節能玻璃“自適應”供暖和製冷需求

（圖片／取自免費圖庫 Pakutaso）


由新加坡南洋理工大學 (NTU) 的科學家所領導的一個國際研究小組開發出一種材料，該材料塗在玻璃窗板上時，可以有效地自我適應世界不同氣候區的房間供暖或製冷，幫助減少能源的使用。由NTU的研究人員開發並在頂級科學雜誌《科學》上報導，這種首創的玻璃透過在加熱和冷卻之間切換來自動回應溫度變化。

這種自我適應玻璃是使用多層二氧化釩奈米顆粒複合材料、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、和低發射率塗層所開發的，形成一種獨特的結構，可以同時調節加熱和冷卻。這種玻璃沒有電子元件，而是透過利用負責加熱和冷卻的光譜來運作。在夏季，玻璃抑制太陽加熱（近紅外線），同時促進輻射冷卻（長波紅外線），一種熱量透過表面向寒冷宇宙散發的自然現象，來冷卻房間。在冬季，它則做相反的事情來溫暖房間。

在實驗室測試中使用紅外線攝影機來形象化結果後發現，玻璃允許在各種條件下（室溫到高於70°C）散發受控的熱量，證明它能夠對不斷變化的天氣條件做出動態反應。窗戶是建築設計中關鍵的部份之一，但也是最不節能和最複雜的部份。根據美國能源部提供的數據估計，僅在美國，建築物中與窗戶相關的能源消耗（供暖和製冷），每年約佔其主要能源使用總量的4%。

雖然也有其他科學家開發出永續的創新來緩解這種能源消耗，例如使用低放射率塗層來防止熱傳遞，或透過顏色來調節太陽能傳輸進入房間的電致變色玻璃，但沒有任何一種解決方案能夠同時調節加熱和冷卻，直到現在。

該研究的首席研究員，NTU材料科學與工程學院的龍禕博士說，“如今大多數的節能窗戶都能解決由可見光和近紅外線陽光所引起的太陽熱增益。但是，研究人員經常忽略長波紅外線中的輻射冷卻。雖然在牆壁和屋頂上都能使用專注於輻射冷卻的創新，但它們的功能在冬季卻會大幅下降。我們的團隊首次展示了一種可以對兩種波長都有良好回應的玻璃，這意味著它可以不斷地自我調節，以應對四季變化的溫度。”

由於它不依賴任何移動零件、電氣線路、或視線的阻擋來發揮這些功能，NTU研究團隊相信他們的創新提供了一種便利的方式來節約建築物的能耗。美國懷俄明大學的譚剛教授和領導了建築節能模擬的武漢華中科技大學楊榮貴教授說，為了提高窗戶的性能，能夠同時調節太陽能傳輸和輻射冷卻至關重要。“這項創新填補了傳統智能窗戶和輻射冷卻之間的空隙，開闢了一個新的研究方向，以最大限度地減少能源消耗，”譚剛教授說。

該開創性研究是支持NTU 2025策略計劃的一個例子，該計劃旨在解決人類在永續性方面所面臨的巨大挑戰，並加速將研究結果轉化為可以減輕人類對環境影響的創新。

為了證明這個概念，科學家們使用了覆蓋全球所有人口密集地區（七個氣候區）的氣候數據，模擬測試了他們發明的節能性能。研究小組發現，他們開發的玻璃在溫暖和涼爽的季節都顯示出節能效果，整體節能性能高達9.5%，即每年比模擬中型商辦中的商用低放射玻璃約少330,000千瓦時（約為新加坡60戶家庭供電一年所需的能源）。

該研究的第一作者、龍禕博士的前博士生、研究員Wang Shancheng說，“結果證明了將我們的玻璃應用於各種氣候的可行性，因為無論溫度如何在冷熱季節中波動，它都能夠幫助減少能源的使用。這使我們的發明與當下的節能窗不同，因為後者往往在季節變化較小的地區就無法發揮功能。此外，他們玻璃的加熱和冷卻性能可以客製化，以滿足使用市場和地區的需求。“我們可以透過簡單地調整玻璃面板上的特殊奈米複合塗層的結構和成分來做到這一點，從而使我們的創新能夠用於各種熱調節應用，而不僅限於窗戶，”龍禕博士說。

美國馬里蘭大學材料創新中心主任和Hubert Rabin特聘教授，胡良兵教授提供了獨立的觀點，他說：“龍禕和她的同事們獨創了一個智能窗戶，可以調節近紅外線太陽光和長波紅外線熱能。這種智能窗戶對建築節能和脫碳非常重要。”該創新已申請新加坡專利。下一步，研究團隊的目標是透過設計奈米複合塗層來實現更高的節能性能。

原著出處：Nanyang Technological University, ScienceDaily; December 16, 2021