一、研究背景：

建筑物能源利用效率的優化在很大程度上主導了現代城市可持續發展的進程，其中建筑物的照明、供暖和空調等能源系統占據了全球能源消耗的約40%，很多建筑物的能量會因為建筑窗戶與外界熱交換而大量浪費掉。因此，如何通過窗戶的智能化實現太陽光的調制是建筑物熱能高效利用的一項挑戰。

由環境溫度變化引起自身物理性質變化的二氧化釩材料（VO2）成為實現窗戶智能化的重要手段之一。作為無需人工干預的自響應智能窗，它可以保持可見光不變，僅僅隨溫度變化調節近紅外區域太陽光透射，實現低溫多透光，高溫少透光。

但是，二氧化釩材料的可見光透過率較低，紅外熱能的調控也同步減弱，能源管理效率的進一步提高受到材料物理特性的制約。

二、文章簡介：

近日，復旦大學材料科學系梅永豐課題組受到百葉窗的啟發，利用自卷曲技術將玻璃上的應變二氧化釩薄膜脫附并卷曲成 “葉片”陣列智能窗，通過環境溫度的變化調制智能窗為完全卷曲（“開”），半卷曲（“半開”）和平面（“關閉”）狀態，并實現自響應智能切換，從而在全開狀態大幅提升透光率的同時，以不同的開度實現多程度光透過調制。



三、研究內容：

智能窗工作方式如圖1所示，室溫下（a和b），玻璃表面的二氧化釩薄膜保持卷曲狀態，太陽光中的可見光和近紅外光都能幾乎完全不受阻攔地入射到室內，提高室內溫度和采光度。高溫下（c和d），卷曲二氧化釩薄膜因為相變導致的應變變化而自動展開，鋪平襯底遮擋太陽光中近紅外光的透過，降低室內光熱輻射。這樣的結構設計和工作方式使低溫環境下可以通過更多的透過太陽光輻射來進一步節約室內供暖和采光所需能量，而高溫下又能自發恢復熱輻射阻擋效果來減少室內制冷的消耗。

研究團隊發展的卷曲智能窗在可見到近紅外波段實現了隨溫度改變的多級太陽光透過率調制(e和f)，并得到極高的太陽光調制率（42.14%）和可見光透過率（61.01%），這使得該智能窗具備了在不同溫度，不同氣候，不同時段高效自適應調節室內溫度的能力。

研究團隊利用全球氣候數據庫與模擬軟件，對不同氣候類型的典型城市中裝配卷曲智能窗、平面薄膜智能窗與普通玻璃的房屋進行了全年能耗（包括照明、供暖和制冷）的模擬（g），由于卷曲智能窗具有比較高的太陽光調制率以及低溫下良好的太陽光透過率，無論在常年炎熱的環境還是四季嚴寒的環境，都具有比較優異的節能效果。

該工作將智能二氧化釩薄膜材料的熱致形變能力與熱致色變能力創造性地結合在一起，突破了傳統平面薄膜難以兼顧透光率、節能效率和多環境適應性的難點，為新一代的高效智能窗提供了一種新的可行性思路。



圖1. 低溫下卷曲智能窗的宏觀示意圖(a)和微觀示意圖及相應的SEM圖像(b)，高溫下卷曲智能窗的宏觀示意圖(c)和微觀示意圖及相應的SEM圖像(d)，比例尺：100μm；卷曲智能窗高低溫下的光學照片(e)及其可見光和近紅外光透光率變化(f)；卷曲智能窗和平面薄膜智能窗在不同城市中的年平均節能量模擬對比圖(g)。





審核編輯：劉清