新知 | 建筑节能新形式：水凝胶玻璃窗，透光性好，价格低廉

“

撰文 | 代江玥

编辑 | 郭郭

→这是《环球零碳》的第257篇原创

建筑能耗占全球总能耗的40%以上，其中照明和空间制冷占据很大比例。传统的玻璃窗已经使用了几个世纪，但并不节能。

在夏天，通过窗户透射的近红外（NIR）阳光会产生热量，同时，建筑表面通过辐射冷却、也就是长波近红外（2.5-20μm）的形式，向寒冷的外层空间辐射热量，来实现建筑物的冷却。而中红外（MIR）的高反射又限制了建筑物的散热，这种建筑的“温室效应”会导致更多的制冷能耗。

在过去的几十年中，人们一直致力于控制窗户的光学特性，以节省建筑物的能源。如何控制近红外和中红外光透过窗户的方式以减少冷却消耗，同时保持光照的高可见透明度，一直是玻璃设计中的一个非常具有挑战性的问题。

为了尝试解决这个问题，武汉大学的科学家们现在已经试验了新的窗户材料，这些材料与光的互动方式不同。研究人员在玻璃上设计了一个只有几毫米厚的水凝胶涂层，使这种新型玻璃窗具有更高的可见光透射率、更强的近红外光阻挡和更高的中红外热发射率。由于所有这些特性，研究人员证明水凝胶玻璃窗可以增强室内照明并降低室内温度。

该研究发表在《光电子学前沿》杂志上。

新型水凝胶玻璃的工作原理

水凝胶玻璃由一层水凝胶和一层普通玻璃组成。水凝胶通过亲水性聚合物链在水性环境中的交联形成，具有与水相似的光学特性，含水率高和透明的性质使其成为新型窗户的潜在选择。

传统玻璃在整个太阳光谱中具有较大的光子穿透深度，因此无法从太阳光中滤除NIR。与之相反，水的光子穿透深度在可见光谱中一般大于1m，而在大部分NIR光谱中的穿透深度仅为几毫米。因此，水凝胶可以让射入的可见光通过，并阻挡NIR。

图说：水凝胶玻璃的结构设计和工作原理

来源：[2]

研究人员通过在玻璃表面上直接光聚合水凝胶前体溶液来制备水凝胶玻璃。首先，将玻璃表面通过空气等离子体活化，让羟基键合到玻璃表面上。然后，将基板浸入含有酸性的混合溶液中，在玻璃表面形成一层硅烷醇基。随后，将玻璃放模具中，经过紫外光照射等操作得到水凝胶粘合玻璃。最后，将水凝胶玻璃浸泡在溴化锂水溶液（8 mol/L）中直至完全溶胀，得到水凝胶玻璃。

水凝胶的透光率可以通过其厚度来调节，以获得理想的透光率光谱。而在大气红外透明窗口对应的波长范围内，水和玻璃的穿透深度都很低，这意味着它们即使在100μm的厚度下也是不透明的。

这里玻璃的穿透深度在约9μm的波长附近，因玻璃独特的不对称伸缩振动而具有最小值，玻璃中强烈的晶格变化也意味着它具有高折射率、高表面反射率和低热发射率。然而，水或水凝胶中不存在强晶格或分子振动。因此，水凝胶玻璃有可能增强MIR发射，阻挡大部分NIR阳光，并保持可见光的高透射率。

进一步的实验表明，水凝胶玻璃窗可以增强室内照明并降低室内温度。水凝胶玻璃的MIR热发射率高达96%，因为这些波长没有被大气阻挡。这将有助于保持建筑物内部的温度，其方式与其他辐射冷却系统相似。与此同时，普通玻璃的热发射率仅84%。

此外，水凝胶玻璃看起来并不比普通玻璃暗—事实上，它能让更多的可见光通过。根据水凝胶层的厚度，它允许高达92.8%的可见光进入房间，而普通玻璃为92.3%。

应用潜力巨大

该团队表示，这种材料可以帮助降低冷却能耗，这将有利于环境和降低开销。水凝胶也很常见且价格低廉，因此推广起来应该相对简单，这可能使它们比其他更复杂的智能窗户（如透明太阳能电池板或液体窗户）更具优势。

研究小组在尺寸为20cm×20cm×20cm的模型房屋上测试了水凝胶玻璃的性能，这些房屋有厚厚的隔热墙和一个大窗户。结果显示，水凝胶玻璃房屋的室内温度始终低于普通玻璃房屋的室内温度。中午最大温度下降达到3.5℃，最高太阳强度为58.7 mW/cm2。因此，水凝胶玻璃可以降低建筑物在夏季的制冷能耗。

图说：水凝胶玻璃作为建筑窗户的节能评价

来源：[2]

水凝胶玻璃在不同气候条件下具有巨大的节能潜力。其中，处于干热热带沙漠气候的阿斯旺市节能潜力最高，可达10.45 MJ/m 2。在莫斯科等年照明时间较长的城市，水凝胶玻璃被评估为具有最高的年照明节能0.05 MJ/m 2。

最终，为了评估水凝胶玻璃在建筑物中的节能潜力，研究小组使用EnergyPlus计算了典型建筑物的能耗，同时考虑了白天照明和室内温度调节。模拟结果表明，在世界各地不同城市的建筑模型中，水凝胶玻璃每年可节省2.37至10.45 MJ/m2的能耗，为下一代节能窗户提供了可能的途径。

END