新一代“智能窗户”冬暖夏凉 让你更省电费

“智能窗户”可以让人们冬暖夏凉，而且比较节省能源。此为窗户示意图。(Shutterstock)

全球能源需求正持续攀升，其中以建筑物的需求占最大比例，高达所有需求的30%至40%，甚至超过工业或交通之所需。由于建筑物的能源需求主要来自空调，而窗户是主要的问题所在，因此有研究人员开发了能够节省能源且让人冬暖夏凉的“智能窗户”（smart window）。

英国艾希特大学（University of Exeter）工程学博士后研究员罗伊（Anurag Roy）在The Conversation网站撰文说，窗户在冬天会让热量逸出，在夏天会让热量进入室内，迫使空调消耗更多能源，而且会增加碳排放。

如何在不影响窗户透明度和阳光进入量的情况下控制这种热传递是一大挑战，这两者对于人们的福祉和生产力至关重要。

有鉴于此，有研究人员开发了“智能窗户”。目前市面上的大多数版本都是所谓的电致变色（electrochromic），其运作原理是按一下按钮，将电流施加到玻璃内的颗粒层或晶体层上。

这会导致可逆的分子转变，使窗户变得不透明或变暗，进而阻挡大部分红外光，使房间变得温暖。这大幅减少了炎热国家对空调的需求，在高温下将60%至70%的热量保留在室外；而在比较寒冷的天气下，它们也可以让房间的热量损失减少大约40%。

近几年来，这种窗户在商业建筑物和住宅方面的销售量都相当好。2023年的全球市场总额估计有66亿美元。

然而，这种窗户在使用上有几个重要的限制。虽然这种窗户消耗的能源不多，但它们必须有电力才能运作。在偏远或电力不稳定的地方，这可能是个挑战。如果无法使用电网，用户必须安装太阳能板等替代品，才能使用这种窗户。

此外，现有很多产品只能在完全黑暗或完全透明之间切换。这意味着在天气炎热时，你会失去玻璃窗的透明优势，而且房间可能需要人工照明。

有一种不需要电力的替代方案是光致变色（photochromic）。这种窗户使用一层微小的卤化银晶体或称为萘并吡喃（naphthopyran）的化合物，这两种物质都会对不断升高的紫外光发生反应，导致玻璃在明亮的条件下变暗。它使用的材料与感光变色太阳眼镜完全相同。

与使用电致变色技术的窗户相比，这种窗户具有阻挡紫外光的额外优点。紫外光不仅会致癌，也会损坏家具等各种物品。

然而，光致变色窗户非常昂贵，尤其是在使用银的情况下。这种窗户对天气非常敏感，这会降低它们在多云或多雨条件下的可靠性。它们也不太擅长阻挡红外光，而且没有手动控制。

为此，有研究人员正在研发另一种在未来更有前景的替代方案，称为热致变色（thermochromic）。这种窗户使用会对温度而不是光线产生反应的颗粒涂层，也不需要电力。

它们比光致变色窗户便宜得多，仍然可以阻挡紫外光，而且在阻挡红外光方面有可能媲美电致变色窗户。它们还可以随着室外温度升高逐渐变暗，比电致变色窗户更有弹性。

虽然使用热致变色技术的玻璃已经存在，但它们还不适用于窗户。这是因为现有版本中的二氧化钒层只能在摄氏67度左右完全反射红外线，这个温度比世界最高温要高得多。

世界各地的研究人员正在研究如何改进热致变色玻璃，其中包括艾希特大学的环境与永续发展研究所（Environment and Sustainability Institute）正在进行的项目。

罗伊总结说，借由正确结合已开发和开发中国家的成功研究和政策支持，下一代“智能窗户”应该能够有大幅的进展，并在未来十或二十年内对建筑物的碳排放产生重大影响。