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AM：不同氣候下調(diào)節(jié)建筑溫度的溫敏水凝膠智能窗

文章來源：高分子科學(xué)前沿更新時(shí)間：2023-02-27 15:16:04

熱變色智能窗被廣泛開發(fā)用于調(diào)節(jié)建筑能量交換以節(jié)省建筑能耗。然而，大多數(shù)智能窗具有固定的工作溫度、中等的節(jié)能效率，并且不適合各種（冷和熱）氣候。研究和開發(fā)“全氣候”型智能窗戶，既能在夏季阻隔過多的陽光直射，又能在冬季降低室內(nèi)熱能的輻射損失。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)能力不足等問題。

基于此，中山大學(xué)付俊/福州大學(xué)江獻(xiàn)財(cái)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于水凝膠的可在大范圍內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)溫度調(diào)節(jié)的智能窗，該水凝膠可用于在不同氣候下進(jìn)行全天候建筑溫度調(diào)節(jié)。熱致變色聚（N-異丙基丙烯酰胺-co-N，N-二甲基丙烯酰胺）水凝膠具有較低的臨界轉(zhuǎn)變溫度，將其應(yīng)用于智能窗后可在沒有能量輸入的情況下，全光譜的太陽能調(diào)制率高達(dá)88.84%，固有透射率高達(dá)91.30%。從冬季到夏季，在23°N到39°N的不同城市進(jìn)行了模擬室內(nèi)調(diào)查。

結(jié)果表明，與玻璃窗相比，智能窗在夏季具有強(qiáng)大的太陽能調(diào)節(jié)功能，可將室內(nèi)溫度降低至7.3°C，在冬季具有高效的熱量節(jié)約功能，可節(jié)約達(dá)4.30 J m-3的能源。該工作為低碳經(jīng)濟(jì)的熱變色智能窗提供了一條創(chuàng)新道路。該論文以" Printable Thermochromic Hydrogel-Based Smart Window for All-Weather Building Temperature Regulation in Diverse Climates"為題在Advanced Materials雜志上發(fā)表了論文

水凝膠的合成與表征

作者將親水性單體N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）在25°C下與NIPAM原位自由基共聚（圖1a），生成無規(guī)共聚物P（NIPAM co-DMAA）（PND）水凝膠。LCST（低臨界共溶溫度）值可以通過改變網(wǎng)絡(luò)中的DMAA含量來調(diào)整。制備出的PND水凝膠是透明的（圖1b），與由于疏水性PNIPAM鏈的相分離而在高于其LCST的溫度下聚合的半透明PNIPAM水凝膠相反。DMAA單體增強(qiáng)了親水性（水接觸角34.3°，而PNIPAM為52.7°，圖1e）。改進(jìn)的親水性有助于防止水凝膠在LCST以上的溫度下失水。

圖1 PND水凝膠的熱響應(yīng)太陽能調(diào)節(jié)機(jī)制

溫度高于c時(shí)PND鏈會相變塌陷成疏水微區(qū)。因此，水凝膠智能窗變得半透明（圖1h）。60 ℃時(shí)的水接觸角從25 °C時(shí)的34.3°增加到61.4°（圖1e）。另一方面，PND-0.2（相對于NIPAM重量的20%DMAA）水凝膠網(wǎng)絡(luò)在60 C、孔徑（d）為約60nm至535nm（圖1f）。因此，PND水凝膠的尺寸參數(shù)（πd/λ，其中λ為光波長）在UV、可見光和NIR區(qū)域接近1，這在全光譜中可以有效地散射和阻擋太陽光。這是PND水凝膠智能窗高效太陽能調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。

智能窗戶的制備和性能

如圖2所示，制備的PND智能窗在室溫下是透明的，并且隨著室外溫度從早上8點(diǎn)逐漸升高到中午12點(diǎn)（例如，廣州，6月的晴天），它會變成半透明的（圖2b）。在35至45°C的PND智能窗上的相應(yīng)光譜研究記錄了全光譜透射率從84.54%下降到0.01%（圖2c）。PND智能窗具有高輻射冷卻性能（ε為0.94，45°C），有助于促進(jìn)室內(nèi)溫度的冷卻，降低建筑能耗。

圖2 智能窗的制備和性能

此外PND水凝膠顯示出顯著的抗反射效果，增加了通過智能窗的入射光透射率。通過將PND水凝膠層夾在兩片商用綠色玻璃之間，其透過率lum為85.50%，高于同一雙層玻璃（空氣介于其間）(79.43%）。PND水凝膠智能窗的這種有趣的抗反射效果歸因于其高折射率（1.377），接近玻璃的1.517。因此水凝膠玻璃界面遠(yuǎn)低于空氣玻璃界面，這顯著減少了反射，并增加了透射和窗口的透明度。更重要的是，基于PND水凝膠的智能窗具有長期使用的耐久性。例如，當(dāng)智能窗從冬季到夏季放置在廣州戶外時(shí)，其180天的體積保持率為95.94%（圖2g）。

此外，由于PND智能窗通過改變環(huán)境溫度在“開-關(guān)”狀態(tài)之間反復(fù)循環(huán)切換并且透過率可以響應(yīng)周期的溫度變化。同時(shí)在100個(gè)循環(huán)期間，窗口的亮度保持其原始水平，這表明了極好的再現(xiàn)性（圖2h）。這些結(jié)果表明，PND智能窗對于長期的建筑溫度調(diào)節(jié)是耐用的。

智能窗的室外模擬測試

圖3 智能窗的室外模擬測試

模擬室內(nèi)試驗(yàn)表明，PND智能窗具有顯著的透光率和太陽能調(diào)節(jié)功能，在室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)和節(jié)能方面具有巨大的前景。作者了兩個(gè)隔間的隔熱箱（圖3a），其中一個(gè)測試隔間配有PND智能窗，另一個(gè)控制隔間配有雙層玻璃窗（圖3b）。隔間內(nèi)的溫度通過內(nèi)置熱傳感器進(jìn)行監(jiān)測。

當(dāng)暴露在陽光下1小時(shí)時(shí)，試驗(yàn)室的溫度變化范圍為40.6至44.0°C，遠(yuǎn)低于控制室的45.8-51.6°C（圖3c）。智能窗變得不透明，散射和阻擋入射的陽光，并防止局部加熱。室外測試結(jié)果表明。智能窗顯示出對溫度下降的快速響應(yīng)。例如，測試期間發(fā)生了暴雨，導(dǎo)致環(huán)境溫度下降，PND智能窗經(jīng)歷了快速不透明透明過渡。結(jié)果，測試室內(nèi)的溫度迅速下降（圖3d）。

PND智能窗具有強(qiáng)大的太陽能調(diào)節(jié)和可調(diào)節(jié)功能，在氣候地理分布上對于建筑物溫度調(diào)節(jié)和節(jié)能是高效的。為了證明這一優(yōu)勢，從2021 12月至2022年8月，在北京（116°E，40°N）、大連（121°E、39°N），西安（109°E和34°N）和上海（120°E，30°N）以及福州（119°E）和廣州（113°E或23°N）進(jìn)行了一系列模擬室內(nèi)試驗(yàn)（圖3e）。

其中，PND水凝膠在35°C下通過相分離和通過窗口散射熱輻射變得不透明（圖1h）。同樣，智能窗在北京冬季實(shí)現(xiàn)了2.9°C的顯著溫度調(diào)節(jié)和3.76 kJ m-3的節(jié)能。在所有這些城市中，PND智能窗的隔熱效果是有效的，可實(shí)現(xiàn)2.7-5.6°C的顯著溫度調(diào)節(jié)和3.51-7.52 kJ m-3的節(jié)能（圖3h和3i）。這些模擬室內(nèi)測試結(jié)果證明了PND智能窗在不同氣候的城市中的有效熱調(diào)節(jié)和突出的適用性。

智能窗的應(yīng)用

作者通過3D打印在PND智能窗口中制作出精心設(shè)計(jì)的圖案（圖4a）。這里，PND水凝膠具有剪切變薄行為，如流變學(xué)測量所示。這種剪切變薄和快速恢復(fù)有利于將熱響應(yīng)PND凝膠方便地3D打印成智能窗的各種圖案。通過對PND水凝膠進(jìn)行圖案化，太陽能調(diào)節(jié)和可見度的優(yōu)勢使得能夠設(shè)計(jì)和制造具有多種文化元素的藝術(shù)智能窗。

網(wǎng)格圖案可以用其他圖案代替或裝飾，用于文化展示和廣告。在中國傳統(tǒng)文化中，精心設(shè)計(jì)的紅色基里加米被用來裝飾中國春節(jié)等節(jié)日的窗戶。由于凝膠的出色印刷性能，使用PND水凝膠可以打印出不同的基里加米圖案。用不同染料染色的PND水凝膠被打印成各種設(shè)計(jì)圖案，如紅色基里加米、中國結(jié)和窗戶上的熊貓（圖4i）。對于不同場合具有特定需求的期望圖案可以自由打印，這擴(kuò)展了PND智能窗口的實(shí)用性和功能性

圖4 智能窗的應(yīng)用

總結(jié)：本工作開發(fā)的開發(fā)靈活的熱變色智能窗，可以適應(yīng)不同氣候下的全天候溫度調(diào)節(jié)，可能為未來建筑節(jié)能和低碳經(jīng)濟(jì)開辟新的途徑。

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