智能窗户来了！科学家开发水凝胶窗板：阻挡阳光调节热量，减少45%能源消耗

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最近，新加坡南洋理工大学的科学家们开发了一种液体窗板，这种窗板可以阻挡太阳以调节太阳能的传输，白天吸收热量，晚上释放，有助于降低建筑物的能源消耗。

南洋理工大学的研究人员开发了一种“智能窗户”，他们将以水凝胶为基础的液体放置在玻璃嵌板内，并发现在模拟中，与传统的玻璃窗相比，可以减少高达45%的能源消耗。这种“智能窗户”能源效率比市面上的低辐射(节能)玻璃高出30%，而且制造成本更低。

这款智能窗是科学杂志上首次报道的液体节能智能窗，支持了南洋理工大学智能校园的愿景，旨在为可持续的未来开发先进技术解决方案。

窗户是建筑设计的关键组成部分，但也是最不节能的部分。由于热量可以通过玻璃传递，窗户对建筑的供暖和制冷成本有显著影响。根据联合国2009年的一份报告，建筑占全球能源使用量的40%，窗户占其中的一半。

传统的节能低辐射窗户是由昂贵的涂料制成的，可以减少进入或流出建筑物的红外光，从而有助于减少对供暖和制冷的需求。然而，它们不能调节可见光，而可见光是导致建筑物升温的阳光的主要组成部分。

为了开发一扇窗户来克服这些限制，南洋理工大学的研究人员转向了水，水在开始变热之前会吸收大量的热量——这种现象被称为高比热容。

他们创造了一种由微水凝胶、水和稳定剂组成的混合物，并通过实验和模拟发现，由于其对温度变化的反应能力，可以在各种气候条件下有效地降低能源消耗。简单来说，水凝胶的存在，使得这种液体混合物在受热时变得不透明，从而阻挡了阳光，冷却后又恢复到原来的“透明”状态。

液体窗户最适合办公建筑

与此同时，水的高热容量允许大量的热能被储存，而不是在炎热的白天通过玻璃转移到建筑中。热量会逐渐冷却，并在晚上释放出来。

该研究报告的主要作者、材料科学与工程学院的高级讲师Long Yi博士说:“我们的创新结合了两种材料的独特特性——水凝胶和水。通过使用以水凝胶为基础的液体，我们简化了制造过程，将混合物浇注在两个玻璃板之间。这使得窗户具有高度均匀性的独特优势，这意味着窗户可以创建为任何形状和大小。”

由于这些特点，南大研究团队相信他们的创新最适合用于办公大楼，而办公时间大多在白天。

为了验证这一概念，科学家们在炎热(新加坡、广州)和寒冷(北京)的环境中进行了户外测试。

新加坡的测试显示，在一天最热的时候(中午)，智能液体窗的温度(50摄氏度)低于普通玻璃窗(84摄氏度)。在北京进行的测试显示，在保持相同温度方面，使用智能液体窗户的房间比使用普通窗户的房间少消耗11%的能源。

智能窗可改变用电高峰，阻隔噪音

科学家们还测量了当天储存的热能的最高值是在什么时候出现的。

正常玻璃窗口的温度峰值是中午12点，而智能液体窗口的温度峰值则是下午2点。如果这种温度峰值变化转化为建筑物需要用电来降温或取暖的时间变化，就会导致用户的能源收费降低。

使用实际建筑模型和四个城市(上海、拉斯维加斯、利雅得和新加坡)的天气数据进行的模拟表明，与普通玻璃窗和低辐射窗相比，智能液体窗在这四个城市的节能性能最好。

隔音测试还表明，智能液体窗的降噪效果比双层玻璃窗高15%。

该研究的第一作者、材料科学与工程学院的项目主任Wang Shancheng说:“隔音双层玻璃窗是由两块玻璃制成的，中间有一个气隙。我们的窗户设计类似，但是我们用基于水凝胶的液体来代替空气，这增加了玻璃板之间的隔声，从而提供了目前节能窗户不常见的额外好处。”

另一第一作者Zhou Yang博士，为南洋理工大学博士生，现任中国石油大学副教授。

2020年Nukiyama Memorial Award热科学与工程纪念奖、热能和能源系统专家华中科技大学杨荣贵教授认为，“这是第一个以水凝胶为基础的液体智能窗户的实例，它让我们远离传统的玻璃设计。颠覆性的创新导致了太阳能调节和蓄热，这两者共同带来了卓越的节能性能。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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