建筑节能减排智能窗的研究进展

万美南,周思宇,缪文冰,3

(1.黄冈师范学院 建筑工程学院,湖北 黄冈 438000;2.黄冈市生态建筑与可再生资源研究中心,湖北 黄冈 438000;3.长江大学沙市附属中学,湖北 荆州 434000)

节能降耗是实现全球可持续发展的战略需要,在能源消耗比例最高的建筑能耗中,玻璃窗由于交换热量而散失能量对建筑能耗的影响最大。因此,一些新型改进的节能窗技术在降低能耗,实现“双碳”目标方面有着至关重要的影响。传统的光谱选择性窗户,通常是使用具有近红外反射(或吸收),同时允许可见光透过的低辐射或阳光控制的涂层。目前广泛使用的LOW-E(Low-Emissivity,低辐射)玻璃[1]在节能降耗方面取得了不错的效果,但是对于不同季节温度的相应调节不够“智能”。而“智能窗户”能够对环境温度做出响应,智能调节进入房间的太阳辐射,因此被认为可以大大减少空调制冷或采暖使用和建筑能耗,从而实现降低碳排放目标。另外,随着科技的发展和社会的进步,智能化的概念已经深入人心,包括建筑领域在内的许多行业都引入了智能化的概念。智能窗(Smart Window或称Intelligent Window),又称可开关窗或动态窗,是一种可根据外部刺激或用户控制改变透明度、透光率和隔热性能的窗户,其作为智能建筑的一部分,也在近年来得到了广泛的研究和应用。本文综述了智能窗的研究现状,包括其定义、分类、应用并展望其未来发展。

1 智能窗的定义和分类

Granqvist[2]提出“智能窗”概念,即一种在玻璃等基材上复合可逆调光材料所构成的调节太阳辐射能透过率的窗户。智能节能窗采用可逆调光的“变色”材料,根据其对外界刺激(如热、电、光照、气体分子、机械作用、磁场等)产生相应的光学性质(透射率、反射率和辐射率等)或颜色状态的变化,实现内部环境温度的可控调节[3-5]。智能窗利用各种可调节光线透过率的智能涂层材料来提供各种功能,包括隐私控制、减少眩光和节能等。这种窗户适用于需要控制室内光线强度和温度的情况,例如在炎热的夏天或寒冷的冬天。根据引起材料变色的驱动类型的不同,智能节能窗材料可分为热致变色(Thermochromic)材料[2,6]、电致变色(Electrochromic)材料[2,7]、光致变色(Photochromic)材料[4,8]、气致变色(Gasochromic)材料[9-11]、力致变色(Mechanochromic/Piezochromism)材料,及磁致变色(Magneto-optical)材料[5]等。目前已有研究的智能窗材料类型如图1所示。不同类型的智能窗中,热致变色智能窗为被动式智能窗户,可自动感知环境温度来响应调节入射光线的透过率和反射率,无需额外的能量驱动;其它智能窗为主动式智能窗户,需要人工操作调节电、气、光、磁场或控制机械作用来运行。

图1 目前已有研究的不同类型的智能窗材料

2 不同类型智能窗研究

2.1 热致变色智能窗

热致变色(Thermochromic)原理主要是根据环境温度来调节窗户对太阳辐射[4](波长集中在190～3000 nm)能量的输入及黑体能量的输出(图2a和图2b)。热致变色材料会在温度变化时改变其透光度、吸光度和颜色。热致变色可以用作被动设计策略,在调节近红外透射率的同时保持可见光透射率,且不需外部能量和人工操作。由此,热致变色智能窗因结构简单,应用前景广阔,成为建筑节能窗研究热点。

图2 (a)和(b)太阳辐射能量分布图[4];(c)热致变色智能窗节能原理示意图

二氧化钒(Vanadium Dioxide,VO2)是一种在智能窗领域备受关注的热致相变材料。VO2的主要特点是:T≈67 ℃时发生可逆的金属-绝缘体(Metal to Insulator Transition, MIT)相变,由此可用来直接做热致变色膜材料。VO2薄膜的金属向绝缘体过渡伴随着近红外区透射率的突然变化:T>67 ℃,四方金红石金属状态,红外透过率大幅度降低,半透明;T<67 ℃,单斜半导体状态,红外透过率很高,透明[12-13]。太阳光约50%的辐射能都集中在近红外波段,刚好处于VO2在相变前后调控太阳光透过率的范围之内。理想情况下,在寒冷的冬季,VO2基智能窗可以使大部分太阳能辐射进入室内;在炎热的夏季,VO2发生相变将近红外光主要反射到室外,防止室内温度升高,如图2c所示。为了将其应用在智能节能窗上,通过掺杂、微观结构调控、复合、杂化等方式均可以降低VO2的相变温度至室温甚至更低。由于无机VO2的相变温度最为接近室温,且相变迅速可逆、重复性好,VO2薄膜为下一代智能调光涂层首选。

VO2薄膜的制备工艺主要有物理磁控溅射法[14-17]、溶胶-凝胶法[18-21]、化学气相沉积法[22-24]、水热法[25-27]和脉冲激光沉积法[28-30]等。国内外的研究者们目前在VO2薄膜的制备、相变机理和改善调光效率等方面做了大量的工作并取得丰硕的成果。但是在实验室转向实际应用中仍面临瓶颈和挑战:VO2相变温度偏高、太阳光调节效率偏低、可见光透过率低、耐候稳定性差、颜色不美观(棕黄色)等[5,31]。对于VO2的改性研究有元素掺杂、多层膜结构设计、微观结构设计等。国内具代表性的研究机构中科院上海硅酸盐研究所金平实课题组[31]在这方面做了大量系统的工作:VO2基智能窗的掺杂、微观结构设计和调控、多层复合、多功能性、工作性能、低温柔性制备、颜色调控以及皮肤舒适性、抗菌性和环境友好性等(图3)。

图3 VO2基智能窗材料研发链示意图[31]

除了VO2智能材料,目前,许多新兴的热响应材料包括水凝胶、离子液体、钙钛矿和超材料等,也应用于热致变色智能窗的研究[4]。

2.2 电致变色智能窗

电致变色(Eleetrochromic)智能窗原理[32]主要是通过改变电压来调节窗户的透射率和颜色等光学性质,从而改变太阳光照射到建筑物中的能量来降低建筑内部能耗。电致变色玻璃[2]是由玻璃-透明导电膜-电致变色膜-电解质膜-离子储存膜-透明导电膜-玻璃构成,电致变色器件(Electrochromic Devices, ECDs)的结构如图4(a)所示。电致变色智能窗一般有两种状态:即光学透过率降低的着色态和光学透过率较高的褪色态。大型全固态器件结构示意图和微观结构及着色态、褪色态照片如图4(b)所示。

图4 (a)ECD基本结构示意图[2,33];(b)大型全固态器件结构示意图和照片[34]

无机电致变色材料由于结构和性能稳定而成为研究热点,它分为阴极和阳极变色材料两大类,前者如WO3、MoO3等Ⅵ族金属氧化物,出现离子嵌入时变色;后者如Ni、Pd、Ir等Ⅷ族金属元素的氧化物,为离子抽出时变色[35]。WO3为最早研究的电致变色材料[7,36],其光学和电化学性能被广泛研究。用来评价电致变色智能窗的性能指标包括:光学响应时间、调制幅度、着色效率和循环稳定性等。通过制造氧空位、异类金属元素掺杂、形貌和尺寸调控、电解质离子筛选、使用固态电解液和复合有机材料等策略有助于提升WO3电致变色性能[7,37]。

传统的电致变色器件为五层结构,WO3作为电致变色层和离子存储层,两者中间为离子传导层,两侧为透明导电层。由于智能窗要求高透过率和连接器件与外电路的透明导电层要求高导电性,一般选用可见光区高透过性的金属氧化物半导体膜作为透明导电薄,如氧化铟锡In2O3∶Sn (ITO),掺氟二氧化锡SnO2∶F (FTO)和铝掺杂氧化锌ZnO∶Al (AZO)等。其中,ITO智能窗户通常与智能建筑系统集成,可以根据外部环境条件、用户需求和能源管理来自动控制窗户的状态。ITO电极在这些系统中发挥重要作用,使窗户具备智能化和可远程控制的功能,极大提高使用者的舒适度和便利性。

V2O5应用于电致变色玻璃时既可以作为电致变色电极也可以作为离子储存电极使用。V2O5固有的层状结构方便自身O原子的得失同时V5+的化合物具有较高氧化性能,具有储存大量电荷的能力,因此V2O5可以作为离子储存材料。此外,V2O5作为一种既能显示阳极着色又能显示阴极着色的氧化物[38],能显示多色变化。随着V的价态变化,VOx颜色发生相应变化:V2+呈紫色,V3+呈绿色,V4+呈蓝色或者黑色,V5+呈淡黄色。V2O5丰富的颜色变换种类特点使得它成为电致变色器件的优秀备选材料。同时V2O5的电化学氧化还原反应能维持光转换期间电致变色工作电极上的电荷转移平衡;在嵌入和抽出离子时它会出现轻微的颜色变化。目前,在综合提高V2O5电致变色薄膜的循环稳定性和响应速率、V2O5离子储存薄膜的循环稳定性和离子储存量等指标上还有诸多挑战。

电致变色需要多层涂层,且需额外的电源系统和其他功能;已有电致变色玻璃的工艺技术相对成熟,但是仍具有挑战:成本较高、性能稳定性不足、寿命较短及难以大面积工业化生产和大范围普及应用[6]。目前准备将大面积电致变色玻璃技术带入市场的公司主要有美国Sage Glass和Soladigm、法国Saint-Gobain、德国E-control-Glass、瑞典Chromogenice AB、日本Asahi Glass和Hitach Chemical等,并已有将电致变色玻璃应用于大型建筑的案例[35]。

2.3 光致变色智能窗

光致变色(Photochromic)智能窗[8,39-41]主要是通过改变光线强度来可逆调节窗户的透明度和颜色(图5a)。已有研究用作光致变色材料(图5b)有过渡金属氧化物(氧化钨、氧化钼、氧化钒、氧化钛和氧化锌)和有机杂化材料,这些材料在无光照时处于原始状态,当受到紫外光或可见光照射时,它们会发生化学反应或结构改变,导致颜色的变化。电荷转移机制、带状结构、结构、形态、成分和制造等因素都会影响光致变色行为。光致变色材料常用于太阳镜、光学镜片和防紫外线涂层等应用中,紫外线光致变色材料对于感知辐射安全限制和预防紫外辐射引起的皮肤癌等疾病非常重要。例如,光致变色窗在紫外线照射下会变暗或变色。它们含有光致变色染料或颜料,在紫外线照射下会发生可逆的化学反应。与有机材料相比,光致变色过渡金属氧化物更具优势。

图5 (a)光致变色智能窗示意图[40];(b)有机和无机光致变色材料[8];(c) 锐钛矿TiO2量子点紫外辐照变色照片[41];(d)光致变色机制示意图[8]

纳米科学和微/纳米制造技术的最新进展改善了光致变色氧化物和杂化材料的性能。面临的挑战包括实现快速、可重复和可逆的光致变色变化,以及在所用材料和所需应用要求之间找到正确的协同作用。

2.4 气致变色智能窗

气致变色(Gasochromic)材料是一种能够在气体环境中发生颜色变化的材料。这些材料可以吸收特定气体分子,并在吸附气体分子后发生电荷或结构的改变,从而导致颜色的变化[10-11]。气致变色材料常用于气体传感器和环境监测等领域。

与标准双层玻璃窗相比,气致变色窗具有改善建筑能效和视觉舒适度的潜力。与电致变色玻璃相比,气致变色(GC)玻璃结构较简单,因为GC材料可直接涂覆在透明玻璃或塑料基板的内表面上,而无需使用透明导电层。典型的GC双层玻璃结构如图6所示。内外两块玻璃板之间的空腔与可以泵入稀释氢气或氧气气体的装置相连。这些GC薄膜通常可分为两类:金属氧化物(如WO3[42]和NiO[43],变色状态见图6b)和金属氢化物(如过渡元素和稀土基合金[44]和镁基合金[45],变色状态见图6c),再加上一层薄薄的钯或铂催化层。当暴露在稀释的H2中时,金属氧化物GC材料会从透明状态转变为“有色”(吸收率较高)状态,而金属氢化物型GC则从“有色”(反射率较高)状态转变为透明状态。

图6 (a)气致变色智能窗组成示意图;(b)金属氧化物和金属氢化物;(c)材料构成的气致变色窗着色和褪色状态示意图

Feng等[10]基于WO3的气致变色(GC)智能窗的构造、光学和热学特性,模拟计算了GC智能窗对商业办公楼能耗的影响,并与目前市场上的各种玻璃系统(包括电致变色EC智能窗)进行了比较。模拟结果表明,夏季炎热和冬季寒冷地区是最适合采用智能窗的试验场地,使用GC智能窗取代单层透明浮法玻璃和彩色吸光双层玻璃单元后,上海地区的暖通空调负荷分别降低了28.4%和11.5%。尽管受着色深度的限制,GC智能窗在哈尔滨的能耗仍低于EC智能窗。此外,根据模拟数据,除非出现极端天气情况,否则无需每小时改变窗户状态。

Liang等[11]新开发了一种综合分析基于Mg-Y的耐用型可切换镜面气致变色(GC)窗在中国五所不同城市气候条件下的模拟分析。研究结果表明,从建筑节能的角度来看,反射状态下透射率过低的Mg-Y薄膜并无益处,而与标准双层中空玻璃相比,透射率相对较高、透射率调制幅度较大的Mg-Y薄膜智能窗的节能效果可达27%。

2.5 力致变色智能窗

力致变色(Mechanochromic/Piezochromic)材料是一种能够在受到力或压力作用下发生颜色或透明度变化的材料[46-47]。这些材料具有特殊的结构或分子(力致变色力敏基团,Mechanochromic mechanophore)组成,当受到力或压力作用时,它们的结构或分子间距发生改变,从而导致外观的变化。力致变色材料常用于应变传感器、压力传感器和智能材料等领域。

由机械响应光学材料制成的力致变色(MC)智能窗可通过简单的机械应变调整智能窗的光学特性。与传统的热致变色(TC) 智能窗和电致变色(EC)智能窗相比,它具有一些独特的优势,如结构简单、成本低、响应速度快等。力致变色智能窗的工作原理较简单:通过机械应变使力致变色材料的表面形态或内部结构发生变形和重构,从而引起可见光的光散射或衍射,进而改变其光学透射率。

力致变色聚合物及复合材料的设计策略如图7所示[47]。在智能窗中利用机械应变来调节光学特性的策略[5]包括表面起皱或屈曲驱动的分层、NPs-基质复合材料以及基里加米倾斜,每种方法都有各自的优点和缺点。根据变形策略的不同,其中一些被设计成在机械应变刺激下可见,而另一些则在应变下不可见。迄今为止,开发的大多数机械应变智能窗都是基于表面不稳定性,如起皱和屈曲引起的分层。要实现机械弹性智能窗商业化,仍具有一些挑战。期待出现通过小应变实现大透光率调制的新方法。另外在设计智能窗户的时候还需考虑循环寿命、稳定性和机械载荷循环下微裂纹的疲劳寿命。

图7 力致变色聚合物和复合材料的设计示意图[47]

2.6 磁致变色智能窗

磁致变色(Magneto-optical)材料[48-50]是一种能够在外加磁场作用下发生颜色变化的材料。这些材料具有特殊的磁光性质,当受到外加磁场作用时,它们的光学性质发生改变,从而导致颜色的变化。磁致变色材料常用于磁场传感器、光学存储器和显示技术等领域。磁致变色智能窗是一种具有可调节光透过性的窗户,其颜色可以根据外界磁场的变化而改变。这种窗户通常由磁致变色材料制成,这些材料在外界磁场的作用下发生结构变化,从而改变其透射、吸收或反射光的特性。磁致变色智能窗的作用原理和改变透射光的效过如图8所示。

图8 (a) 磁致变色智能窗的法拉第效应原理示意图[51];(b) 通过改变磁场与偏振片之间的角度来调节胶体组件透射率的示意图[52];(c) 样品沿不同外磁场方向的透射光谱[52]

磁致变色智能窗的研究进展主要集中在以下几个方面[51-53]:(1)磁致变色材料的开发:寻找新的磁致变色材料以改善窗户的变色效果和响应速度。目前已经发现的磁致变色材料有镍铁合金,铕铁钡钠铝石榴石,稀土金属合金等。(2)结构设计和优化:通过调整磁致变色材料的结构和组分,例如,控制材料的晶体结构、粒径和形貌等因素,以实现更好的变色效果和响应速度。(3)磁场调控技术:开发新的磁场调控技术,包括使用外部磁场、电磁感应和磁性材料等方法以实现对磁致变色智能窗的精确控制。(4)应用研究:研究人员正在探索磁致变色智能窗应用在建筑、汽车和航空航天等领域的应用。

以具有磁致变色效应的镍铁合金[53]为例,当处于磁场中时,这些合金的光学性质,如折射率和吸收率,会发生变化,从而改变其颜色或透明度。镍铁合金的磁学性能可以通过适当的加工工艺来控制,例如大于105的初始磁导率和大于106的最大磁导率,矩形系数Kr约为0或1,矫顽力接近2‰奥斯特等这些优异的磁学性能[10]。镍铁合金可以轧制成薄板或薄片,常用于制造电子元件、电池导体和磁性元件等;镍铁合金还可以通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)等方法制备成薄膜,用于传感器、磁存储和光学镜片等。常用的镍铁合金有1J50、1J79、1J85等。镍铁合金薄膜的应用包括:电磁控制智能窗、遮光智能窗、节能智能窗等。

3 智能窗的应用展望

智能窗是建筑领域智能化发展的重要组成部分,它们在调控阳光照射和紫外线辐射,提供更好的舒适度和健康的室内环境;以及降低空调和暖气的使用,从而节能降耗和减少碳排放方面具有巨大的潜力。此外,智能窗还有助于维护隐私和提高安全性,通过电子窗帘等功能,可以在需要时提供隐私保护。智能窗技术的核心在于材料创新,智能窗的功能主要依赖于窗户玻璃或涂层中的材料,如氧化物薄膜、合金薄膜和光敏材料等,这些材料的研究和开发对于提高智能窗性能至关重要。智能窗技术一直在不断发展和改进,未来有许多令人期待的展望和趋势。

首先,未来的智能窗应该将更加注重能源效率。可以通过智能控制来最大程度地减少采光和热量损失,这将有助于建筑减少能源消耗,降低供暖和冷却成本。另外,智能窗复合太阳能电池也有利于太阳能源的“开源节流”。

其次,智能窗将变得更加控制自动化和智能化。智能控制系统的发展使智能窗可以根据环境条件、时间和用户偏好快速响应并自动调节窗户的透明度、颜色、遮光和隔热性能。机器学习和人工智能算法的应用将进一步提高智能窗的舒适性和便利性。同时,随着技术的进步,智能窗还将在汽车、飞机、火车等交通工具中得到更广泛应用,以提高舒适性和能源效率。

最后,智能窗将与人工智能(Artificial Intelligence, AI)、5G和物联网(Internet of Things,简称IoT)设备整合[54],与其他智能家居设备和建筑自动化系统进行通信,以实现更高级、更安全、更舒适的智能控制和联动。

不过,智能窗技术还面临一些挑战。这包括降低制造成本、材料的生物安全性、提高材料耐久性、改善智能控制系统的可靠性和环境适应性等。解决这些挑战将有助于推动智能窗技术的广泛实际应用。