中国建筑能耗与碳排放研究取得新进展

2022-04-20 11:24:40科技日报

建筑物中的采暖、通风和空调系统消耗的能源，约占建筑物总能耗的一半。如今，一种最新设计的理论模型，通过智能调节窗户光学参数，控制太阳光和长波红外线强度，可让室内冬暖夏凉。

4月13日，记者从南京工业大学获悉，该校环境科学与工程学院副教授蒋腾耀与来自新加坡南洋理工大学、美国怀俄明大学等的合作团队，首次提出了同时调控太阳光和长波红外线两个波段的理想智能窗户模型，实现了双波段自响应调控，提升了建筑的节能效果。这一成果发表于国际期刊《科学》。

提出智能窗新模型，同时调控太阳光和长波红外线

《中国建筑能耗与碳排放研究报告(2021)》显示，2005—2019年间，全国建筑全过程碳排放由2005年的22.34亿吨，上升到2019年的49.97亿吨，年均增长5.92%。其中，2019年建筑全过程碳排放总量占全国碳排放总量的50.6%。因此，减少建筑能耗已成为最有效且最实用的节能解决方案之一。

身处建筑物中，如果室内温度能被调节在一个舒适的区间，而减少启用空调、采暖设备，将大大减少建筑使用过程的碳排放。

前述论文的共同第一作者蒋腾耀告诉科技日报记者，想避免室内太热，最直接的办法是挡住从窗户进入的太阳光，现有的智能窗户在太阳光透射率调控上已经取得了显著进展。然而，与热辐射和辐射制冷有关的长波红外波段对窗户能效的影响却鲜少被关注。

“辐射冷却材料会自发地向寒冷的外层空间辐射长波红外线，是炎热季节首选的冷却材料，现在已广泛应用于墙壁和屋顶，但很少应用于窗户，因为窗户是建筑中能效最低的部分之一。”蒋腾耀表示。

能否研发一款智能窗户，让它能同时调控太阳光和长波红外双波段，并保持可见光透过率。这是一个极具挑战性的课题。

在此次研究中，团队提出了同时调控太阳光及长波红外波段的理想智能窗户模型。

“在夏季，理想的智能窗户需要具有低近红外透过率，从而减少由阳光引起的室内升温;同时具有高长波红外发射率，以促进辐射制冷。在冬季，智能窗户应具有高近红外透过率和低长波红外发射率，以促进阳光透射和减小经由窗户的热损失。”蒋腾耀说，这个模型的关键和难点在于，根据不同的季节、温度动态调节长波红外线的发射率，让窗户的长波红外辐射能力保持在一个适宜的区间。

窗户上3种材料涂层，动态调节光线实现节能

为了实现对两个波段的自调控，使太阳光和长波红外线自动发挥最大节能效果，研究团队设计并制备了一款双波段调控自响应智能窗。

“我们在玻璃上采用溶液工艺，用了热响应钨掺杂二氧化钒纳米颗粒，并涂了聚甲基丙烯酸甲酯以及氧化铟锡涂层，构成了一个法布里—珀罗谐振器。”蒋腾耀介绍，该谐振器能够对外界温度自响应，适应外界气温的变化。

这款谐振器中的灵魂之一，是掺杂了钨的二氧化钒材料。二氧化钒材料是材料界的“变色龙”。它在高温下处于金属态，在温度降低到一定程度后，变为绝缘态。

掺杂了钨的二氧化钒材料，相变温度从68摄氏度降至27.5摄氏度，接近体感舒适温度。这种材料对太阳光和长波红外的透过率会“区别对待”。

蒋腾耀介绍，“把钨和二氧化钒的混合材料涂抹在玻璃上，当玻璃表面温度低于27.5摄氏度时，太阳光经过玻璃，透过率就高，室内温度也随之提高;而当玻璃表面温度高于27.5摄氏度时，太阳光中的近红外线就会被玻璃反射出很多，这意味着对太阳光的隔绝效果提高。”

在玻璃表面温度低于27.5摄氏度时，二氧化钒涂层对长波红外线来说是透明的，不吸收长波红外。谐振器涂层对长波红外线有着较低的谐振频率，因此长波红外发射率较低，与市售低辐射玻璃相近，此时室内温度升高。

“相反，玻璃表面温度高于27.5摄氏度时，二氧化钒转变为金属态，吸收长波红外线，发射率增大。长波红外线穿过玻璃的二氧化钒涂层、聚甲基丙烯酸甲酯涂层后，被氧化铟锡涂层进一步反射，导致长波红外发射率提高，达到散热效果，室内温度就可以慢慢降低。”蒋腾耀解释。

此外，改变法布里—珀罗谐振器的结构，例如调节聚甲基丙烯酸甲酯涂层的厚度及二氧化钒的掺杂量，智能窗还能切换不同的长波红外线发射率，满足不同气候区的要求。

在现实中，这套模型是否能智能调节室温、实现建筑节能?蒋腾耀表示，研究团队在全球7个气候区进行模拟，发现双波段调控智能窗户较市售低辐射节能玻璃表现出更优异的节能效果，每平方米玻璃可实现最高达324.6兆焦的制冷/制热节能，“这相当于每年每平方米玻璃可节省约90度电”。

“这项成果为建筑特别是玻璃的智能节能发展提供了新的思路，也为全球的节能减碳事业提供了独特的解决方案。但想进入工业化生产，还需要继续探索工艺放大研究，例如材料的耐候性、使用寿命等问题。”蒋腾耀说。

(记者金凤通讯员朱琳)

关键词：中国建筑理论模型系统消耗碳排放总量