南洋理工龙祎、怀俄明大学谭刚、华中科大杨荣贵Science：温度自适应被动辐射制冷智能窗

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辐射制冷技术已被广泛应用在建筑物节能冷却的领域。该技术通过热辐射，将热能发射到寒冷的太空中，从而降低建筑物制冷能耗。然而，在四季分明的地区，由于现有材料无法“关闭”辐射制冷，导致冬季建筑供暖能耗增加。因此，温度自适应辐射制冷调控成为节能的关键课题。窗户作为建筑围护结构中能效最低、结构最复杂的部件之一，导致了最高可达60%的建筑能量损失。因此，提高窗户的节能效率，对于提高建筑围护结构整体能效具有重要意义。现有的智能窗户在太阳光透射率的调控上已经取得了显著进展。然而，在智能窗户领域，与热辐射和辐射制冷有关的长波红外波段对窗户能效的影响却鲜少受到关注。设计同时调控太阳光和长波红外双波段的智能窗户仍然是一个具有挑战性的课题。

近日，南洋理工大学龙祎与美国怀俄明大学谭刚，华中科技大学杨荣贵合作，提出了同时调控太阳光波段及长波红外波段的理想智能窗户模型并制设计了基于钨掺杂二氧化钒的热响应双波段调控智能玻璃窗。该工作以Scalable thermochromic smart windows with passive radiative cooling regulation 为题发表在《Science》上。研究团队指出：理想的智能窗户需要同时调控太阳光和长波红外线以达到最佳的节能效果。在本模型中，太阳光（包括可见光和近红外波段）与室内加热有关；而长波红外线与辐射制冷、热辐射有关。在夏季，理想的智能窗户需要具有低近红外透过率，从而减少由阳光引起的室内升温；同时具有高长波红外发射率，以促进辐射制冷。另一方面在冬季，理想智能窗户应具有高近红外透过率和低长波红外发射率以促进阳光透射和减小经由窗户的热损失。同时，无论冬夏，智能窗户均应具有一定的可见光透过率以保证采光的需求（图1）。

图1 理想智能窗户模型

基于这一模型，作者设计并利用基于溶液的方法制备了自响应太阳光-长波红外双调控智能窗户（RCRT窗户）。该窗户利用热响应钨掺杂二氧化钒纳米颗粒，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,以及氧化铟锡（ITO）涂层构成了一个法布里-珀罗谐振器，从而实现对于太阳光和长波红外线的双波段自响应调控。该窗户在低温的长波红外发射率为0.21，与市售低辐射玻璃相近；在高温时，该智能窗户的长波红外发射率增加至0.61（图2）。同时，本款智能窗户的太阳能调制能力（ΔT_sol）为9.3%。在基于自响应太阳光-长波红外双调控智能窗户光学数据的实际建筑耗能计算机模拟中作者发现：相比于传统的太阳光调控智能窗户和市售低辐射玻璃，双波段调控智能窗户在全球各气候区，尤其是四季分明的气候区，具有显著的节能优势。以12层的办公楼为模型，与市售低辐射玻璃相比，双调控智能窗户可实现最高达324.6MJ/m²的制冷/制热节能（图3）。

图2 双波段调控智能窗户与传统热致变色二氧化钒窗户的光谱比较

图3 双波段调控智能窗户的建筑节能模拟结果。

在本文中，作者提出了同时考虑太阳光和长波红外线两个波段的理想智能窗户模型。同时基于此模型设计并制备了双波段调控自响应智能窗户。在建筑节能模拟中，双波段调控智能窗户显示出比市售低辐射节能玻璃更优异的节能效果。本文为智能节能建筑围护结构尤其是节能玻璃的发展提供了新的思路，为全球的节能减碳事业贡献了了一种独特的解决方案。

论文共同第一作者为新加坡南洋理工大学王善成博士，美国怀俄明大学蒋腾耀博士（现工作地址为南京工业大学）。王善成博士负责进行智能窗户的制备，表征和性能测试。蒋腾耀博士负责进行建筑能效计算机模拟。通讯作者为新加坡南洋理工大学龙祎博士，美国怀俄明大学谭刚教授和华中科技大学杨荣贵教授。其中，龙祎博士提出了本论文的最初构想，并且指导了实验和窗户光学性质的计算机模拟。谭刚教授和杨荣贵教授指导了建筑能效的计算机模拟。新加坡南洋理工大学孟云博士参与了智能窗户光学性质的计算机模拟计算，对本篇论文亦有贡献。本篇论文受到新加坡-耶路撒冷希伯来大学联合实验室（SHARE），中新国际联合研究院及新加坡教育部科研基金（基金号：RG103/19）提供的资金支持。

原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg0291

作者简介

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龙祎博士毕业于英国剑桥大学，现任新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院高级讲师。在职业生涯早期，她专注于从事科研成果产业化的工作，曾成功为世界著名的硬盘生产商希捷公司进行学术成果转化。龙祎博士的研究兴趣集中在用于节能和柔性电子领域的功能涂层和功能材料。迄今，龙祎博士作为通讯作者在国际知名期刊如《Science》，《Chemical Society Review》，《Joule》等发表多篇文章。同时，她主持的研究项目得到了《Nature》杂志，路透社，法新社，新加坡亚洲新闻频道等80余家国际媒体的专题报道。

龙祎博士课题组网站：https://personal.ntu.edu.sg/longyi/

谭刚教授课题组网站：

https://www.uwyo.edu/civil/faculty_staff/faculty/gang-tan/tan.html

杨荣贵教授课题组网站：http://x-thermal.energy.hust.edu.cn/

王善成博士毕业于新加坡南洋理工大学，现为新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院龙祎博士课题组博士后研究员。王善成博士的研究方向为智能响应功能涂层在节能领域的应用。

蒋腾耀博士毕业于英国约克大学，现为南京工业大学环境科学与工程学院副教授。蒋腾耀博士的研究方向为建筑节能材料的开发应用与节能模拟计算。

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