随着全球气候变暖越来越明显，节能减排变得越来越重要。而在节能减排中，窗户其实也扮演了一个关键角色：夏天烈日产生的强太阳能辐射会透过窗玻璃使室内的温度升高，冬季室内的热量可以通过窗玻璃释放到外界。通过窗损失的能量可以达到整个建筑物能耗的一半。因此很多科学家将目光放在了窗户之上。
2024 年 5 月 14 日，我国科学家在《自然·可持续性》杂志上发表了一篇关于研制智能节能窗的文章，宣布研制出可以有效降低建筑能耗的电致变色窗。
研究成果发表于《自然可持续性》杂志（图片来源：《自然可持续性》杂志）
智能窗的原理
根据电磁辐射谱的不同，太阳光可以分为可见光、紫外光、红外光等多种波长范围的辐射。在日常生活中，可见光是人眼可以感知的部分，可用于室内的照明。太阳辐射中接近一半的能量位于红外线范围内，红外光部分可用于加热物体。
太阳光频谱，其中红外光处于微波和可见光频率之间（图片来源：Wikipedia）
在这项研究中，科学家们开发出了一种能够有效降低建筑能耗的电致变色窗。这种窗户可以根据室内外温度或太阳辐射等环境变化，自动调节对可见光、近红外光和中红外光的传输和反射特性——换句话说，窗户能智能调整自身的透光性和反射率，从而控制进入室内的光线和热量，最终提高建筑的能源效率。
为了避免室内外环境之间的热交换，研究者将窗设计成室内侧为具有低辐射率 ITO/聚乙烯（PE）基板，此材料能反射大部分外部热辐射，减少其对室内环境的影响。同时，室外侧为具有高辐射率石英基板，此材料能够高效地发射和吸收辐射，因此可以有效的将室内的热辐射发射到外部环境中，从而无需借助空调等外界设备降低室内的温度。
同时，窗内部含有锂离子（Li⁺）和氧化钒/氧化钨（VO2/WO3）材料。氧化钒和氧化钨作为过渡金属氧化物，它们能够在电场的作用下发生可逆的氧化还原反应。通过施加不同的外加电压，Li⁺ 能够分别扩散至 VO₂ 和 WO₃ 层，并结合形成不同的化学物质。
进入 VO₂ 层的 Li⁺ 可以经过化学反应形成四方相 LixVO2，它具有金属相的特性，折射率快速升高，导致近红外光透过率的剧烈变化。而 Li⁺ 进入WO₃ 层形成的 LiyWO3 由于钨离子的还原表现出对可见光和红外部分的吸收，导致透过率快速下降。因此，这两种材料的结合使用，可以实现复杂、多样化的颜色变化效果。
智能窗设计原理图（a.智能窗设计概念；b.装置原理图；c. 加热后检测样品表面温度实验图；d. 加热后不同材料表面温度实验图；e.器件在明亮加热、明亮冷却和黑暗状态下的透射光谱和内外面的中红外发射率）（图片来源：《自然可持续性》杂志）
在寒冷的冬天里，外界的低温会激活材料的亮加热状态——窗户在这种状态下会变得更透明——以促进近红外和可见光的进入。相反，在炎热的夏天，则会启动材料的亮冷和暗状态，其中亮冷是指窗户在这种状态下也保持透明，但主要作用是允许可见光进入，同时减少近红外光（热量）的进入；而暗状态则是指窗户在这种状态下会变得不透明或半透明，以减少可见光和近红外光的进入。
因此，这种窗户可以在供暖和制冷方面节省大量能源，使其成为全球各种气候条件下窗户的可持续选择。研究者利用研制的新型智能窗在户外进行实验。结果表明，与传统的窗相比，新型电致变色结构的窗户可实现全天持续冷却，最高温度降幅可达 14℃。
户外节能性能测试（a. 在中国三亚一所房子的阳台上进行的测量装置；b.环境温度和实时太阳辐照度；c.环境与实验窗之间的温度差）（图片来源：《自然可持续性》杂志）
还有哪些利于节能减排的建筑材料？
进入近现代以来，工程师们就在建筑物中广泛使用各种保温隔热材料，用于建筑物的冬季保暖和夏季隔热，它们其实也能降低能源消耗。这些材料包括矿物棉、岩棉、玻璃棉、泡沫塑料及多孔聚合物、膨胀珍珠岩及其制品、硅酸钙绝热制品和各种复合保温隔热材料等。
此外，工程师们这些年来还在使用各种新型材料，其中包括：
1硅酸盐复合绝热砂浆
这是一种新型墙体保温材料，以精选海泡石、硅酸铝纤维为主原料，经多种工艺深度复合而成。其显著特点是保温隔热性能好，施工简便（直接涂抹），且解决了板材拼接处罩面层开裂的问题。
2水泥聚苯板
由聚苯乙烯泡沫塑料下脚料或废聚苯乙烯泡沫塑料制成，加水泥、水、起泡剂和稳泡剂等材料搅拌、成型、养护而成。具有质轻、导热系数小、保温隔热性能好、有一定强度和韧性、耐水、难燃、施工方便、粘贴牢固、便于抹灰、价格较低等优点。
3“变色龙”建材
科学家设计了一种可以自由变温的智能化“变色龙”建材。这种材料内部含有可以在固体液体两种构象间自由转换的层，分别是可以保留红外能量使温度升高的固体铜和发射红外线使温度降低的电解质水溶液。因此，外界温度变化时，材料内部便可发生化学变化，从而改变材料对于红外热辐射的发射率来实现对温度的调节，可以极大地节省取暖的能耗。
随着科技的进步和人们环保意识的提高，节能减排建筑材料将迎来更广阔的发展前景。我们期待更多创新材料和技术涌现，为建筑行业带来更多可能性。同时，我们每个人也要积极地参与到这个行动中来，为节能减排做出自己的一份贡献！
参考文献
[1]Shao, Z., Huang, A., Cao, C. et al. Tri-band electrochromic smart window for energy savings in buildings. Nat Sustain (2024) DOI:10.1038/s41893-024-01349-z.
[2]Chenxi Sui, Jiankun Pu, Ting-Hsuan Chen, et al. Dynamic electrochromism for all-season radiative thermoregulation. Nat Sustain，6, 428–437 (2023).
[3]张国玉.新型建筑材料在建设工程中应用以及发展趋势[J].江西建材, 2015, 000(022):284-284.DOI:10.3969/j.issn.1006-2890.2015.22.257.
[4]何云富,徐刚,朱俊,等.VO2热色智能玻璃研究进展[J].微纳电子技术, 2008, 45(7):6.DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2008.07.004.
[5]张元元.热色智能玻璃VO2薄膜的制备及性能研究[D].合肥工业大学,2013.DOI:10.7666/d.D425713.
策划制作
出品丨科普中国
作者丨石雾遥 生物学博士
监制丨中国科普博览
责编丨一诺
审校丨徐来、林林