第一作者：傅佳、冯春早

通讯作者：刘抗、刘辉东

通讯单位：武汉大学

【研究背景】

全球建筑能耗约占所有能耗的40%，其中照明和制冷又占重要比例。在“碳中和”背景下，绿色节能建筑是提高能源效率的关键一环。作为建筑与外界进行热交换的主要通道，窗户在节能建筑具有举足轻重的意义。窗户是建筑的主要采光构件，亦是建筑围护结构中能效最低的部分。它能高透过可见光，但无法阻挡近红外阳光透过，同时在中红外波段发射不足也限制其辐射制冷效果，因而显著增加室内制冷能耗，尤其在夏季。近年来，为了减少建筑能耗，人们提出了大量策略来调节窗户的光学特性。

【文章简介】

辐射制冷通过大气窗口将热量以电磁波形式辐射至外太空，能够实现无能耗的被动式降温。提高窗户在中红外大气窗口的发射率增强辐射制冷的效率，是一种有效的建筑节能方法。此外，理想的节能窗户还需要具有一定可见光透过率，以保证采光需求，较低近红外透过率，以减弱阳光照射引起的室内升温。然而，现有的节能窗设计方案如全透明辐射制冷玻璃、Low-E玻璃、电致变色窗户往往只能在较窄的谱段范围内对光进行调节，难以兼容对太阳光和红外辐射的协同管理。因此，开发一种具有宽谱段调控能力的新型玻璃，获得高可见光透过率，同时能有效阻挡太阳光近红外部分，且在中红外波段具有高发射率，对于窗户实现最佳节能效果降低建筑能耗，具有重要意义。

近期，武汉大学刘抗教授课题组开发了一种可调节可见光透过、近红外波段太阳光吸收及中红外发射的水凝胶复合玻璃作为节能窗户，相关工作以Broadband light management in hydrogel glass for energy efficient windows lines为题发表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。

【图文导读】

创新点一：宽谱段光学调控的水凝胶复合玻璃

研究团队开发了一种水凝胶复合玻璃，由一层PAAM水凝胶聚合在传统玻璃表面形成（图1a）。其中水凝胶由少量交联聚合物网络和大部分液态水构成，这意味着水凝胶具有与水几乎相同的光学特性。在可见光波段，水与SO₂玻璃均具数十米的平均穿透深度；在近红外波段水的穿透深度急剧减小至几毫米，而玻璃仍保在数十米；在中红外波段，水和玻璃的穿透深度均很小，但水不存在玻璃中因强晶格振动造成的高反射问题（图1b）。此外，水的折射率（1.33）低于玻璃（1.5）。因此，水凝胶复合玻璃可以同时增强可见光的透明性（图1c），吸收近红外太阳光阻挡其透过，提高中红外发射率（图1a）。进一步的热重分析也证实了水凝胶中水分占据水凝胶重量的62.2%（图1d），体积比为95%；而聚合物链的多孔固体框架能够将水限制在其内部，使水凝胶表现出一种类固体的状态。通过在水凝胶中添加吸湿性离子降低水的蒸气压，使其能在环境中保持重量和结构稳定性，便于实际应用。

图1水凝胶玻璃的结构设计和工作原理(a)水凝胶玻璃的结构示意图。(b)液态水和传统玻璃的穿透深度。(c)水凝胶玻璃照片。(d)水凝胶热重分析，插图为冻干水凝胶的SEM照片

进一步对水凝胶复合玻璃进行光谱测试的结果表明：1）与传统玻璃相比，水凝胶复合玻璃在可见光波段的吸收率都接近0，而在近红外波段具有更高的吸收率，并且随厚度的增加而加强，证明水凝胶具有阻挡近红外太阳光透过的能力（图2a）；在可见光波段，水凝胶复合玻璃的透过率略高于传统玻璃，说明水凝胶能够小幅度增强透过率，且水凝胶层越薄效果越好（图2b）；在中红外波段，水凝胶层的存在能明显降低玻璃表面的反射率，将玻璃的发射率提高至0.96以上（图2c）。因此，能够通过水凝胶层的厚度优化复合玻璃在可见光、近红外和中红外宽谱段的光学特性，以达到较好的窗户节能效果。

图2不同厚度的水凝胶玻璃和普通玻璃光谱特征(a)0.3-25μm波段的光谱吸收率测量结果。(b)可见光波段的光谱透射率，插图为可见光波段平均透过率。(c)中红外波段光谱反射率

创新点二：水凝胶玻璃窗户的建筑能效分析

选取单层普通学校建筑模型作为研究对象（图3a），基于水凝胶复合玻璃的光学性能，采用EnergyPlus软件进行建筑能耗分析。以亚热带气候的武汉地区为例（图3b），普通玻璃的年制冷和照明能耗分别为89.57和46.65MJ/m²，而一般的覆膜玻璃(TNS)能够将制冷能耗降低至84.79MJ/m²，但增加照明能耗至47.32MJ/m²；而水凝胶复合玻璃能够将年制冷和照明能耗分别降低至84.05和46.62MJ/m²，年节能总量大约5.56MJ/m²。进一步选取了对应全球8种典型气候的代表性城市（图3c），分别进行建筑制冷和人工照明能耗计算和分析，结果表明，采用水凝胶复合玻璃后全年建筑能耗减少量在2.37-10.45MJ/m²之间，对应的节能率在3%-8%之间。其中，在气候干燥炎热的地区具有较高的节能量，节能量最高为10.45MJ/m²。这些结果表明水凝胶复合玻璃在不同的气候条件下均有较大节能潜力。

图3水凝胶复合玻璃用于建筑节能窗户的能效分析(a)单层典型小学建筑模型。(b)三种玻璃窗户的全年制冷和照明耗电量（以武汉地区为例）。(c)八个典型气候代表城市全年节约耗电量。

【总结和展望】

综上所述，本研究开发了一种环境稳定的水凝胶复合玻璃。该水凝胶复合玻璃具有较低的折射率，可以增加可见光的透过率，降低建筑照明能耗。此外，该水凝胶复合玻璃能够阻挡收大部分近红外太阳辐射，同时具有高红外发射率，能够将热量辐射至外太空，从而降低建筑制冷能耗。水凝胶复合玻璃这种宽波段的反射、吸收和透过的调控特性，使其能够时进行太阳辐射和红外波段的热管理。基于模拟的建筑能耗分析也表明该水凝胶复合玻璃节能窗在不同的气候条件下均具有较大的节能潜力，这为下一代高效节能玻璃的开发提供了一种可能的思路。

【作者介绍】

刘抗，武汉大学动力与机械学院，教授，博士生导师，主要研究领域为先进热设计与热利用。

【课题组简介】

武汉大学先进热科学与技术实验室：为满足双碳背景下应用基础性、跨学科交叉和产学研相结合的学科发展需求，实验室瞄准国内外热科学研究的前沿课题，立足于先进热设计理念、材料和技术的发掘与探索，开发先进热设计与热利用在新能源利用、储能、信息科学、生物医疗等领域的交叉应用。

实验室网址:http://microfluidics.whu.edu.cn/