中大新聞網(wǎng)訊（通訊員付俊）建筑能耗約占全球能耗的40%，而窗戶是建筑內(nèi)外能量交換的主要通道。利用智能窗戶調(diào)節(jié)建筑能量交換，是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要手段。國(guó)內(nèi)外科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種智能窗戶，如：熱致變色型水凝膠智能窗戶（Joule, 2019, 3, 290-302），電致變色型鈣鈦礦智能窗戶（Nat. Commun. 2021, 12, 3360），輻射制冷型二氧化釩智能窗戶（Science, 2021, 374, 1501-1504）等。研究和開(kāi)發(fā)“全氣候”型智能窗戶，既能在夏季阻隔過(guò)多的陽(yáng)光直射，又能在冬季降低室內(nèi)熱能的輻射損失，“冬暖夏涼”，不僅有利于顯著改善建筑內(nèi)的舒適性，更有利于節(jié)約能源，促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展。然而，大多數(shù)智能窗戶仍受制于需要供能、工作溫度適用范圍窄、光調(diào)節(jié)能力不足等問(wèn)題。因此，研究可自發(fā)調(diào)節(jié)并適應(yīng)復(fù)雜多變氣候的智能窗戶具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院付俊教授課題組和福州大學(xué)江獻(xiàn)財(cái)副教授課題組合作開(kāi)發(fā)了一種能夠滿足不同氣候條件需要的熱致變色水凝膠智能窗戶，通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)水凝膠的相轉(zhuǎn)變溫度，實(shí)現(xiàn)了不同緯度地區(qū)、不同季節(jié)的室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)。聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）是著名的LCST（低臨界共溶溫度）型聚合物。當(dāng)溫度升至LCST（約32.5℃）以上時(shí)，PNIPAM水凝膠會(huì)由透明態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌该鲬B(tài)。利用這一特性，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入親水性單體N, N二甲基丙烯酰胺（DMAA），與NIPAM共聚（圖1a），在32.5℃-43.5℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)LCST的連續(xù)調(diào)控（圖1b）。當(dāng)溫度低于其LCST時(shí)，P(NIPAM-DMAA)共聚物水凝膠透明度極高，全波段的光透過(guò)率大于91.30%（圖1c），在LCST以上溫度則不透明（圖1d）。
利用一系列P(PNIPAM-DMAA)水凝膠制作智能窗戶，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度響應(yīng)的陽(yáng)光調(diào)節(jié)：當(dāng)環(huán)境溫度高于LCST時(shí)，智能窗戶變得不透明，在全波段范圍內(nèi)阻隔太陽(yáng)光照射（圖2a），有效地減弱了可見(jiàn)光和紅外熱輻射，避免室內(nèi)溫度過(guò)高，調(diào)節(jié)能力可達(dá)88.84%，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)能力的突破（圖2b）。
圖1 熱致變色水凝膠的合成和相轉(zhuǎn)變溫度調(diào)控
圖2 凝膠基智能窗戶的太陽(yáng)光調(diào)節(jié)能力
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多個(gè)城市、不同季節(jié)的室內(nèi)模擬測(cè)試，證實(shí)了該智能窗戶具有室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)能力和建筑節(jié)能效果。選取北京、大連、西安、上海、福州和廣州作為代表性的試點(diǎn)城市，跨越北緯23°N 到40°N，覆蓋了亞熱帶、溫帶、沿海、內(nèi)陸等不同地理和氣候特點(diǎn)，從2021年12月到2022年8月，進(jìn)行了為期九個(gè)月的室內(nèi)模擬測(cè)試（圖3）。在北方，模擬冬季供暖條件，利用智能窗戶的熱致變色效應(yīng)，有效地降低了室內(nèi)熱量的輻射逃逸，表現(xiàn)出優(yōu)異的建筑節(jié)能效果（4.04-4.30 kJ m-3）。在春季，廣州的智能窗戶可將室內(nèi)溫度降低4.0℃左右，并節(jié)能5.14 kJ m-3。在夏季，隨著氣溫進(jìn)一步升高，智能窗戶在所有城市均展現(xiàn)優(yōu)異的溫度調(diào)節(jié)能力（最高可達(dá)7.3℃），其建筑節(jié)能效率可達(dá)9.51 kJ m-3。
圖3 凝膠基智能窗戶用于多地跨季節(jié)溫度調(diào)節(jié)和建筑節(jié)能。
大多數(shù)智能窗戶在工作狀態(tài)下都是不透明狀態(tài)，損失了可視化功能。該團(tuán)隊(duì)提出一種平衡可視功能和太陽(yáng)光調(diào)節(jié)能力的新策略，借助3D打印技術(shù)構(gòu)筑了網(wǎng)格狀或圖案化智能窗戶，首次實(shí)現(xiàn)了具有可視功能和太陽(yáng)光調(diào)節(jié)能力的水凝膠智能窗戶（圖4）。該策略可應(yīng)用于開(kāi)發(fā)具有文化特色的智能窗戶，將窗花、中國(guó)結(jié)和文創(chuàng)作品等文化元素與智能窗戶集成，具有廣泛的應(yīng)用前景。
圖4 (a) 3D打印的圖案化水凝膠凝膠智能窗，(b)兼顧了窗戶可視化和光調(diào)節(jié)，(c)智能窗戶與窗花、中國(guó)結(jié)等文化元素結(jié)合。
該“全氣候型”智能窗戶大大地拓展了應(yīng)用范圍，提升了智能窗戶應(yīng)用于建筑節(jié)能的能力，為開(kāi)發(fā)新一代智能窗戶提供了新的思路，對(duì)于低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。
該項(xiàng)研究以“Printable Thermochromic Hydrogel-Based Smart Window for All-Weather Building Temperature Regulation in Diverse Climates”為題發(fā)表在Advanced Materials。文章的第一作者是中山大學(xué)2021級(jí)博士研究生陳國(guó)旗和福州大學(xué)2020級(jí)碩士研究生王凱，付俊教授和江獻(xiàn)財(cái)副教授為共同通訊作者。中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院為第一完成單位。中科院大連化物所博士研究生孟祥超，北京化工大學(xué)博士研究生楊家輝，清華大學(xué)山西清潔能源研究院黃杰和上海交通大學(xué)博士研究生陳忠奉為室內(nèi)模擬測(cè)試提供了支持。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和工信部的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211716
