基于钙钛矿的热致变色窗户可减少建筑物的能源负荷和碳排放

根据美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)领导的一项研究，在办公楼中使用热致变色窗户可通过调节内部温度来提高美国所有气候区的能源效率，从而节省大量资金.

基于使用钙钛矿材料吸收太阳能量的热致变色窗户从透明状态转变为可见吸收或反射状态。该技术减轻了温暖气候下的热负荷和寒冷地区的冷负荷。

该项目的首席研究员LanceWheeler表示，改用热致变色窗户每年可节省大量能源，主要的节省来源是在寒冷或季节性气候下，高玻璃办公楼需要更少的热能。如果模拟办公楼中的所有工人驾驶电动汽车的距离相当于美国人的平均通勤距离，那么全年的能源可以用来为每个工人的汽车在一年中的每一天充满电。

发表在AdvancedEnergyMaterials杂志上的论文“具有理想转变温度的热致变色卤化物钙钛矿窗”详细介绍了这些发现。他来自NREL的合著者有BryanRosales、JanghyunKim、KevinPrince、MirzoMirzokarimov、TomDaligault、AdamDuell、ColinWolden和LauraSchelhas。其他合著者来自科罗拉多矿业学院、威斯康星大学斯托特分校和SwiftSolar。

这项研究依赖于Wheeler帮助开发的名为“PVwindow”的建模软件，表明在单窗格甚至双窗格窗口上添加热致变色层压板将产生显着的节省。

建筑物约占美国所有一次能源消耗的40%，其中供暖是最大的贡献者。从1980年代开始，涂层技术通过选择性吸收或反射红外线但允许太阳光谱可见部分的光穿过玻璃，彻底改变了窗户的能源效率。然而，略多于一半的太阳能来自可见光波长，因此需要更多的能量来加热或冷却具有显着玻璃幕墙的建筑物。

研究人员使用一个12层结构的模型作为他们的模型，其窗墙比为95%。他们以15分钟的间隔模拟了建筑物的能源使用情况，为期一年，覆盖全国八个气候区，覆盖夏威夷、亚利桑那州、加利福尼亚州、科罗拉多州、纽约州、威斯康星州、明尼苏达州和阿拉斯加。他们确定：

与每个区域的双层玻璃窗相比，热致变色双层玻璃窗提高了建筑能源效率。

寒冷地区的节能效果更好。

在最热的气候区，热致变色双层玻璃窗的性能甚至优于三层玻璃窗。

研究人员指出，在较冷的气候下，三层玻璃窗比热致变色双层玻璃窗节省更多能源，但与最高效率的双层玻璃窗相比，添加热致变色层压板以创建三层玻璃窗每年可节省最多的能源.

热致变色窗由温度触发，研究人员计算出理想的转变温度在20-27.5摄氏度(68-81.5华氏度)范围内。

Wheeler说：“如果转变温度太高，那么窗户可能无法节能，建筑物最好安装静态窗户。”“有趣的是，这个范围适用于许多不同的气候，从明尼苏达州北部到加利福尼亚州南部。这是因为动态窗户在夏天减少了太阳热量的增加以节省空调，并且当需要热量时它们也会增加太阳热量的增加冬天。”

研究人员将建模与实验工作相结合，展示了夹在两层玻璃之间的钙钛矿薄膜。经证明，热致变色开关可耐用200个循环。

“我们能够显着降低实验室中的转变温度以匹配预测的理想温度，”惠勒说。“这项工作展示了NREL的许多专业领域以及材料科学与建筑能源科学之间合作的力量。”