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淺談對VO2智能窗的認(rèn)識

2021-01-21 22:15:04楊鵬
家園·建筑與設(shè)計 2021年16期
關(guān)鍵詞:節(jié)能

楊鵬

摘要:VO2 是一種典型的熱致變色材料,在 68°C 附近會出現(xiàn)具有可逆性的金屬-半導(dǎo)體相變,并隨著光學(xué)性能的變化,對近紅外波段由低溫時的高透 過率變?yōu)楦邷貢r的高反射狀態(tài)。利用這種熱致變色性質(zhì),可以研發(fā) VO2 智能溫控節(jié)能窗,實現(xiàn)對太陽能的自動調(diào)控,在建筑節(jié)能領(lǐng)域體現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前 景。

關(guān)鍵詞:二氧化釩;智能窗;節(jié)能

引言

隨著工業(yè)化的逐步推進,引發(fā)了一系列環(huán)境問題,例如電力消耗的增 加、二氧化碳的排放以及大氣中污染物的形成。要想解決這些能源和環(huán)境 問題,我們在不停地尋找一種方式,平衡能源利用效率與減少能源消耗之 間的矛盾。

查閱相關(guān)資料,我們知道,建筑能耗在社會總能耗中占比 30%以上。在建筑結(jié)構(gòu)中,與外界環(huán)境進行熱量交換可以通過墻壁、屋頂、門窗等結(jié) 構(gòu)進行,其中窗戶是熱量交換的主要部件。有測試結(jié)果表明,對于大多數(shù) 建筑所使用的單層玻璃窗戶,在冬天時向外傳遞的熱量約占總熱量 58%,在夏天時向內(nèi)傳遞的熱量約占總熱量的 73%。此外,目前一線城市所大規(guī) 模使用的建筑玻璃幕墻,雖然具有美觀與實用的價值,但由于大面積玻璃 與外界產(chǎn)生的熱交換,使其所產(chǎn)生的建筑能耗同比增加。因此,要想降低 建筑能耗,對于建筑玻璃的改造是一條可行路徑。

自上世紀(jì) 60 年代起,美國及歐洲的一些國家開始對建筑玻璃的節(jié)能技 術(shù)展開研究,取得了一系列的成果。但這些玻璃只能對紅外線進行被動反 射,或者由于其低傳熱系數(shù)單純的起到室內(nèi)保溫隔熱效果,無法隨環(huán)境條 件變化而進行調(diào)節(jié),VO2 智能窗玻璃應(yīng)運而生。

VO2 智能窗可以對光、電、熱等外部條件的刺激做出響應(yīng),改變不同波 段光的透過率來控制透過玻璃進入建筑內(nèi)部的太陽輻射能量,從而起到調(diào) 控室內(nèi)溫度的作用。智能窗依據(jù)工作原理大致有電致變色、光致變色以及 熱致變色三種。其中,電致變色和熱致變色是實現(xiàn)建筑節(jié)能的兩種主要方 式,熱致變色智能窗具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、全自動光熱調(diào)控的優(yōu)勢,且能夠?qū)囟戎苯禹憫?yīng),是下一代智能窗的首選。

1 VO2 智能窗工作原理及節(jié)能效果

1.1 工作原理

如圖 1.1 所示,智能窗工作系統(tǒng)在溫度低于熱致變色材料的轉(zhuǎn)變溫度 時,大多數(shù)可見光和近紅外輻射能夠順利透過熱敏材料層,從而滿足室內(nèi) 采光要求;當(dāng)溫度高于熱致變色材料的轉(zhuǎn)變溫度時,可見光能順利透過以 滿足采光要求,而近紅外輻射一部分將會被吸收,另一部分將會被反射,達(dá)到限制能量進入的目的。

1.2 節(jié)能效果

VO2 智能窗在低溫和高溫作用下,紅外光區(qū)的通過率會發(fā)生明顯的變 化。具體表現(xiàn)為 VO2 在高溫時從 M 相變化到 R 相,對紅外光線有反射作用,國內(nèi)外學(xué)者常用光度計來測試這種通過率,利用可見透過比和熱調(diào)控能力 這兩個基本參數(shù)來評價智能窗的節(jié)能環(huán)保性能。

從某種意義上來說,只有滿足智能窗的可見透過比 Tlum 不小于百分之 六十,且同時滿足 VO2 薄膜的熱調(diào)控能力△Tsol不小于百分之十,才算該智 能窗達(dá)到節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。Tlum和△Tsol可以利用下面這個公式來計算:

2 VO2 薄膜制備與不足

自從發(fā)現(xiàn) VO2 的可逆相變性質(zhì)以來,國內(nèi)外學(xué)者對其進行了廣泛的探 索,關(guān)于 VO2 的制備方法也有了系統(tǒng)的研究,到如今制備 VO2 薄膜的方法 已經(jīng)十分成熟。下面將談?wù)剮追N常用的制備方法及原理,順便談?wù)勎宜J(rèn) 為其存在的不足之處。

2.1 制備方法

2.1.1 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是將無機鹽水解,產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的溶膠,再經(jīng)過一段時間無機 反映,膠粒之間慢慢堆積,再將其干燥得到凝膠,并不斷研磨,得到目標(biāo) 產(chǎn)物的方法。這個方法的制備儀器簡單易于上手、溶膠純度非常高,但是 實驗周期過長,且能耗較高。

2.1.2 水熱法

水熱法可以獲得粒度分布勻稱、粘結(jié)水平低、晶格完整、形貌多樣、 純度特別高的粉體。其可調(diào)節(jié)的實驗參數(shù)有很多,通過改變原材料種類和 配合比、水熱反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、溶液酸堿值、填充率等參數(shù)可以得到 不同形貌、性能的產(chǎn)物。當(dāng)然,水熱法也存在周期長,產(chǎn)率低,污染大等 缺點,這也導(dǎo)致難以用該方法進行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

2.1.3 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法是指在溶液里離子相互反應(yīng),產(chǎn)生沉淀,再將沉淀煅 燒,研磨得到目標(biāo)產(chǎn)物。該方法容易制得所需的前驅(qū)體,產(chǎn)品的整體性易 控制,但工藝周期長,污染環(huán)境,產(chǎn)率低,這些問題都不可避免。

2.2 存在的不足

使用純相的 VO2 是不實際的,在 VO2 薄膜被實際推廣應(yīng)用之前,我認(rèn) 為有以下兩個問題需要解決:

一是 VO2 的“半導(dǎo)體-金屬”轉(zhuǎn)變溫度是 68 攝氏度,假如想要在常溫條件 下利用 VO2,則必須使轉(zhuǎn)變溫度下降到常溫范圍;二是 VO2 的透光率太低。一 般所制備的二氧化釩薄膜在可見光區(qū)域的透過率為 40%左右,相對比較低,因 此如果想將其廣泛應(yīng)用于智能窗材料,必須提高它們的可見光透過率。

3 VO2 薄膜的應(yīng)用研究

雖然目前沒有對 VO2 相變機理的統(tǒng)一解釋,但是它較好的相變性質(zhì)還 是大眾普遍接受的。由于 VO2 相變溫度接近室溫,且隨著相變產(chǎn)生,它的 光、電、磁學(xué)性能均可發(fā)生可逆的突變,有很高的應(yīng)用前景。包括但不限 于記憶材料、傳感器、制動器、光電探測器、光電開關(guān)、激光防護、紅外 熱敏電阻材料、智能包裝等領(lǐng)域的應(yīng)用。

4 總結(jié)與展望

本文主要從 VO2 智能窗工種原理、節(jié)能效果、薄膜制備與應(yīng)用等方面 淺談了自己的認(rèn)識,旨在引起國內(nèi)更多學(xué)者產(chǎn)生興趣并投入到該領(lǐng)域更深 層次的研究,以縮小與國外的水平差距。隨著建筑發(fā)展的智能化和現(xiàn)代化,制備出符合要求的 VO2 智能窗將顯得尤為迫切,我相信在不久的將來它在 建筑節(jié)能等領(lǐng)域會有更巨大的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

[1]王超,趙麗,王世敏,董兵海,萬麗,許祖勛,梁子輝,宋成杰.二 氧化釩薄膜智能窗的研究進展[J].材料導(dǎo)報,2017,31(S1):257-262+272.

[2]陳云翔.復(fù)合結(jié)構(gòu)二氧化釩基納米粉體制備及性能研究[D].中國科學(xué) 院大學(xué)(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所),2020.

[3]張樂樂.釓、鋯、釹元素?fù)诫s對二氧化釩粉體結(jié)構(gòu)及相變性能的影響 研究[D].西安建筑科技大學(xué),2020.

[4]湯永康.有機溶膠—凝膠法制備 VO2 薄膜及其性能研究[D].安徽理工 大學(xué),2014.

[5]徐強.智能窗玻璃用摻雜二氧化釩納米粉體的固相合成及表征[D].南 昌大學(xué),2020.

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