【前沿背景】

2018年，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）將全球變暖津貼從2°C降低到1.5°C，以警告氣候變化的緊迫性，強調了節能和碳減排的重要性。建築部門消耗約40％的總能量，而採暖，通風和空調（HVAC）消耗建築物中一半的能量。為了解決這個問題，提高建築物的能效對節約能源至關重要。

窗戶被認為是建築圍護結構中能耗最低的部分。在炎熱的季節，大部分靠窗戶引導的太陽能將轉化為熱量並導致較高的製冷需求，而在冬季，窗戶則造成了30％的能量損失。研究最多的節能視窗集中在顯色技術上，包括電致變色，光致變色和熱致變色。生色材料的例子包括水凝膠和液晶。在三種材料中，熱致變色材料被認為是最具成本效益，合理的刺激和零能量輸入特性。然而，由於常規熱致變色材料的固有侷限性，進一步提高其節能能力是不可避免的挑戰。

【科研摘要】

常規的智慧窗戶僅調節太陽能的傳輸。先前，新加坡南洋理工大學龍禕（畢業於劍橋）教授團隊首次透過將水凝膠衍生的液體捕獲在玻璃杯中，開發出了高熱能儲存的熱響應智慧窗戶（HTEST智慧窗戶）。出色的熱響應光學效能（90％的透光率和68.1％的日光調製率）以及出色的液體比熱容使HTEST智慧窗具有出色的節能效能。模擬表明，與新加坡的普通玻璃相比，HTEST窗戶可以減少44.6％的採暖，通風和空調（HVAC）能耗。在戶外演示中，HTEST智慧視窗在夏季白天顯示出令人鼓舞的節能效能。與需要昂貴裝置的傳統節能眼鏡相比，這種熱響應液體陷獲結構提供了一種易於製造，良好均勻性和可擴充套件性的破壞性策略，以及隔音功能，為節能建築和溫室開闢了道路。

【科學創新】

熱致變色窗自動響應溫度，僅調節太陽光的透射。該工作介紹了一種結合了良好的熱致變色效能和大的熱能儲存能力的智慧窗戶。在較低的溫度下，窗戶是透明的，可以讓太陽透過。加熱後，窗戶會自動擋住陽光，以切斷太陽能。附加的儲熱功能進一步降低了能耗，並將電力負荷高峰轉移到較低的價格週期。這是第一款具有熱響應性的液體封裝的窗戶面板，提供了一種即席即用的策略，具有易於製造，良好的均勻性，可擴充套件性和隔音的獨特優勢。

【重點強調】

具有出色的熱致變色效能的充滿液體的智慧窗戶

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強大的儲熱能力，可改變用電高峰

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結合太陽能調節和儲熱以減少建築能耗

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隔音功能比雙層玻璃更好，可擴充套件性好

【圖文解析】

1. 智慧窗戶機理

所有研究的智慧窗戶僅調節光的透射。但是，房屋的加熱和冷卻要複雜得多。高熱能儲存（TES）材料被廣泛用於牆壁，地板和屋頂，因為它們可以減少製冷/加熱負荷並將能源負荷轉移到低價時期。TES材料根據其熱能儲存原理可分為顯熱材料，潛熱材料和化學儲熱材料，為了確保效能穩定和令人滿意，TES材料必須具有良好的比熱容。良好的比熱容量確保TES材料能夠儲存大量的熱量，而相對較高的導熱率則可以使儲存在材料中的熱量均勻分佈，並提高儲熱效率。此外，TES材料還需要滿足一些物理要求，例如高迴圈穩定性，無腐蝕性和低系統複雜性。大多數建築材料（例如木材，金屬，玻璃和混凝土）的TES通常較低，在10°C–70°C範圍內小於100 kJ kg-1（圖1A）。一些可商購的高TES材料包括石蠟，脂肪酸和無機鹽（一種相變材料（PCM）），由於缺乏透光性而不適用於玻璃，這對窗戶至關重要。

圖1 HTEST 智慧窗戶的概念和照片

作者開發了革命性的高能量儲存熱響應智慧窗（HTEST智慧窗），該窗利用了高太陽能調製以及富含水的熱響應液體（TRL）固有的高TES能力，而該水是從常規水凝膠衍生而來的。如圖1B所示，設計的HTEST視窗具有分散在水中的聚（N-異丙基丙烯醯胺）（PNIPAm）水凝膠顆粒，它們被困在兩層玻璃之間。常規的熱響應水凝膠為凝膠形式，並層壓在玻璃之間，僅用於調節透光率。新開發的TRL在較低的臨界溶液溫度（LCST）下經歷了與常規水凝膠相似的親水至疏水轉變;在LCST下方，水分子位於PNIPAm大分子內，該分子具有很高的透明度，從而使高的太陽能透過率能夠在冬季加熱房間。一旦加熱到LCST以上，水分子就會從PNIPAm中釋放出來，收縮顆粒將導致光散射（圖1C）。作者採用了TRL的新形式，將其用作能量儲存層，並具有吸收和儲存能量的附加功能。液相具有易於製造的獨特優勢（只需將其倒入雙層玻璃即可，圖1D），並且具有放大和均勻化的巨大潛力（圖1E），這在常規的電子玻璃作為昂貴的設定是必須的。

2. TRL的光學和熱學性質

圖2A顯示了TRL在20°C和60°C時的厚度分別為0.1-mm、1-mm和1-cm的透射光譜。在室溫下，由於PNIPAm聚合物纖維很細且很細長，所以所有樣品都顯示出很高的Tlum值。另一方面，IR的透射率隨著樣品厚度的增加而逐漸降低。室溫下0.1 mm樣品的紅外透射率（TIR）為77.0％。隨著厚度的增加，1 mm和1 cm樣品的TIR分別降至67.0％和47.3％。圖2B和2C總結了不同厚度樣品的光學性質。可以觀察到，隨著厚度的增加，發光，紅外和太陽波長的透射率調製能力都在增加（圖2B）。例如，0.1-mm樣品的ΔTlum為約15％，而1-cm樣品的ΔTlum則顯著增加至約90％。同時，0.1mm TRL的ΔTsol僅為11.3％，而對於1-cm TRL的ΔTsol則大大提高至68.1％。因此，1釐米樣品顯示出比1毫米樣品和0.1毫米樣品更高的透射率對比度。與透射率調製能力相似，當樣品變厚時，反射率調製能力會增強（圖2C）。

圖2 TRL的光學和熱學性質

圖2D顯示了在20°C和60°C下不同厚度樣品的光學照片。光學照片與光譜一致：在低溫下，所有樣品都是透明的，透光率不受厚度的影響。另一方面，當溫度高於LSCT時，對於0.1-mm的樣品沒有觀察到明顯的透射率變化。相反，1-mm樣本變成半透明，而1-cm樣本變成不透明，而1-cm樣本下面的花朵變得不可見。因此，透過改變溫度和厚度來調節TRL的熱響應光學性質。

3. HTEST智慧窗設計與節能示範

透過以上討論，TRL顯示出優異的光調節能力以及良好的能量儲存效能。HTEST智慧窗戶在不同條件下的工作原理如圖3A所示。在夏季的早晨和晚上，環境溫度不足以觸發HTEST視窗的相變。因此，光線（圖3A中的黃色箭頭）將透射到房間，並且窗戶將保持透明狀態。同時，由於足夠的採光，可以在早上節省人工照明用電。同時，由於TRL的良好儲能特性，周圍的熱量（圖3A中的紅色箭頭）很難傳遞到室內。結果，房間將保持在較低的溫度。夏季接近中午，室外溫度達到一天的最大值，高於HTEST智慧視窗的LCST。隨後啟用相變，並且視窗變為半透明/不透明，以防止陽光進一步加熱房間。同時，熱量進一步儲存在TRL中，並阻止熱量進入房間。儲存在液體中的熱量隨後釋放，這改變了冷卻負荷的峰值。另一方面，窗戶在冬季將全天保持透明，以確保陽光能夠透射到室內以供加熱和照明。基於這樣的工作原理，HTEST智慧窗戶能夠透過切斷製冷能耗來減少建築物的HVAC能耗，並提高住宅的熱舒適度。為了進一步研究HTEST智慧窗戶的效能，進行了室內溫度測試作為概念驗證。

圖3 HTEST 智慧窗戶的節能演示

將四個樣品，即普通玻璃板（作為基線），1-cm DI陷水玻璃板，1-mm和1-cm TRL陷井玻璃板安裝到四個玻璃房（20 cm×20 cm×30 cm）上以研究溫度變化。為了更系統地研究HTEST智慧窗的節能能力，增加了1-mm厚樣品的PNIPAm顆粒濃度，使其具有與PST相似的太陽透射率和光響應（Tsol-1mmTRL = 3.7％）。厚1釐米的樣品（Tsol-1cmTRL = 1.6％）（圖3C），與其他樣品組玻璃（Tsol-glass = 85％）和1釐米水（Tsol-1cmwater = 72％）的樣本。在測試期間，分別記錄了窗戶內表面的溫度（位置A）和盒子的幾何中心的空氣溫度（位置B）。圖3D顯示了四個樣品在位置A處的溫度曲線。在四個樣本中，厚度為-mm的液體視窗和普通玻璃的最高表面溫度分別為90°C和88°C。1-cm厚的水和1-cm TRL樣品的記錄溫度分別為46°C和42°C。在兩組樣品上觀察到超過40°C的溫差。由於窗戶的內表面溫度主要受窗戶上積聚的熱量和透過窗戶傳遞的熱量的影響，因此水和玻璃的Cp值之間的較大差異（4.2與0.84 kJ kg-1 K-1）表明：透過太陽輻射積累的熱量更多地儲存在富含水的材料中。

圖3E描述了四個溫室的溫度（位置B）和照射時間之間的關係。在關閉太陽能模擬器的燈之前，裝有普通玻璃的盒子中的最高氣溫為57°C。相反，對於1-mm TRL，則為45°C；對於1-cm水，則為43°C。與普通玻璃面板相比，1-mm TRL樣品的降低幅度超過10°C，這在很大程度上歸因於太陽能傳輸率的大幅降低（85.0％對3.7％）（圖3C）。

參考文獻：

doi.org/10.1016/j.joule.2020.09.001