今年夏天，全國(guó)各地都熱出了新境界。四十多度的高溫里，朝南的房間，白天連窗簾都不敢拉開，否則只有一個(gè)字，熱！
其實(shí)，玻璃窗可以稱得上是建筑物中能效最低的組件了。誠(chéng)然，比起古代的紙窗，玻璃窗在御寒擋風(fēng)的同時(shí)還保證了自然光對(duì)室內(nèi)充分的照明，實(shí)在是偉大的發(fā)明。但與此同時(shí)，玻璃卻又不分冬夏地將室內(nèi)打造成了一個(gè)“溫室”，讓你家的落地窗陽臺(tái)成為桑拿房。這種時(shí)候，就很想跳進(jìn)游泳池泡一泡……
為什么玻璃房這么熱，游泳池里卻很涼快？除了因?yàn)樗谋葻崛莞?，本身溫度就低以外，也因?yàn)樗c玻璃光學(xué)性質(zhì)的不同。對(duì)于玻璃，除了提供照明的可見光之外，近紅外光也會(huì)通過玻璃透射進(jìn)來，讓室內(nèi)升溫，與此同時(shí)，玻璃在中紅外波段的高反射卻又限制了建筑物的散熱，這種“溫室效應(yīng)”加劇了制冷的能耗；而對(duì)于水，則近紅外光的透過率則多得多。
在過去的幾十年里，人們一直致力于操縱窗戶的光學(xué)特性，以節(jié)省建筑物的能耗。比如，給普通玻璃加一層在中紅外區(qū)具有高發(fā)射率（emission）的可見透明涂層，但這樣無法阻擋近紅外光對(duì)室內(nèi)的加熱；又比如 Low-E 玻璃，可以反射近紅外光以減少室內(nèi)熱量，但中紅外光的低發(fā)射率卻會(huì)引起熱量積聚，可見光的低透射率又增加了室內(nèi)的照明需求。有沒有一種玻璃，可以兼具高近紅外光阻擋率和更高的中紅外熱發(fā)射率，同時(shí)保持玻璃的可見光透射率、保證室內(nèi)采光呢？
近期，武漢大學(xué)的劉抗研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種由一層水凝膠和一層普通玻璃組成的新型水凝膠玻璃，研究結(jié)果發(fā)表在《光電子學(xué)前沿》（Frontiers of Optoelectronics）雜志上。與傳統(tǒng)玻璃相比，這種水凝膠玻璃具有更高水平的可見光透射率、更強(qiáng)的近紅外光阻擋和更高的中紅外熱發(fā)射率，從而可以增強(qiáng)室內(nèi)照明并降低室內(nèi)溫度。
水凝膠玻璃制備時(shí)，直接在玻璃表面聚合聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠前體溶液，最終得到如下圖右下角所示的雙層粘合結(jié)構(gòu)，一層為普通玻璃，一層為水凝膠。
水凝膠層由少量交聯(lián)聚合物和大量液態(tài)水組成，因此，它具有與水相似的光學(xué)性質(zhì)，可以讓可見光通過并阻擋近紅外光。并且，水凝膠的透射率可以通過其厚度進(jìn)行調(diào)控，以獲得理想的透射光譜。
為了測(cè)試水凝膠玻璃的光調(diào)制能力，研究團(tuán)隊(duì)將水凝膠層放在商用玻璃封裝的硅太陽能電池上，發(fā)現(xiàn)帶有水凝膠玻璃的太陽能電池比用普通玻璃封裝的電池具有更高的光電流密度和效率；此外，水凝膠層增強(qiáng)了大氣紅外透明窗口內(nèi)波長(zhǎng)的熱發(fā)射率，可能降低太陽能電池在工作模式下的溫度。
隨后，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)寬高均為 20 cm 的小屋模型，安裝水凝膠玻璃和普通玻璃，進(jìn)行戶外實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，晴天時(shí)使用水凝膠玻璃的房屋室內(nèi)照度略高于使用普通玻璃的房屋，室內(nèi)溫度則總是低于使用普通玻璃的房屋。
因此，這種新型水凝膠玻璃窗既可以減少照明的電力消耗，又可以減少制冷設(shè)備的能量消耗。經(jīng)模擬計(jì)算了不同氣候條件下的八個(gè)代表性城市后研究團(tuán)隊(duì)指出，水凝膠玻璃相對(duì)于普通玻璃每年可以節(jié)省 2.37~10.45 MJ / m2 的建筑制冷和照明能量，適用于世界各地的不同城市。
參考文獻(xiàn)
[1] Fu, J., Feng, C., Liao, Y., Mao, M., Liu, H., Liu, K. Broadband light management in hydrogel glass for energy efficient windows. Front. Optoelectron. 15, 33 (2022).
[2] https://www.eurekalert.org/news-releases/962335
研究團(tuán)隊(duì)
（共同）通訊作者 劉抗：武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院 研究員；劉輝東：武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院特聘副研究員
（共同）第一作者 傅佳：武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院 ；馮春早：武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院
論文信息
發(fā)布期刊 Frontiers of Optoelectronics
發(fā)布時(shí)間 2022 年 8 月 5 日
論文標(biāo)題 Broadband light management in hydrogel glass for energy efficient windows
(DOI：https://doi.org/10.1007/s12200-022-00033-4）
本文來自微信公眾號(hào)：我是科學(xué)家 iScientist （ID：IamaScientist），編譯：竹子，編輯：靳小明，排版：尹寧流
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