清華新聞網(wǎng)10月22日電 近日，清華大學(xué)化工系張如范團(tuán)隊(duì)在新型建筑節(jié)能技術(shù)開(kāi)發(fā)方面取得重要進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出一套集動(dòng)態(tài)光熱調(diào)控智能窗與選擇性動(dòng)態(tài)輻射冷卻調(diào)節(jié)器于一體的智能節(jié)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了建筑物對(duì)太陽(yáng)光和熱輻射的按需動(dòng)態(tài)管理，為下一代綠色節(jié)能建筑提供了創(chuàng)新解決方案。
建筑能耗在全球總能耗中占比超過(guò)三分之一，其中采暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)是主要能耗來(lái)源。面對(duì)全球氣候變化與能源需求增長(zhǎng)的雙重挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的靜態(tài)節(jié)能材料已難以滿(mǎn)足復(fù)雜多變的環(huán)境需求。張如范團(tuán)隊(duì)著眼于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的透明與不透明部分，分別設(shè)計(jì)了針對(duì)建筑物透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)和非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的智能調(diào)控單元，通過(guò)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)輻射和熱輻射的協(xié)同動(dòng)態(tài)調(diào)控。
圖1.智能一體化節(jié)能建筑的概念設(shè)計(jì)與模型展示
針對(duì)建筑的窗戶(hù)等透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)，張如范團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)光熱調(diào)控智能窗。該智能窗采用全薄膜電致變色器件結(jié)構(gòu)，能夠在不同電壓下實(shí)現(xiàn)“明亮-保溫”“明亮-制冷”“黑暗-制冷”等多種工作模式的快速切換，其對(duì)可見(jiàn)光與近紅外波段透射率的調(diào)制范圍分別高達(dá)92%與82%，可有效控制進(jìn)入室內(nèi)的光線(xiàn)與熱量。通過(guò)獨(dú)特的表面發(fā)射率翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，該智能窗的發(fā)射率可在高值（約0.9，用于輻射制冷）與低值（約0.28，用于輻射保溫）之間轉(zhuǎn)換，紅外熱像圖顯示兩者溫差高達(dá)20℃。在北京夏季的戶(hù)外測(cè)試中，該智能窗的制冷模式可使室內(nèi)溫度比普通商業(yè)窗戶(hù)低約14℃，展現(xiàn)出優(yōu)異的降溫能力。
圖2.動(dòng)態(tài)光熱調(diào)節(jié)智能窗（DPRW）的光譜設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方法及性能表現(xiàn)
針對(duì)建筑的墻體與屋頂?shù)确峭该鲊o(hù)結(jié)構(gòu)，張如范團(tuán)隊(duì)研制了多色選擇性動(dòng)態(tài)輻射冷卻調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器利用磁控濺射制備的納米晶三氧化鎢薄膜，可在中紅外波段的兩個(gè)關(guān)鍵大氣窗口波段實(shí)現(xiàn)高選擇性的發(fā)射率動(dòng)態(tài)調(diào)控。通過(guò)在0-4.5V電壓下進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)從制冷態(tài)到保溫態(tài)的平滑過(guò)渡。此外，該調(diào)節(jié)器的頂層采用彩色紅外透明聚乙烯膜，使器件在呈現(xiàn)藍(lán)、粉、綠等多種顏色的同時(shí)，不影響紅外動(dòng)態(tài)調(diào)控功能，成功兼顧了建筑美學(xué)與節(jié)能效能。
圖3.多色選擇性動(dòng)態(tài)輻射冷卻調(diào)節(jié)器（SDRCR）
為驗(yàn)證系統(tǒng)的廣泛適用性，張如范團(tuán)隊(duì)在不同氣候條件下進(jìn)行了系列戶(hù)外實(shí)驗(yàn)。在北京的夏季，動(dòng)態(tài)光熱調(diào)控智能窗實(shí)現(xiàn)了比普通商業(yè)玻璃低約8-23℃的降溫效果，多色動(dòng)態(tài)輻射冷卻調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了比市售涂料低約2-4℃的降溫效果。在內(nèi)蒙古阿爾山的寒冷夜晚，動(dòng)態(tài)光熱調(diào)控智能窗的保溫模式比其制冷模式的室內(nèi)溫度高約2-4℃。白色動(dòng)態(tài)輻射冷卻調(diào)節(jié)器的室內(nèi)溫度比靜態(tài)白色涂料高約3.7℃。該建筑節(jié)能系統(tǒng)在全球不同氣候區(qū)均表現(xiàn)出巨大的節(jié)能潛力，模擬結(jié)果表明，該系統(tǒng)每年每平方米可實(shí)現(xiàn)高達(dá)99.5MJ的節(jié)能能力。
圖4.動(dòng)態(tài)光熱調(diào)節(jié)智能窗（DPRW）和多色選擇性動(dòng)態(tài)輻射冷卻調(diào)節(jié)器（SDRCR）的動(dòng)態(tài)溫度調(diào)節(jié)戶(hù)外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（晴天，北京）
圖5.動(dòng)態(tài)光熱調(diào)節(jié)智能窗（DPRW）和多色選擇性動(dòng)態(tài)輻射冷卻調(diào)節(jié)器（SDRCR）的戶(hù)外保溫性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（晴朗夜晚，阿爾山）
研究成果以“智能電致變色光熱調(diào)節(jié)用于建筑一體化節(jié)能”（Intelligent Electrochromic Photothermal Regulation for Integrated Building Energy Saving）為題，以研究長(zhǎng)文形式于10月8日發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）。
清華大學(xué)化工系博士后丁一琳為論文第一作者，化工系副教授張如范為論文通訊作者。研究得到中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、彤程青年研發(fā)基金和中國(guó)博士后科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/EE/D5EE02750K
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
