CN111550157A - 一种新型可调发射率的热变色智能窗户 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型可调发射率的热变色智能窗户，包括窗框，窗框内部装设有玻璃组件，玻璃组件包括玻璃基板，玻璃基板一侧沉积有用于调节玻璃基板在中红外区域具有低辐射功能的金属氧化物涂层，金属氧化物涂层是一层透明氧化铟锡膜，玻璃基板另一侧装设有太阳能调节高辐射部分，太阳能调节高辐射部分包括第一聚乙烯层，第一聚乙烯层上部装设有羟丙基纤维素水凝胶层，羟丙基纤维素水凝胶层还装设有第二聚乙烯层，羟丙基纤维素水凝胶层被第一聚乙烯层和第二聚乙烯层包裹在中间，本发明可根据季节与气候的变化，动态地调节不同波段热辐射和太阳透过率，从而达到降低室内温度和节约能耗，降低建筑物夏季的冷却负荷和减少冬季的热量损失。

Description

一种新型可调发射率的热变色智能窗户
技术领域
本发明涉及热能回收利用领域技术领域，特别涉及一种新型可调发射率的热变色智能窗户。
背景技术
2018年《巴黎协定》的签署，强调了将全球变暖限值设定在1.5℃以减少二氧化碳排放和节约能源的重要性，并呼吁全球社会降低碳排放。由于建筑能耗占据了全球能耗的40％，供热、通风和空调应用能耗占据了建筑能耗的一半，提高空调的应用能效成为了提高建筑可持续性的关键任务。
与其他建筑构件相比，窗户被认为是建筑中最不节能的部分。窗户直射阳光是导致夏季室温升高的主要因素，而冬季30％以上的能量损失也是由窗户引起的。可见光(360-780nm)、近红外(780-2500nm)和中红外(8-13μm)这三种波长的光对窗户节能非常重要，其中，可见光和近红外有助于室内供暖，而中红外与热辐射有关。因此，理想的节能智能窗在夏季应具有较低的太阳透过率和较高的中红外发射率，以防止窗户被太阳光加热和通过热辐射迅速散热；而在冬季，窗在可见光和近红外波段都必须具有较高的透明度，并具有较低的中红外发射率，以促进太阳光加热和防止热量损失。有前途的节能智能窗应同时具有较高的太阳调制能力ΔTsol和良好的中红外发射率切换能力。
显色节能窗是目前比较流行的研究方向之一，因为它能在接收到刺激时调节阳光的透射。根据不同的刺激，显色节能窗可分为热致变色、电致变色、光致变色等几类。在不同的显色技术中，热致变色由于其被动和零能量输入的特性被认为是最稳健，经济和理性激励的一类。虽然显色智能窗显示出良好的太阳调制能力ΔTsol，但由于显色智能窗不能改变其中红外发射率，离理想的智能窗还存在一些差距。另一方面，被动式日间辐射冷却是一种新发现的技术，它通过反射太阳光并以中红外的形式将热量辐射到寒冷的外层空间来辅助房间的冷却。与传统的空调等暖通技术不同，辐射冷却技术不需要外部电源和冷却液的使用。由于其独特的性能，辐射冷却材料被广泛用作冷却源，辐射冷却膜，结构材料和节能涂料。然而，辐射冷却材料的性质限制了其作为智能窗的应用。首先，大多数辐射冷却材料透光率低，而高透光率对窗户的应用至关重要。其次，绝大多数辐射冷却材料的中红外发射率不可改变，辐射冷却效应增加了冬季的采暖能耗，既抵消了夏季节省的采暖能耗，又导致年能耗增加。因此，辐射冷却材料在冬季是不可取的，它在季节性变化的动态环境中的应用也受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种新型可调发射率的热变色智能窗户，可根据季节与气候的变化，动态地调节不同波段热辐射和太阳透过率，从而达到降低室内温度和节约能耗，有利于减少建筑耗能，有利于降低建筑物夏季的冷却负荷和减少冬季的热量损失。
为实现上述目的，本发明提供了一种新型可调发射率的热变色智能窗户，包括窗框，所述窗框内部装设有玻璃组件，所述玻璃组件包括玻璃基板，所述玻璃基板一侧沉积有用于调节玻璃基板在中红外区域具有低辐射功能的金属氧化物涂层，所述金属氧化物涂层是一层透明氧化铟锡膜，所述玻璃基板另一侧装设有太阳能调节高辐射部分，所述太阳能调节高辐射部分包括第一聚乙烯层，所述第一聚乙烯层上部装设有羟丙基纤维素水凝胶层，所述羟丙基纤维素水凝胶层还装设有第二聚乙烯层，所述羟丙基纤维素水凝胶层被第一聚乙烯层和第二聚乙烯层包裹在中间。
作为优选的，所述窗框上部装设有第一转轴，所述窗框下部装设有第二转轴，所述窗框可围绕第一转轴和第二转轴进行正反面旋转。
作为优选的，所述第一聚乙烯层和第二聚乙烯层在可见光、近红外和中红外波段具有很高的透明性和良好的化学稳定性。
作为优选的，所述羟丙基纤维素水凝胶层具有良好的太阳调制能力，在其转变温度以下羟丙基纤维素水凝胶层具有高度的透明性；而一旦温度超过其转变温度，羟丙基纤维素水凝胶层将变得不透明并阻挡太阳光。
作为优选的，所述羟丙基纤维素水凝胶层具有很高的中红外发射率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明设有窗框，所述窗框内部装设有玻璃组件，所述玻璃组件包括玻璃基板，所述玻璃基板一侧沉积有用于调节玻璃基板在中红外区域具有低辐射功能的金属氧化物涂层，所述金属氧化物涂层是一层透明氧化铟锡膜，所述玻璃基板另一侧装设有太阳能调节高辐射部分，所述太阳能调节高辐射部分包括第一聚乙烯层，所述第一聚乙烯层上部装设有羟丙基纤维素水凝胶层，所述羟丙基纤维素水凝胶层还装设有第二聚乙烯层，所述羟丙基纤维素水凝胶层被第一聚乙烯层和第二聚乙烯层包裹在中间，所述金属氧化物涂层在中红外区域具有低辐射功能，可以阻挡热辐射的传导，所述第一聚乙烯层和第二聚乙烯层能够防止羟丙基纤维素水凝胶层变干燥，所述羟丙基纤维素水凝胶层在其转变温度以下，具有很高的透明性，太阳光可以轻松穿透，一旦温度超过其转变温度，羟丙基纤维素水凝胶层将变得不透明并阻挡太阳光，所述羟丙基纤维素水凝胶层具有高辐射功能，具有很高的中红外发射率，将上述两种功能特性相结合，能够自动调节太阳光的透过率，并且实现良好的中红外发射率切换能力，本发明的窗框设计为能够翻转的，满足夏季和冬季的不同需求，夏季，所述太阳能调节高辐射部分朝室外且金属氧化物涂层朝室内，使热量主要以中红外形式释放到外层空间，在早晚，窗户将保持透明以满足采光的需求，中午变得不透明以阻挡阳光对房间的加热，由于辐射冷却和阳光调节效果的结合，房间将保持较低的温度，冬季，所述金属氧化物涂层朝室外且太阳能调节高辐射部分朝室内，室内的热量无法通过热辐射传递到室外，防止了热量的损失，同时，明亮的透明窗还可以让阳光加热房间，降低取暖能耗；本发明可根据季节与气候的变化，动态地调节不同波段热辐射和太阳透过率，从而达到降低室内温度和节约能耗，有利于减少建筑耗能，有利于降低建筑物夏季的冷却负荷和减少冬季的热量损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种新型可调发射率的热变色智能窗户的整体结构示意图；
图2是本发明提供的一种新型可调发射率的热变色智能窗户的玻璃组件的分解结构示意图；
图3是本发明提供的一种新型可调发射率的热变色智能窗户在夏季和冬季的工作原理示意图；
图4是本发明提供的一种新型可调发射率的热变色智能窗户在20℃和60℃下的紫外光、可见光和近红外光谱示意图；
图5是聚乙烯和羟丙基纤维素水凝胶在6-16μm范围内的透射光谱示意图；
图6是本发明提供的一种新型可调发射率的热变色智能窗户在不同状态下高发射率侧和低发射率侧的发射率光谱示意图；
图7是本发明提供的一种新型可调发射率的热变色智能窗户在不同温度下低发射率侧和高发射率侧的红外图像示意图；
图8是在新加坡夏季室外节能效果实验中热变色智能窗户、普通低辐射的玻璃、羟丙基纤维素水凝胶、普通玻璃和环境温度的空气温度曲线；
图9是在新加坡夏季室外节能效果实验中热变色智能窗户和普通玻璃的温差曲线；
图10是在济南冬季室外节能效果实验中热变色智能窗户、普通低辐射的玻璃、羟丙基纤维素水凝胶、普通玻璃和环境温度的空气温度曲线；
图11是在济南冬季室外节能效果实验中热变色智能窗户和普通玻璃的温差曲线。
在图中包括有：
1-窗框、2-玻璃组件、21-玻璃基板、3-金属氧化物涂层、4-太阳能调节高辐射部分、41-第一聚乙烯层、42-羟丙基纤维素水凝胶层、43-第二聚乙烯层、11-第一转轴、12-第二转轴。
具体实施方式
下面将结合本发明本实施方式中的附图，对本发明本实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的本实施方式是本发明的一种实施方式，而不是全部的本实施方式。基于本发明中的本实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他本实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参考图1至图3，本发明提供了一种新型可调发射率的热变色智能窗户，包括窗框1，所述窗框1内部装设有玻璃组件2，所述玻璃组件2包括玻璃基板21，所述玻璃基板21一侧沉积有用于调节玻璃基板21在中红外区域具有低辐射功能的金属氧化物涂层3，所述金属氧化物涂层3是一层透明氧化铟锡膜，所述玻璃基板21另一侧装设有太阳能调节高辐射部分4，所述太阳能调节高辐射部分4包括第一聚乙烯层41，所述第一聚乙烯层41上部装设有羟丙基纤维素水凝胶层42，所述羟丙基纤维素水凝胶层42还装设有第二聚乙烯层43，所述羟丙基纤维素水凝胶层42被第一聚乙烯层41和第二聚乙烯层43包裹在中间。
所述玻璃基板21为玻璃组件2重要的组成部分，作为热变色智能窗户的机械支撑层，所述金属氧化物涂层3在中红外区域具有低辐射功能，可以阻挡热辐射的传导，所述第一聚乙烯层41和第二聚乙烯层43将羟丙基纤维素水凝胶层42包裹在中间，所述第一聚乙烯层41和第二聚乙烯层43在可见光、近红外和中红外波段具有很高的透明性和良好的化学稳定性，因此采用第一聚乙烯层41和第二聚乙烯层43来防止羟丙基纤维素水凝胶层42变干燥，所述羟丙基纤维素水凝胶层42含有大量的水分，所述羟丙基纤维素水凝胶层42是太阳能调节高辐射部分4的核心组成部分，所述羟丙基纤维素水凝胶层42具有良好的太阳调制能力，所述羟丙基纤维素水凝胶层42在其转变温度以下，具有很高的透明性，太阳光可以轻松穿透，一旦温度超过其转变温度，羟丙基纤维素水凝胶层42将变得不透明并阻挡太阳光，由于水具有极高的中红外发射率，所以羟丙基纤维素水凝胶层42也具有高辐射功能，具有很高的中红外发射率，热变色智能窗户将上述两种功能特性相结合，能够自动调节太阳光的透过率，并且实现良好的中红外发射率切换能力。
请参考图1，所述窗框1上部装设有第一转轴11，所述窗框1下部装设有第二转轴12，所述窗框1可围绕第一转轴11和第二转轴12进行正反面旋转。
请参考图1和图3，本发明的窗框1设计为能够翻转的，满足夏季和冬季的不同需求，夏季，所述太阳能调节高辐射部分4朝室外且金属氧化物涂层3朝室内，使热量主要以中红外形式释放到外层空间，在早晚，窗户将保持透明以满足采光的需求，中午变得不透明以阻挡阳光对房间的加热，由于辐射冷却和阳光调节效果的结合，房间将保持较低的温度，冬季，所述金属氧化物涂层3朝室外且太阳能调节高辐射部分4朝室内，室内的热量无法通过热辐射传递到室外，防止了热量的损失，同时，明亮的透明窗还可以让阳光加热房间，降低取暖能耗。
所述热变色智能窗户的的透光率Tlum为71.2％，调光能力ΔTsol为62.6％。热变色智能窗户两侧的中红外发射率也具有显著差异，太阳能调节高辐射部分4侧为0.95，金属氧化物涂层3侧为0.4。
在室内外的实验中，所述热变色智能窗户显示出优异的节能性能，在夏季室内外的实验中，所述热变色智能窗户与普通玻璃窗相比，实现了约30℃的气温下降，所述热变色智能窗户的性能使其有望成为实现全年建筑节能高效的可行途径。
如图4所示，分别显示了20℃和60℃下热变色智能窗户的紫外光、可见光和近红外光谱。在低温下(20℃)，所述热变色智能窗户的透光率高达71.2％。由于金属氧化物涂层3的红外吸收特性，使波长在1400nm以上的红外光谱完全被遮挡，此外，所述热变色智能窗户具有良好的透光率调节能力Tlum为62.6％和太阳光调节能力ΔTsol为40.0％。
如图5所示，为聚乙烯和羟丙基纤维素水凝胶在6-16μm范围内的透射光谱。可以观察到，在辐射冷却窗口(8-13μm)内，聚乙烯表现出了高达80％的高透射，羟丙基纤维素水凝胶表现出约50％的透射。聚乙烯具有很高的红外透明性，使得羟丙基纤维素水凝胶中能够有效地将热量释放到空间中。
如图6所示，显示了不同状态下高发射率侧和低发射率侧的发射率光谱。在冷态和热态下，高发射率侧均具有较高的发射率高达0.95，而低发射率侧的发射率为0.35，明显低于普通玻璃为0.88。因此，可以得出这样的结论：该窗口具有定向控制中红外辐射的能力。
如图7所示，显示了不同温度下低发射率侧和高发射率侧的红外图像。结果表明，高发射率侧的温度高于背景温度，低发射率侧的温度低于背景温度。这种温差是由于窗户两侧的中红外发射率的差异造成的。由于高发射率侧的中红外发射率为0.95高于背景的中红外发射率为0.88，其红外辐射强度高于背景，所以高发射率侧看起来比背景更热。另一方面，低发射率侧的中红外发射率为0.35低于背景的中红外发射率为0.88，所以低发射率侧发出的红外辐射更少，看起来比背景更冷。
如图8和图9所示，为在新加坡夏季室外节能效果实验中热变色智能窗户、普通低辐射的玻璃、羟丙基纤维素水凝胶与普通玻璃的温度读数和温差。热变色智能窗户具有显著的节能性能，带热变色智能窗户的房间是白天四个房间中室内温度最低的。值得一提的是，从12:00到15:00，热变色智能窗户房间和普通玻璃窗房间的温差达到了27.5℃，同时，热变色智能窗户房间的温度也低于传统羟丙基纤维素水凝胶房间9℃和普通低辐射的玻璃房间20℃，说明热变色智能窗户具有很高的太阳能调制能力和良好的中红外发射率切换能力，具有很好的节能性能。
如图10和图11所示，为在济南冬季室外节能效果实验中热变色智能窗户、普通低辐射的玻璃、羟丙基纤维素水凝胶与普通玻璃的温度读数和温差。在冬季夜间，普通低辐射的玻璃房间的室内温度一整天的温差最高为15℃，热变色智能窗户房间的室内温度一整天的温差第二高为13.5℃，而普通玻璃窗户房间的室内温度一整天的温差最低为12.5℃。这一实验或者观察结果证明，热变色智能窗户在冬季一整天比普通玻璃窗户具有更好的节能性能，进一步证明了热变色智能窗户的节能性能。
将羟丙基纤维素水凝胶层42填充到第一聚乙烯层41和第二聚乙烯层43中间，并在玻璃基板21上沉积具有低辐射功能的金属氧化物涂层3，制成了一种新型可调发射率的热变色智能窗户。热变色智能窗户在太阳能透过率调节和中红外发射率切换两方面都达到了令人满意的性能。热变色智能窗户在室温下显示出71％的高透光率Tlum，并且在加热时具有良好的发光调节能力为62％。此外，羟丙基纤维素水凝胶层42显示出极高的中红外发射率为0.95。由于具有良好的太阳光透过率调节能力和独特的中红外发射率切换特性，所述热变色智能窗户与普通玻璃相比，夏季白天温度下降约30℃。另与此同时，所述热变色智能窗户在冬季也显示出令人满意的的节能能力。综上所述，结合低中红外发射的金属氧化物涂层3和高中红外发射率热致变色羟丙基纤维素水凝胶层42的优点，所述热变色智能窗户在提高建筑可持续性方面具有很大的作用。
综上所述，本发明的有益效果在于：
所述金属氧化物涂层3在中红外区域具有低辐射功能，可以阻挡热辐射的传导，所述第一聚乙烯层41和第二聚乙烯层43能够防止羟丙基纤维素水凝胶层42变干燥，所述羟丙基纤维素水凝胶层42在其转变温度以下，具有很高的透明性，太阳光可以轻松穿透，一旦温度超过其转变温度，羟丙基纤维素水凝胶层42将变得不透明并阻挡太阳光，所述羟丙基纤维素水凝胶层42具有高辐射功能，具有很高的中红外发射率，将上述两种功能特性相结合，能够自动调节太阳光的透过率，并且实现良好的中红外发射率切换能力，本发明的窗框1设计为能够翻转的，满足夏季和冬季的不同需求，夏季，所述太阳能调节高辐射部分4朝室外且金属氧化物涂层3朝室内，使热量主要以中红外形式释放到外层空间，在早晚，窗户将保持透明以满足采光的需求，中午变得不透明以阻挡阳光对房间的加热，由于辐射冷却和阳光调节效果的结合，房间将保持较低的温度；冬季，所述金属氧化物涂层3朝室外且太阳能调节高辐射部分4朝室内，室内的热量无法通过热辐射传递到室外，防止了热量的损失，同时，明亮的透明窗还可以让阳光加热房间，降低取暖能耗；本发明可根据季节与气候的变化，动态地调节不同波段热辐射和太阳透过率，从而达到降低室内温度和节约能耗，有利于减少建筑耗能，有利于降低建筑物夏季的冷却负荷和减少冬季的热量损失。

Claims (5)

1.一种新型可调发射率的热变色智能窗户，包括窗框(1)，其特征在于，所述窗框(1)内部装设有玻璃组件(2)，所述玻璃组件(2)包括玻璃基板(21)，所述玻璃基板(21)一侧沉积有用于调节玻璃基板(21)在中红外区域具有低辐射功能的金属氧化物涂层(3)，所述金属氧化物涂层(3)是一层透明氧化铟锡膜，所述玻璃基板(21)另一侧装设有太阳能调节高辐射部分(4)，所述太阳能调节高辐射部分(4)包括第一聚乙烯层(41)，所述第一聚乙烯层(41)上部装设有羟丙基纤维素水凝胶层(42)，所述羟丙基纤维素水凝胶层(42)还装设有第二聚乙烯层(43)，所述羟丙基纤维素水凝胶层(42)被第一聚乙烯层(41)和第二聚乙烯层(43)包裹在中间。
2.根据权利要求1所述的一种新型可调发射率的热变色智能窗户，其特征在于，所述窗框(1)上部装设有第一转轴(11)，所述窗框(1)下部装设有第二转轴(12)，所述窗框(1)可围绕第一转轴(11)和第二转轴(12)进行正反面旋转。
3.根据权利要求1所述的一种新型可调发射率的热变色智能窗户，其特征在于，所述第一聚乙烯层(41)和第二聚乙烯层(43)在可见光、近红外和中红外波段具有很高的透明性和良好的化学稳定性。
4.根据权利要求1所述的一种新型可调发射率的热变色智能窗户，其特征在于，所述羟丙基纤维素水凝胶层(42)具有良好的太阳调制能力，在其转变温度以下羟丙基纤维素水凝胶层(42)具有高度的透明性；而一旦温度超过其转变温度，羟丙基纤维素水凝胶层(42)将变得不透明并阻挡太阳光。
5.根据权利要求1所述的一种新型可调发射率的热变色智能窗户，其特征在于，所述羟丙基纤维素水凝胶层(42)具有很高的中红外发射率。
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