智能窗户如何实现建筑节能的？

透过阳光明媚的窗户射入的自然光让人感觉非常舒适——直到你眯着眼睛擦去额头上的汗水。你可以关上窗帘或打开空调，但你只能面对一个黑暗的房间或不断上涨的电费。

40年前，人们就想出了解决这个难题的办法——根据个人喜好调整的智能窗户。通过使用特殊的材料来阻挡特定波长的光，这些窗户可以适应天气或你的个人舒适度。太热吗？窗户可以着色以阻挡光线，使房间保持凉爽。太冷？色彩消失，让温暖的自然光加热你的空间。想要一些隐私？有些玻璃一按开关就会变得不透光明了。

在过去的几十年里，智能窗户研究的进步使这项技术远远超出了实验室：到 2028 年，智能玻璃的市场预计将达到 75 亿美元。智能窗户的典型应用类型已经可以在船只、汽车和飞机上找到，并且已经进入部分办公室和机场航站楼等建筑物。支持者表示，假设克服了一些关键挑战，它们有一天可以在提高家庭能源效率方面发挥重要作用。

建筑物占美国能源消耗的 39%，其中 35% 与供暖、通风和空调有关。因为智能窗户可以选择性地阻挡热量或让热量进入，它们可以降低这些能源需求：典型建筑物中大约 35% 的能量通过窗户流失。

但要让智能窗户成为主流——并减少每个人的能源使用，那么价格需要下降。当前设备的成本可能是标准节能窗户价格的 10 倍。让技术更便宜，甚至更智能，是研究人员非常感兴趣的领域。

未来，材料物理学家 Claes-Göran Granqvist 说，“除了这些智能窗户之外，没有任何理由在使用其他窗户。”

智能窗户早在手机和电视被认为是“智能”之前就已经出现了。在 1980 年代初期，来自瑞典查尔姆斯理工大学和加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们正在集思广益地研究制造节能建筑材料的新方法。研究人员提出了一个可以动态改变其色调的响应窗口的想法。作为早期研究的一部分，格兰奎斯特在拨款申请中使用了“智能窗户”一词。这个名字一直存在——第一个智能窗户在 1984 年实现了。

早在手机和电视被认为是“智能”之前，智能窗户就已经出现了。20世纪80年代初，来自瑞典查尔默斯理工大学(Chalmers University of Technology)和加州劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的科学家们正在集体讨论制造节能建筑材料的新方法。研究人员提出了一种可以动态改变颜色的响应式窗户的想法。Granqvist参与了这项早期研究，他在一项拨款申请中使用了“智能窗户”这个词。这个名字被保留了下来，第一个智能窗口在1984年开花结果。

初的原型跨度只有几厘米，玻璃可以从透明到变暗，这一壮举是通过将玻璃、几层材料和透明导体夹在一起来提供微小的电流。电压改变了材料与光相互作用的方式——改变了被反射或吸收的波长。

随着技术的进步，研究人员探索了其他可以操纵光以响应其他提示的物质，例如热、紫外线和磁力。今天，使用了一系列特殊的“智能材料”，研究人员继续研究新的材料。

这些早期的原型使用了“电致变色”材料，这意味着它们对电流或电压的响应是可逆的。电致变色窗口通常有五层，包括作为电极的两层(像电池的正极和负极)和包含离子的内部电解质层。当施加电压时，带正电的离子进入一层，而电子进入另一层。这种反应产生了一种颜色，可以阻挡一些可见光以及热的红外光。这种颜色会一直保持下去，直到另一轮电压触发反反应，提取电子和离子，从而使窗口再次透明。

“这就像电池一样，”瑞典乌普萨拉大学 Ångström 实验室的 Granqvist 说。“你必须投入一些能量来充电，但你可以保持很长时间。”

电致变色玻璃广泛用于智能窗户，已经可以在隐私屏幕、显示面板、船窗、飞机窗户和一些汽车天窗中找到。某些类型的电致变色玻璃在未通电时几乎是不透明的。在这种状态下，玻璃的响应材料，无论是晶滴还是其他悬浮粒子，都乱七八糟地排列着，散射光而不是让它通过，使玻璃变得浑浊。但是用电流击打它，液滴或晶体就会排成一列——使玻璃变得透明。

这些和其他电致变色窗户使建筑物的居住者可以手动控制色调水平，但需要电工正确构建电极阵列和随附的电线，从而使设计和安装复杂化。这使得它的价格比其他一些智能窗户设计要高得多。Granqvist说，另一方面，这种材料相对便宜、廉价且可扩展的生产方法正在出现。

而且电致变色窗还有改进的空间。研究人员继续研究新的响应材料，以提高效率和窗户寿命。例如，科学家们最近在ACS Omega上报告说，与许多现有的电致变色窗口相比，一个含有掺杂有两种其他金属的氧化锡的原型可以阻挡红外线和可见光，持续更多的开/关周期。

另一类响应热而变化的智能窗户称为热致变色窗户，它没有电致变色窗户的复杂接线或电源。材料科学家 Harlan Byker 说，一种长期被研究的热致变色材料是二氧化钒 (VO₂)，他创立了动态窗玻璃制造商 Pleotint 公司。

VO₂具有在更高温度（约 68 摄氏度或 154 华氏度）下变形的能力，从而增加了反射红外光的能力。这允许可见光继续流入，照亮房间，同时降低进入的热量，保持房间凉爽。Byker 说，研究人员可以将特殊物质混合到 VO₂中，使其在较低温度下反射，但这会阻碍其对光的反射——使产品难以从实验室走向商业市场。

下一代热致变色窗户可能会使用不同的材料来吸收光线而不是反射光线，从而随着温度的升高产生连续的色调，类似于电致变色窗户。最近开发的一种物质利用金属离子和其他分子之间的相互作用，在外面很冷时吸收较少的红外线和可见光，从而允许更多的热量进入。当室内更热时，这些材料吸收更多的光，将其相关的热量排除在外。

新加坡南洋理工大学的材料科学家Long Yi表示，每种温度响应材料都会在不同的温度下发生转变，并且看起来或多或少有色——而且都面临挑战。有些，例如一种称为水凝胶的聚合物，非常擅长转移热量，但颜色太不透明而无法透视。其他的，例如 VO₂，足够透明以保证视野，但由于它们也不能反射热量，所以不那么节能。

“没有完美的材料，”Long Yi说。“我们只能为某些应用找到完美的材料。”

一种应用是设计不仅可以散射光而且还可以捕获热量的窗户。例如，Long Yi的实验室正在开发热致变色窗户，它可以储存一天中最阳光充足的时间收集的热量，并在一天中较冷的时间需求和成本较低时释放热量。

他们可以通过将水液体（水和水凝胶的组合）放置在两块玻璃之间来做到这一点。当温度低于 30 摄氏度（86 华氏度）时，水凝胶内的聚合物链会膨胀，从而使玻璃变得透明。超过这个阈值，链条像纸一样皱缩并相互缠绕，形成一种色彩，散射近红外光和可见光。由于混合物中的水可以保持大量热量，因此液体液体会吸收热量，随着时间的推移逐渐释放热量。根据Long Yi 的模拟数据，与双层玻璃相比，这可以减少 35% 的供暖、通风和空调能源需求。

她的最新研究引入了一个双向窗户。2021 年在《科学》杂志上进行了描述，Long Yi 的团队创造了一种窗户——采用节能涂层和 VO₂——它可以阻止热量聚集的红外光进入建筑物，同时让室内热量散发出去，从而在夏季为房间降温。这种机制在冬天随着温度变冷而逆转——这些材料让光线进入并防止室内热量散发出去。Long Yi说，与目前的商用节能玻璃涂层相比，这项新技术可以节省高达 15% 的能源消耗。

研究人员正在开发智能窗户，可以在夏季阻挡热聚集的近红外光进入，同时让热量散发出去（左）；在冬天，这些窗户可以让近红外光进入并防止室内热量向外辐射（右图）。可见光在所有季节都可以通过。图片来源：S. WANG等人 / 《科学》2021

智能窗户可以帮助世界在节能方面取得长足的进步——但是，正如我们看到的电动汽车等其他创新一样，通往绿色未来的道路可能会有些坎坷。

《化学与生物分子工程年度评论》(The Annual Review of Chemical and biommolecular Engineering)上一篇关于智能窗材料的2016年综述指出，智能窗的高昂价格是其向更多领域扩张的主要障碍。例如，电致变色窗户可能比节能窗户贵几倍，因为它们的电力系统复杂，安装过程漫长。虽然热变色窗更便宜，但它们仍然比普通窗户贵。大多数消费者宁愿选择更便宜的选择，即使他们缺乏智能窗户带来的能源效益。

科学家们继续改进技术，但在这一点上，智能窗户的成败在很大程度上取决于经济性。窗户涂料咨询公司 Star Science 的管理合伙人、材料科学家和电气工程师 Carl Lampert 表示，要想让智能窗户大受欢迎，它们的价格需要下降。在政府退税项目中加入窗户——比如节能产品的“能源之星”标志——可能会有所帮助。更好地向消费者介绍新兴技术、性能和节能，也可能提高需求。

研究正在慢慢为更简单、更便宜、更耐用的智能窗户铺平道路，从而降低成本和风险。但消费者可能不得不等待它们：Long Yi 估计新产品离开实验室进入市场可能需要 10 年的时间。

最终，这样的窗口可能会更普遍，被动地适应消费者的需求或响应按钮的按下——就像电视的遥控器一样，Lampert说。他设想了一个未来，他可以要求在家得（Home Depot）宝安装一个智能窗户，而不会引起工人的困惑。其他研究人员也同意：

“动态窗户是不可避免的，”Byker说。“这里有很多初生的痛苦。”

本文作者：Brittney J. Miller

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