年，政府间气候变化专门委员会（IPCC）将全球变暖津贴从2°C降低到1.5°C，以警告气候变化的紧迫性，强调了节能和碳减排的重要性。建筑部门消耗约40％的总能量，而采暖，通风和空调（HVAC）消耗建筑物中一半的能量。为了解决这个问题，提高建筑物的能效对节约能源至关重要。
窗户被认为是建筑围护结构中能耗最低的部分。在炎热的季节，大部分靠窗户引导的太阳能将转化为热量并导致较高的制冷需求，而在冬季，窗户则造成了30％的能量损失。研究最多的节能窗口集中在显色技术上，包括电致变色，光致变色和热致变色。生色材料的例子包括水凝胶和液晶。在三种材料中，热致变色材料被认为是最具成本效益，合理的刺激和零能量输入特性。然而，由于常规热致变色材料的固有局限性，进一步提高其节能能力是不可避免的挑战。
常规的智能窗户仅调节太阳能的传输。先前，新加坡南洋理工大学龙祎（毕业于剑桥）教授团队首次通过将水凝胶衍生的液体捕获在玻璃杯中，开发出了高热能存储的热响应智能窗户（HTEST智能窗户）。出色的热响应光学性能（90％的透光率和68.1％的日光调制率）以及出色的液体比热容使HTEST智能窗具有出色的节能性能。模拟表明，与新加坡的普通玻璃相比，HTEST窗户可以减少44.6％的采暖，通风和空调（HVAC）能耗。在户外演示中，HTEST智能窗口在夏季白天显示出令人鼓舞的节能性能。与需要昂贵设备的传统节能眼镜相比，这种热响应液体陷获结构提供了一种易于制造，良好均匀性和可扩展性的破坏性策略，以及隔音功能，为节能建筑和温室开辟了道路。
热致变色窗自动响应温度，仅调节太阳光的透射。该工作介绍了一种结合了良好的热致变色性能和大的热能存储能力的智能窗户。在较低的温度下，窗户是透明的，可以让太阳透过。加热后，窗户会自动挡住阳光，以切断太阳能。附加的储热功能进一步降低了能耗，并将电力负荷高峰转移到较低的价格周期。这是第一款具有热响应性的液体封装的窗户面板，提供了一种即席即用的策略，具有易于制造，良好的均匀性，可扩展性和隔音的独特优势。
具有出色的热致变色性能的充满液体的智能窗户
强大的储热能力，可改变用电高峰
结合太阳能调节和储热以减少建筑能耗
隔音功能比双层玻璃更好，可扩展性好
1.智能窗户机理
所有研究的智能窗户仅调节光的透射。但是，房屋的加热和冷却要复杂得多。高热能存储（TES）材料被广泛用于墙壁，地板和屋顶，因为它们可以减少制冷/加热负荷并将能源负荷转移到低价时期。TES材料根据其热能存储原理可分为显热材料，潜热材料和化学储热材料，为了确保性能稳定和令人满意，TES材料必须具有良好的比热容。良好的比热容量确保TES材料能够存储大量的热量，而相对较高的导热率则可以使存储在材料中的热量均匀分布，并提高储热效率。此外，TES材料还需要满足一些物理要求，例如高循环稳定性，无腐蚀性和低系统复杂性。大多数建筑材料（例如木材，金属，玻璃和混凝土）的TES通常较低，在10°C–70°C范围内小于kJkg-1（图1A）。一些可商购的高TES材料包括石蜡，脂肪酸和无机盐（一种相变材料（PCM）），由于缺乏透光性而不适用于玻璃，这对窗户至关重要。
图1HTEST智能窗户的概念和照片
作者开发了革命性的高能量存储热响应智能窗（HTEST智能窗），该窗利用了高太阳能调制以及富含水的热响应液体（TRL）固有的高TES能力，而该水是从常规水凝胶衍生而来的。如图1B所示，设计的HTEST窗口具有分散在水中的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）水凝胶颗粒，它们被困在两层玻璃之间。常规的热响应水凝胶为凝胶形式，并层压在玻璃之间，仅用于调节透光率。新开发的TRL在较低的临界溶液温度（LCST）下经历了与常规水凝胶相似的亲水至疏水转变;在LCST下方，水分子位于PNIPAm大分子内，该分子具有很高的透明度，从而使高的太阳能透过率能够在冬季加热房间。一旦加热到LCST以上，水分子就会从PNIPAm中释放出来，收缩颗粒将导致光散射（图1C）。作者采用了TRL的新形式，将其用作能量存储层，并具有吸收和存储能量的附加功能。液相具有易于制造的独特优势（只需将其倒入双层玻璃即可，图1D），并且具有放大和均匀化的巨大潜力（图1E），这在常规的电子玻璃作为昂贵的设置是必须的。
2.TRL的光学和热学性质
图2A显示了TRL在20°C和60°C时的厚度分别为0.1-mm、1-mm和1-cm的透射光谱。在室温下，由于PNIPAm聚合物纤维很细且很细长，所以所有样品都显示出很高的Tlum值。另一方面，IR的透射率随着样品厚度的增加而逐渐降低。室温下0.1mm样品的红外透射率（TIR）为77.0％。随着厚度的增加，1mm和1cm样品的TIR分别降至67.0％和47.3％。图2B和2C总结了不同厚度样品的光学性质。可以观察到，随着厚度的增加，发光，红外和太阳波长的透射率调制能力都在增加（图2B）。例如，0.1-mm样品的ΔTlum为约15％，而1-cm样品的ΔTlum则显着增加至约90％。同时，0.1mmTRL的ΔTsol仅为11.3％，而对于1-cmTRL的ΔTsol则大大提高至68.1％。因此，1厘米样品显示出比1毫米样品和0.1毫米样品更高的透射率对比度。与透射率调制能力相似，当样品变厚时，反射率调制能力会增强（图2C）。
图2TRL的光学和热学性质
图2D显示了在20°C和60°C下不同厚度样品的光学照片。光学照片与光谱一致：在低温下，所有样品都是透明的，透光率不受厚度的影响。另一方面，当温度高于LSCT时，对于0.1-mm的样品没有观察到明显的透射率变化。相反，1-mm样本变成半透明，而1-cm样本变成不透明，而1-cm样本下面的花朵变得不可见。因此，通过改变温度和厚度来调节TRL的热响应光学性质。
3.HTEST智能窗设计与节能示范
通过以上讨论，TRL显示出优异的光调节能力以及良好的能量存储性能。HTEST智能窗户在不同条件下的工作原理如图3A所示。在夏季的早晨和晚上，环境温度不足以触发HTEST窗口的相变。因此，光线（图3A中的黄色箭头）将透射到房间，并且窗户将保持透明状态。同时，由于足够的采光，可以在早上节省人工照明用电。同时，由于TRL的良好储能特性，周围的热量（图3A中的红色箭头）很难传递到室内。结果，房间将保持在较低的温度。夏季接近中午，室外温度达到一天的最大值，高于HTEST智能窗口的LCST。随后激活相变，并且窗口变为半透明/不透明，以防止阳光进一步加热房间。同时，热量进一步存储在TRL中，并阻止热量进入房间。储存在液体中的热量随后释放，这改变了冷却负荷的峰值。另一方面，窗户在冬季将全天保持透明，以确保阳光能够透射到室内以供加热和照明。基于这样的工作原理，HTEST智能窗户能够通过切断制冷能耗来减少建筑物的HVAC能耗，并提高住宅的热舒适度。为了进一步研究HTEST智能窗户的性能，进行了室内温度测试作为概念验证。
图3HTEST智能窗户的节能演示
将四个样品，即普通玻璃板（作为基线），1-cmDI陷水玻璃板，1-mm和1-cmTRL陷井玻璃板安装到四个玻璃房（20cm×20cm×30cm）上以研究温度变化。为了更系统地研究HTEST智能窗的节能能力，增加了1-mm厚样品的PNIPAm颗粒浓度，使其具有与PST相似的太阳透射率和光响应（Tsol-1mmTRL=3.7％）。厚1厘米的样品（Tsol-1cmTRL=1.6％）（图3C），与其他样品组玻璃（Tsol-glass=85％）和1厘米水（Tsol-1cmwater=72％）的样本。在测试期间，分别记录了窗户内表面的温度（位置A）和盒子的几何中心的空气温度（位置B）。图3D显示了四个样品在位置A处的温度曲线。在四个样本中，厚度为-mm的液体窗口和普通玻璃的最高表面温度分别为90°C和88°C。1-cm厚的水和1-cmTRL样品的记录温度分别为46°C和42°C。在两组样品上观察到超过40°C的温差。由于窗户的内表面温度主要受窗户上积聚的热量和通过窗户传递的热量的影响，因此水和玻璃的Cp值之间的较大差异（4.2与0.84kJkg-1K-1）表明：通过太阳辐射积累的热量更多地存储在富含水的材料中。
图3E描述了四个温室的温度（位置B）和照射时间之间的关系。在关闭太阳能模拟器的灯之前，装有普通玻璃的盒子中的最高气温为57°C。相反，对于1-mmTRL，则为45°C；对于1-cm水，则为43°C。与普通玻璃面板相比，1-mmTRL样品的降低幅度超过10°C，这在很大程度上归因于太阳能传输率的大幅降低（85.0％对3.7％）（图3C）。
参考文献：
doi.org/10./j.joule..09.
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