科研
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清华新闻网10月22日电 近日，清华大学化工系张如范团队在新型建筑节能技术开发方面取得重要进展，开发出一套集动态光热调控智能窗与选择性动态辐射冷却调节器于一体的智能节能系统，实现了建筑物对太阳光和热辐射的按需动态管理，为下一代绿色节能建筑提供了创新解决方案。
建筑能耗在全球总能耗中占比超过三分之一，其中采暖、通风和空调系统是主要能耗来源。面对全球气候变化与能源需求增长的双重挑战，传统的静态节能材料已难以满足复杂多变的环境需求。张如范团队着眼于建筑外围护结构的透明与不透明部分，分别设计了针对建筑物透明围护结构和非透明围护结构的智能调控单元，通过电信号实现对太阳辐射和热辐射的协同动态调控。
图1.智能一体化节能建筑的概念设计与模型展示
针对建筑的窗户等透明围护结构，张如范团队开发了动态光热调控智能窗。该智能窗采用全薄膜电致变色器件结构，能够在不同电压下实现“明亮-保温”“明亮-制冷”“黑暗-制冷”等多种工作模式的快速切换，其对可见光与近红外波段透射率的调制范围分别高达92%与82%，可有效控制进入室内的光线与热量。通过独特的表面发射率翻转设计，该智能窗的发射率可在高值（约0.9，用于辐射制冷）与低值（约0.28，用于辐射保温）之间转换，红外热像图显示两者温差高达20℃。在北京夏季的户外测试中，该智能窗的制冷模式可使室内温度比普通商业窗户低约14℃，展现出优异的降温能力。
图2.动态光热调节智能窗（DPRW）的光谱设计、实现方法及性能表现
针对建筑的墙体与屋顶等非透明围护结构，张如范团队研制了多色选择性动态辐射冷却调节器。该调节器利用磁控溅射制备的纳米晶三氧化钨薄膜，可在中红外波段的两个关键大气窗口波段实现高选择性的发射率动态调控。通过在0-4.5V电压下进行调节，可实现从制冷态到保温态的平滑过渡。此外，该调节器的顶层采用彩色红外透明聚乙烯膜，使器件在呈现蓝、粉、绿等多种颜色的同时，不影响红外动态调控功能，成功兼顾了建筑美学与节能效能。
图3.多色选择性动态辐射冷却调节器（SDRCR）
为验证系统的广泛适用性，张如范团队在不同气候条件下进行了系列户外实验。在北京的夏季，动态光热调控智能窗实现了比普通商业玻璃低约8-23℃的降温效果，多色动态辐射冷却调节器实现了比市售涂料低约2-4℃的降温效果。在内蒙古阿尔山的寒冷夜晚，动态光热调控智能窗的保温模式比其制冷模式的室内温度高约2-4℃。白色动态辐射冷却调节器的室内温度比静态白色涂料高约3.7℃。该建筑节能系统在全球不同气候区均表现出巨大的节能潜力，模拟结果表明，该系统每年每平方米可实现高达99.5MJ的节能能力。
图4.动态光热调节智能窗（DPRW）和多色选择性动态辐射冷却调节器（SDRCR）的动态温度调节户外实验验证（晴天，北京）
图5.动态光热调节智能窗（DPRW）和多色选择性动态辐射冷却调节器（SDRCR）的户外保温性能实验验证（晴朗夜晚，阿尔山）
研究成果以“智能电致变色光热调节用于建筑一体化节能”（Intelligent Electrochromic Photothermal Regulation for Integrated Building Energy Saving）为题，以研究长文形式于10月8日发表于《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）。
清华大学化工系博士后丁一琳为论文第一作者，化工系副教授张如范为论文通讯作者。研究得到中国石油科技创新基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、彤程青年研发基金和中国博士后科学基金的支持。
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