b体育网站官方登录·新型玻璃膜可将温度降低72°C 显著减少建筑能源消


发布时间:2024-06-07 00:25:07 来源:b体育网站登录 作者:b体育网页版登录

  窗户是个好东西,从窗户可以看到对面的公园或办公室外的鸟语花香。但是,窗户也可能不太好。采光(和视野)是一方面,但采光也会带来热量,尤其是在炎热的季节。在量子物理学和机器学习的帮助下,研究人员开发出了一种透明窗户涂层,它既能透进可见光,又能阻挡产生热量的紫外线和红外线。这种涂层不仅能降低室温,还能

  窗户是个好东西,从窗户可以看到对面的公园或办公室外的鸟语花香。但是,窗户也可能不太好。采光(和视野)是一方面,但采光也会带来热量,尤其是在炎热的季节。在量子物理学和机器学习的帮助下,研究人员开发出了一种透明窗户涂层,它既能透进可见光,又能阻挡产生热量的紫外线和红外线。这种涂层不仅能降低室温,还能降低与制冷有关的能耗,无论太阳在天空中的哪个位置。

  在炎热的天气里,家中高达 87% 的热量是通过窗户散发的。阳光中的紫外线很容易穿过玻璃,使房间升温,从而增加了您需要打开空调的可能性,或者通过拉上窗帘或拉下百叶窗来放弃任何光线(同样,也放弃了美景)。不过,圣母大学的研究人员已经开发出一种窗户涂层,可以阻挡产生热量的紫外线和红外线,同时允许可见光进入,从而降低室温和制冷能耗。

  圣母大学 MÖNSTER 实验室(分子/纳米级传输和能源研究实验室)负责人罗腾飞说:就像偏振太阳镜一样,我们的涂层可以降低入射光的强度,但与太阳镜不同的是,我们的涂层即使在不同角度倾斜时也能保持清晰和有效。

  2022年,罗和他的同事利用平面多层(PML)光子结构制造了一种玻璃涂层。这些堆叠的超薄层具有独特的折射率,可以根据光的波长选择性地透射或反射光线。他们将二氧化硅、氧化铝和氧化钛堆叠在玻璃基底上,再在上面覆盖一层薄薄的硅聚合物(PDMS),以反射热辐射(即受热表面向各个方向发射的电磁辐射),从而产生了一种透明涂层,他们说这种涂层的性能优于市场上的其他减热涂层。

  研究人员决心改进他们之前的工作。由于窗户通常是垂直安装的,一天中直射到窗户上的阳光会随着太阳的移动而变化。现有的窗户涂层往往针对以 90 度角进入的光线进行优化,因此它们阻挡光线的能力取决于所谓的太阳入射角。中午是一天中最热的时候,太阳光以斜角射入窗户,这意味着大多数涂层的阻挡效果较差。

  研究人员没有采用试错法来解决这个问题,而是使用了量子计算辅助机器学习模型。具体来说,他们使用了主动学习和量子退火,前者是机器学习的一个子集,其中学习算法可以交互式地询问用户以标注数据,后者则利用量子物理学来寻找最优或接近最优的元素组合。

  量子辅助主动学习方法使研究人员能够优化 PML 结构的配置,并为他们带来了绝对的优势,罗告诉《新图集》。它可以用来解决非常复杂的优化和设计问题,他说。这项工作中的复杂优化问题很难用传统算法来解决。

  研究人员利用以前使用过的元件,制造出了一种透明涂层,可以在很大的入射角度范围内选择性地透射和反射光线。然后,他们对其进行了测试。镀膜窗户和普通玻璃窗户被垂直放置在相同的室外试验室中。研究人员测量了每个室的白天温度。他们还将玻璃窗水平放置,面向天空,动车的天窗进行测试。与普通玻璃相比,镀膜玻璃表现出更优越的性能,在各种入射角度下都能将温度降低 41.7 °F 至 45 °F(5.4 °C 7.2 °C)。

  阳光与窗户之间的角度一直在变化,罗说。无论太阳在天空中的位置如何,我们的涂层都能保持功能性和效率。

  为了估算使用光子结构作为窗户的制冷节能效果,研究人员使用 EnergyPlus 软件模拟了不同城市标准办公室的能耗。结果表明,美国所有城市每年可节约高达 97.5 兆焦耳/平方米。这种节能效果在世界各地的城市都得到了体现,包括热带气候地区的城市。

  上图:地图显示美国使用窗户涂层后估计每年可节省的制冷能源。下图:全球 16 个选定城市的年制冷能耗估算。

  我认为它对汽车车窗特别有用,罗告诉《新地图集》。它可以用作天窗/月窗玻璃。它甚至可以用于挡风玻璃,你必须保持挡风玻璃的透明,但它会泄露大量的空间加热紫外线和红外(红外线)阳光。

  研究人员仍需确定窗口涂层的可扩展性。这还不得而知,罗说。我不能说它是否......更便宜,但随着我们努力扩大规模,它们可能会很便宜。这种涂层可以使用工业规模的涂层工艺制造。涂层中的材料都是非常普通的材料(没有外来材料)。


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