào)節(jié)近紅外區(qū)域太陽光透射，實現(xiàn)低溫多透光，高溫少透光。

但是，二氧化釩材料的可見光透過率較低，紅外熱能的調(diào)控也同步減弱，能源管理效率的進一步提高受到材料物理特性的制約。

二、文章簡介：

近日，復旦大學材料科學系梅永豐課題組受到百葉窗的啟發(fā)，利用自卷曲技術將玻璃上的應變二氧化釩薄膜脫附并卷曲成 “葉片”陣列智能窗，通過環(huán)境溫度的變化調(diào)制智能窗為完全卷曲（“開”），半卷曲（“半開”）和平面（“關閉”）狀態(tài)，并實現(xiàn)自響應智能切換，從而在全開狀態(tài)大幅提升透光率的同時，以不同的開度實現(xiàn)多程度光透過調(diào)制。



三、研究內(nèi)容：

智能窗工作方式如圖1所示，室溫下（a和b），玻璃表面的二氧化釩薄膜保持卷曲狀態(tài)，太陽光中的可見光和近紅外光都能幾乎完全不受阻攔地入射到室內(nèi)，提高室內(nèi)溫度和采光度。高溫下（c和d），卷曲二氧化釩薄膜因為相變導致的應變變化而自動展開，鋪平襯底遮擋太陽光中近紅外光的透過，降低室內(nèi)光熱輻射。這樣的結構設計和工作方式使低溫環(huán)境下可以通過更多的透過太陽光輻射來進一步節(jié)約室內(nèi)供暖和采光所需能量，而高溫下又能自發(fā)恢復熱輻射阻擋效果來減少室內(nèi)制冷的消耗。

研究團隊發(fā)展的卷曲智能窗在可見到近紅外波段實現(xiàn)了隨溫度改變的多級太陽光透過率調(diào)制(e和f)，并得到極高的太陽光調(diào)制率（42.14%）和可見光透過率（61.01%），這使得該智能窗具備了在不同溫度，不同氣候，不同時段高效自適應調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的能力。

研究團隊利用全球氣候數(shù)據(jù)庫與模擬軟件，對不同氣候類型的典型城市中裝配卷曲智能窗、平面薄膜智能窗與普通玻璃的房屋進行了全年能耗（包括照明、供暖和制冷）的模擬（g），由于卷曲智能窗具有比較高的太陽光調(diào)制率以及低溫下良好的太陽光透過率，無論在常年炎熱的環(huán)境還是四季嚴寒的環(huán)境，都具有比較優(yōu)異的節(jié)能效果。

該工作將智能二氧化釩薄膜材料的熱致形變能力與熱致色變能力創(chuàng)造性地結合在一起，突破了傳統(tǒng)平面薄膜難以兼顧透光率、節(jié)能效率和多環(huán)境適應性的難點，為新一代的高效智能窗提供了一種新的可行性思路。



圖1. 低溫下卷曲智能窗的宏觀示意圖(a)和微觀示意圖及相應的SEM圖像(b)，高溫下卷曲智能窗的宏觀示意圖(c)和微觀示意圖及相應的SEM圖像(d)，比例尺：100μm；卷曲智能窗高低溫下的光學照片(e)及其可見光和近紅外光透光率變化(f)；卷曲智能窗和平面薄膜智能窗在不同城市中的年平均節(jié)能量模擬對比圖(g)。





審核編輯：劉清