NTU 科学家研发节能玻璃，可自适应加热和冷却需求

新加坡南洋理工大学科学家研发出一款节能玻璃，可自动对温度变化做出反应，并在加热和冷却之间切换。这种智能窗的使用对建筑节能和脱碳将具有非常重要的意义。

节能玻璃创新

由新加坡南洋理工大学（NTU）的科学家领导的一个国际研究团队开发了一种材料，将其涂在玻璃板上，可以有效地自适应世界各地不同气候区的房间加热或冷却，帮助减少能源使用。

NTU的研究人员开发了这种玻璃，并在顶级科学杂志《科学》(Science)上发表了报告。这种玻璃是第一种能自动对温度变化做出反应的玻璃，可以在加热和冷却之间切换。

节能玻璃，来源：NTU

结构及工作原理

这种自适应玻璃是利用二氧化钒纳米颗粒复合层、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和低辐射涂层开发的，形成了一种独特的结构，可以同时调节加热和冷却。

玻璃独特结构，来源：NTU，Youtube视频截图

新开发的玻璃没有电子元件，它的工作原理是通过利用负责加热和冷却的光的光谱来工作。在夏季，玻璃抑制太阳能加热（近红外光），同时促进辐射冷却（长波红外）——热量通过表面散发到寒冷的宇宙的一种自然现象——来冷却房间。

夏季工作原理，来源：NTU，Youtube视频截图

在冬天，它的作用正好相反，使房间暖和起来。

冬季工作原理，来源：NTU官网，Youtube视频截图

在使用红外摄像机观察结果的实验室测试中，玻璃允许在各种条件下(室温- 70°C以上)释放一定量的热量，证明其能够对不断变化的天气条件作出动态反应。

可同时调节加热和冷却

窗户是建筑物设计中的关键部分，也是最不节能和最复杂的部分。根据美国能源部提供的数据，仅在美国，建筑中与窗户有关的能源消耗（供暖和制冷）每年约占其初级能源总用量的4%。

尽管其他地方的科学家已经开发出可持续的创新来缓解能源需求——例如使用低辐射涂层来防止热传导，以及通过着色来调节太阳辐射进入房间的电致变色玻璃——但直到现在，还没有一种解决方案能够同时调节加热和冷却。

这项研究的首席研究员，NTU材料科学与工程学院(MSE)的Long Yi博士说：“如今，大多数节能窗户都解决了由可见光和近红外太阳光引起的那部分太阳热增益。然而，研究人员往往忽略了长波长红外线的辐射冷却。”

“虽然专注于辐射冷却的创新已经被用于墙壁和屋顶，但这一功能在冬季变得不可取。我们的团队首次展示了一种能够对两种波长作出良好反应的玻璃，这意味着它可以持续自我调节，以对所有季节的温度变化作出反应。”

Long Yi 博士，来源：NTU

由于这些特点，NTU研究团队认为他们的创新为建筑节能提供了一种方便的方式，即不依赖任何移动部件、电气机制或阻挡视线来发挥作用。

共同作者，来自美国怀俄明大学的Gang Tan教授和领导建筑节能模拟的华中科技大学的Ronggui Yan教授说，为了提高窗户的性能，同时调节太阳能传输和辐射冷却是至关重要的。

Gang Tan教授表示这项创新填补了传统智能窗和辐射冷却之间的空白，为最大限度地减少能源消耗铺设了一个新的研究方向。

这项研究是支持NTU 2025战略计划的开创性研究的一个例子，该计划旨在应对人类在可持续发展方面的巨大挑战，并加快将研究发现转化为减轻人类对环境影响的创新。

适用于广泛的气候类型

作为概念证明，科学家们使用覆盖全球所有人口居住地区（七个气候区）的气候数据模拟测试了他们的发明的节能性能。

研究小组发现，他们开发的玻璃在暖季和冷季都显示出节能效果，在模拟的中型办公大楼中，总体节能性能高达9.5%，即每年比市面上的低辐射玻璃少约33万千瓦时（约新加坡60个家庭一年所需的能源）。

该研究的第一作者Wang Shancheng是Long Yi博士的研究员和前博士生，他说：“结果证明了在所有类型的气候中应用我们的玻璃的可行性，因为它能够帮助减少能源的使用，而不受季节性温度冷热波动的影响。这使我们的发明有别于目前的节能窗，后者往往在季节性变化较小的地区有限使用。”

（左）研究员Meng Yun、（中）首席研究员Long Yi博士

（右）研究员Wang Shancheng博士，

来源：NTU

此外，他们的玻璃的加热和冷却性能可以定制，以适应市场和地区的需求。

Long Yi博士说：“我们只需简单地调整分层在玻璃板上的特殊纳米复合涂层的结构和成分，就可以实现这一目标，使我们的创新有可能被用于广泛的热调节应用，而不仅仅局限于窗户。”

美国马里兰大学Herbert Rabin特聘教授、材料创新中心主任Liangbing Hu教授提供了一个独立的观点，他说：“Long Yi教授和她的同事们原创性地开发了可以调节近红外太阳光和长波红外热量的智能窗。这种智能窗的使用对建筑节能和脱碳具有非常重要的意义。”

这项创新已经在新加坡申请了专利。下一步，研究团队的目标是通过设计他们的纳米复合涂层实现更高的节能性能。

国际研究团队还包括来自中国南京理工大学的科学家。该研究得到了新加坡-胡志明市研究与企业联盟（SHARE）的支持，该联盟属于卓越研究与技术企业校园计划（CREATE），教育部研究基金第一级以及中新国际联合研究学院。

参考文献：

1. NTU Singapore scientists invent energy-saving glass that ‘selfadapts’ to heating and cooling demand ;

2. Paper titled “Scalable thermochromic smart windows with passive radiative coolingregulation”, published in Science, 17 December 2021.DOI: 10.1126/science.abg0291