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  輻射制冷技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在建筑物節(jié)能冷卻的領(lǐng)域。該技術(shù)通過熱輻射，將熱能發(fā)射到寒冷的太空中，從而降低建筑物制冷能耗。然而，在四季分明的地區(qū)，由于現(xiàn)有材料無法“關(guān)閉”輻射制冷，導(dǎo)致冬季建筑供暖能耗增加。因此，溫度自適應(yīng)輻射制冷調(diào)控成為節(jié)能的關(guān)鍵課題。窗戶作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中能效最低、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部件之一，導(dǎo)致了最高可達(dá)60%的建筑能量損失。因此，提高窗戶的節(jié)能效率，對(duì)于提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體能效具有重要意義�，F(xiàn)有的智能窗戶在太陽(yáng)光透射率的調(diào)控上已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。然而，在智能窗戶領(lǐng)域，與熱輻射和輻射制冷有關(guān)的長(zhǎng)波紅外波段對(duì)窗戶能效的影響卻鮮少受到關(guān)注。設(shè)計(jì)同時(shí)調(diào)控太陽(yáng)光和長(zhǎng)波紅外雙波段的智能窗戶仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。

  近日，南洋理工大學(xué)龍祎與美國(guó)懷俄明大學(xué)譚剛，華中科技大學(xué)楊榮貴合作，提出了同時(shí)調(diào)控太陽(yáng)光波段及長(zhǎng)波紅外波段的理想智能窗戶模型并制設(shè)計(jì)了基于鎢摻雜二氧化釩的熱響應(yīng)雙波段調(diào)控智能玻璃窗。該工作以Scalable thermochromic smart windows with passive radiative cooling regulation 為題發(fā)表在《Science》上。研究團(tuán)隊(duì)指出：理想的智能窗戶需要同時(shí)調(diào)控太陽(yáng)光和長(zhǎng)波紅外線以達(dá)到最佳的節(jié)能效果。在本模型中，太陽(yáng)光（包括可見光和近紅外波段）與室內(nèi)加熱有關(guān)；而長(zhǎng)波紅外線與輻射制冷、熱輻射有關(guān)。在夏季，理想的智能窗戶需要具有低近紅外透過率，從而減少由陽(yáng)光引起的室內(nèi)升溫；同時(shí)具有高長(zhǎng)波紅外發(fā)射率，以促進(jìn)輻射制冷。另一方面在冬季，理想智能窗戶應(yīng)具有高近紅外透過率和低長(zhǎng)波紅外發(fā)射率以促進(jìn)陽(yáng)光透射和減小經(jīng)由窗戶的熱損失。同時(shí)，無論冬夏，智能窗戶均應(yīng)具有一定的可見光透過率以保證采光的需求（圖1）。

圖1 理想智能窗戶模型

  基于這一模型，作者設(shè)計(jì)并利用基于溶液的方法制備了自響應(yīng)太陽(yáng)光-長(zhǎng)波紅外雙調(diào)控智能窗戶（RCRT窗戶）。該窗戶利用熱響應(yīng)鎢摻雜二氧化釩納米顆粒，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,以及氧化銦錫（ITO）涂層構(gòu)成了一個(gè)法布里-珀羅諧振器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于太陽(yáng)光和長(zhǎng)波紅外線的雙波段自響應(yīng)調(diào)控。該窗戶在低溫的長(zhǎng)波紅外發(fā)射率為0.21，與市售低輻射玻璃相近；在高溫時(shí)，該智能窗戶的長(zhǎng)波紅外發(fā)射率增加至0.61（圖2）。同時(shí)，本款智能窗戶的太陽(yáng)能調(diào)制能力（ΔT_sol）為9.3%。在基于自響應(yīng)太陽(yáng)光-長(zhǎng)波紅外雙調(diào)控智能窗戶光學(xué)數(shù)據(jù)的實(shí)際建筑耗能計(jì)算機(jī)模擬中作者發(fā)現(xiàn)：相比于傳統(tǒng)的太陽(yáng)光調(diào)控智能窗戶和市售低輻射玻璃，雙波段調(diào)控智能窗戶在全球各氣候區(qū)，尤其是四季分明的氣候區(qū)，具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。以12層的辦公樓為模型，與市售低輻射玻璃相比，雙調(diào)控智能窗戶可實(shí)現(xiàn)最高達(dá)324.6MJ/m²的制冷/制熱節(jié)能（圖3）。

圖2 雙波段調(diào)控智能窗戶與傳統(tǒng)熱致變色二氧化釩窗戶的光譜比較

圖3 雙波段調(diào)控智能窗戶的建筑節(jié)能模擬結(jié)果。

  在本文中，作者提出了同時(shí)考慮太陽(yáng)光和長(zhǎng)波紅外線兩個(gè)波段的理想智能窗戶模型。同時(shí)基于此模型設(shè)計(jì)并制備了雙波段調(diào)控自響應(yīng)智能窗戶。在建筑節(jié)能模擬中，雙波段調(diào)控智能窗戶顯示出比市售低輻射節(jié)能玻璃更優(yōu)異的節(jié)能效果。本文為智能節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)尤其是節(jié)能玻璃的發(fā)展提供了新的思路，為全球的節(jié)能減碳事業(yè)貢獻(xiàn)了了一種獨(dú)特的解決方案。

  論文共同第一作者為新加坡南洋理工大學(xué)王善成博士，美國(guó)懷俄明大學(xué)蔣騰耀博士（現(xiàn)工作地址為南京工業(yè)大學(xué)）。王善成博士負(fù)責(zé)進(jìn)行智能窗戶的制備，表征和性能測(cè)試。蔣騰耀博士負(fù)責(zé)進(jìn)行建筑能效計(jì)算機(jī)模擬。通訊作者為新加坡南洋理工大學(xué)龍祎博士，美國(guó)懷俄明大學(xué)譚剛教授和華中科技大學(xué)楊榮貴教授。其中，龍祎博士提出了本論文的最初構(gòu)想，并且指導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)和窗戶光學(xué)性質(zhì)的計(jì)算機(jī)模擬。譚剛教授和楊榮貴教授指導(dǎo)了建筑能效的計(jì)算機(jī)模擬。新加坡南洋理工大學(xué)孟云博士參與了智能窗戶光學(xué)性質(zhì)的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，對(duì)本篇論文亦有貢獻(xiàn)。本篇論文受到新加坡-耶路撒冷希伯來大學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（SHARE），中新國(guó)際聯(lián)合研究院及新加坡教育部科研基金（基金號(hào)：RG103/19）提供的資金支持。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg0291

作者簡(jiǎn)介

  龍祎博士畢業(yè)于英國(guó)劍橋大學(xué)，現(xiàn)任新加坡南洋理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高級(jí)講師。在職業(yè)生涯早期，她專注于從事科研成果產(chǎn)業(yè)化的工作，曾成功為世界著名的硬盤生產(chǎn)商希捷公司進(jìn)行學(xué)術(shù)成果轉(zhuǎn)化。龍祎博士的研究興趣集中在用于節(jié)能和柔性電子領(lǐng)域的功能涂層和功能材料。迄今，龍祎博士作為通訊作者在國(guó)際知名期刊如《Science》，《Chemical Society Review》，《Joule》等發(fā)表多篇文章。同時(shí)，她主持的研究項(xiàng)目得到了《Nature》雜志，路透社，法新社，新加坡亞洲新聞?lì)l道等80余家國(guó)際媒體的專題報(bào)道。

  龍祎博士課題組網(wǎng)站：https://personal.ntu.edu.sg/longyi/

  譚剛教授課題組網(wǎng)站：https://www.uwyo.edu/civil/faculty_staff/faculty/gang-tan/tan.html

  楊榮貴教授課題組網(wǎng)站：http://x-thermal.energy.hust.edu.cn/

  王善成博士畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(xué)，現(xiàn)為新加坡南洋理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院龍祎博士課題組博士后研究員。王善成博士的研究方向?yàn)橹悄茼憫?yīng)功能涂層在節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用。

  蔣騰耀博士畢業(yè)于英國(guó)約克大學(xué)，現(xiàn)為南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授。蔣騰耀博士的研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能材料的開發(fā)應(yīng)用與節(jié)能模擬計(jì)算。