可切换太阳透过率的动态气凝胶窗户

论文信息：

Jin Huan Pua, Xiyu Yua, Yuewen Zhao, G.H. Tang, Xingjie Rena, Mu Dua. Dynamic Aerogel Window with Switchable Solar Transmittance and Low Haze, Energy, 129437 (2023).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.129437

研究背景

     透明窗有利于室内采光，但传统窗户的保温隔热性能较差，需要消耗大量的能量来维持舒适的室内温度。二氧化硅气凝胶因其低热导率和高太阳光透过率，显示出作为建筑窗的优异潜力。但在炎热的气候条件下，由于其隔热性和较高的太阳辐射透过率，往往会增加室内冷负荷。

为进一步提高建筑节能效果，获得易于实现的可切换窗户，优选随温度变化而动态改变太阳热量的可切换窗口，即热致变色窗户。其中，基于VO₂的热致变色窗口由于其理想的光学-温度依赖特性而备受关注。

研究内容

 本文将VO₂与二氧化硅气凝胶复合形成动态气凝胶窗，在动态气凝胶窗口中结合节能效果和高清晰度，为节能建筑提供了新的思路。动态气凝胶窗口由VO₂ /SiO₂核壳纳米球随机均匀地分散在二氧化硅气凝胶基质中形成，如图1所示。其中，二氧化硅气凝胶作为窗口基底，核壳纳米球负责根据周围条件调节太阳辐射传输。随着VO₂在金属相和绝缘相之间的切换，动态气凝胶窗口明显改变了太阳辐射在近红外波段的透射率，同时保持了可见光的高透射率。整个工作分为结构依赖的辐射性质计算和光学参数计算。MC方法被用来桥接这两部分以获得表观辐射特性，计算流程图如图2所示。图1 .( a )绝缘相VO₂和( b )金属相VO₂的动态气凝胶窗口示意图。
 接下来，测量了不同W掺杂浓度的VO2薄膜样品的红外反射光谱。当在VO2薄膜中增加W的掺杂量时，实验表明，虽通过改变温度仍然可以实现相变，但相变温度随着W掺杂量的增加而降低。作为一个直接的结果，不同W掺杂浓度的VO2样品的室温实验反射谱表现出不同的行为。具体来说，一旦所有的光谱被绘制到同一个(见图2)图上，不同的反射光谱在光谱特征和幅度上都在某种程度上类似于相变。    图2 .计算过程流程图。
首先，作者结合米氏散射理论和蒙特卡洛（MC）方法，系统地研究了VO2 / SiO2核壳纳米颗粒掺杂的动态气凝胶窗口的辐射特性（图3），接着重点考虑了粒径、内外径比、体积分数和厚度对动态气凝胶窗视觉效果（图4,5,6）和节能性能（图7,8,9）的影响。表1和表2分别列出了0.25 cm厚的动态气凝胶在金属相和绝缘相中的详细光谱特性。    

图3 . ( a )粒径和( b )内外径比对VO₂ /SiO₂核壳纳米球辐射性能的影响。   

图4 .体积分数对( a )明视效率和( b )暗视效率的影响。图5 .内外径比对( a )明视效率和( b )暗视效率的影响。

图6 . 动态气凝胶窗的平均雾度。   

图7 .( a )太阳光加权透过率和( b )太阳光控制能力。图8 .厚度对( a )太阳光控制能力，( b ) - ( c )太阳光加权透过率和( d ) - ( e )平均雾度的影响。

图9 . 气凝胶厚度、体积分数和内外径对( a )太阳光控制能力和( b )、( c )太阳光加权透过率的耦合影响。  

表1 .动态气凝胶的光谱性能研究(金属态)。

表2 .动态气凝胶的光谱特性(绝缘态)。

结论与展望

此工作研究了用于节能建筑的动态气凝胶窗的辐射特性和视觉感受。结合米氏散射理论和蒙特卡罗方法，研究了颗粒粒径、内外径比、体积分数和气凝胶厚度对辐射特性的影响。气凝胶的内外径比为1.33~2.0，外径为5~20nm，气凝胶厚度为0.25~2cm。通过计算气凝胶窗户的室内明视/暗视效率和平均雾度来评估人的视觉体验。结果表明，动态气凝胶窗口几乎不影响人眼对太阳光的敏感度，但降低了视觉亮度。并且动态气凝胶窗口由于几乎没有变化的雾度而保持高透明度。此外，太阳加权透射率和太阳控制能力用于评价动态气凝胶窗的节能潜力。结果表明，厚度为0.25cm的动态气凝胶窗口( fv=0.01% , D/d=2)在保证优异的太阳光传输性能( τ_insul=70%, τ_metal=55%)的同时，实现了124.2 W/m²的能量控制。得益于其优异的温度响应特性，动态气凝胶在智能建筑窗、汽车玻璃和环境传感器等领域具有广阔的应用前景。

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