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热到不敢开窗帘?有没有可能把水做成窗户啊?

2022-11-01

今年夏天,全国各地都热出了新境界。四十多度的高温里,朝南的房间,白天连窗帘都不敢拉开,否则只有一个字,热!

其实,玻璃窗可以称得上是建筑物中能效最低的组件了。诚然,比起古代的纸窗,玻璃窗在御寒挡风的同时还保证了自然光对室内充分的照明,实在是伟大的发明。但与此同时,玻璃却又不分冬夏地将室内打造成了一个“温室”,让你家的落地窗阳台成为桑拿房。这种时候,就很想跳进游泳池泡一泡……

为什么玻璃房这么热,游泳池里却很凉快?除了因为水的比热容高,本身温度就低以外,也因为水与玻璃光学性质的不同。对于玻璃,除了提供照明的可见光之外,近红外光也会通过玻璃透射进来,让室内升温,与此同时,玻璃在中红外波段的高反射却又限制了建筑物的散热,这种“温室效应”加剧了制冷的能耗;而对于水,则近红外光的透过率则多得多。

电磁辐射谱。可见光中,从紫光到红光,波长变长、能量变低;比红光波长更长的就是红外光,其中又根据波长由短至长分为近、中、远红外 | 见水印

在过去的几十年里,人们一直致力于操纵窗户的光学特性,以节省建筑物的能耗。比如,给普通玻璃加一层在中红外区具有高发射率(emission)的可见透明涂层,但这样无法阻挡近红外光对室内的加热;又比如Low-E玻璃,可以反射近红外光以减少室内热量,但中红外光的低发射率却会引起热量积聚,可见光的低透射率又增加了室内的照明需求。有没有一种玻璃,可以兼具高近红外光阻挡率和更高的中红外热发射率,同时保持玻璃的可见光透射率、保证室内采光呢?

近期,武汉大学的刘抗研究员团队提出了一种由一层水凝胶和一层普通玻璃组成的新型水凝胶玻璃,研究结果发表在《光电子学前沿》(Frontiers of Optoelectronics)杂志上。与传统玻璃相比,这种水凝胶玻璃具有更高水平的可见光透射率、更强的近红外光阻挡和更高的中红外热发射率,从而可以增强室内照明并降低室内温度。

网页截图 | 参考文献[1]

水凝胶玻璃制备时,直接在玻璃表面聚合聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶前体溶液,最终得到如下图右下角所示的双层粘合结构,一层为普通玻璃,一层为水凝胶。

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普通玻璃与水凝胶玻璃光学性质的比较 | 编译者供图,参考[1]

水凝胶层由少量交联聚合物和大量液态水组成,因此,它具有与水相似的光学性质,可以让可见光通过并阻挡近红外光。并且,水凝胶的透射率可以通过其厚度进行调控,以获得理想的透射光谱。

为了测试水凝胶玻璃的光调制能力,研究团队将水凝胶层放在商用玻璃封装的硅太阳能电池上,发现带有水凝胶玻璃的太阳能电池比用普通玻璃封装的电池具有更高的光电流密度和效率;此外,水凝胶层增强了大气红外透明窗口内波长的热发射率,可能降低太阳能电池在工作模式下的温度。

随后,研究团队设计了一种长宽高均为20 cm的小屋模型,安装水凝胶玻璃和普通玻璃,进行户外实验。结果表明,晴天时使用水凝胶玻璃的房屋室内照度略高于使用普通玻璃的房屋,室内温度则总是低于使用普通玻璃的房屋。

因此,这种新型水凝胶玻璃窗既可以减少照明的电力消耗,又可以减少制冷设备的能量消耗。经模拟计算了不同气候条件下的八个代表性城市后研究团队指出,水凝胶玻璃相对于普通玻璃每年可以节省2.37~10.45 MJ/m2的建筑制冷和照明能量,适用于世界各地的不同城市。

参考文献

[1] Fu, J., Feng, C., Liao, Y., Mao, M., Liu, H., Liu, K. Broadband light management in hydrogel glass for energy efficient windows. Front. Optoelectron. 15, 33 (2022).

[2] https://www.eurekalert.org/news-releases/962335

编译:竹子

编辑:靳小明

排版:尹宁流

题图来源:www.rawpixel.com / public domain

研究团队

(共同)通讯作者 刘抗:武汉大学动力与机械学院 研究员;刘辉东:武汉大学动力与机械学院特聘副研究员

(共同)第一作者 傅佳:武汉大学动力与机械学院 ;冯春早:武汉大学动力与机械学院 

论文信息

发布期刊Frontiers of Optoelectronics

发布时间 2022年8月5日

论文标题 Broadband light management in hydrogel glass for energy efficient windows

(DOI:https://doi.org/10.1007/s12200-022-00033-4)

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