《Applied Energy》：Scalable hydrogel smart windows with moisture retention and low-emissivity for sustainable buildings
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温致变色水凝胶智能窗通过引入PCA-Na/PNIPAM共聚物和ITO涂层，实现高透光率（69.3%）、低长波红外发射率（0.32）及12%提升的水分保持，并成功制备40×45cm2示范窗，夏季室内降温达9°C，模拟显示HVAC能耗降低44.9%-46.1%。
胡振辉|谭玉彤|姚凯|孙家硕|魏恒山|赵宇|陈曦|龙毅|杨永生|彭金清|柯玉杰
中国湖北省废物纤维清洁回收与资源化利用重点实验室，武汉纺织大学，武汉430073
摘要
热致变色水凝胶在智能窗户领域显示出巨大潜力，但面临高热辐射率和快速失水等挑战。本文报道了一种基于水凝胶的智能窗户，它同时解决了保湿性、低长波红外辐射率（?_LWIR）和大面积制备的关键问题。该水凝胶通过将保湿剂吡咯烷酮羧酸钠（PCA）与N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）共聚而成，形成了稳定的结构，使相变温度降至25.7°C，并将保水性提高了12%。此外，该水凝胶还与氧化铟锡（ITO）层结合使用，进一步降低了?_LWIR。我们制作了一个大面积的智能窗户示范样品（40 × 45 cm2），实现了69.3%的可见光透射率（Т_lum）、60.3%的太阳光调制率（Δ_T_sol）和0.32的低?_LWIR。据我们所知，之前很少有报告能够同时达到这样的性能和保水性。实验表明，在日光照射下，该智能窗户比普通玻璃窗户能够将室内温度降低9.0°C。EnergyPlus模拟结果显示，在曼谷、菲尼克斯和长沙，这种智能窗户分别每年可节省44.9%、46.1%和10.1%的供暖、通风和空调（HVAC）能耗，优于传统玻璃系统。这种集成设计在100次循环后仍保持优异的光学性能，为实际应用的节能建筑提供了可行的方案。
引言
供暖、通风和空调（HVAC）系统对于调节室内温度、湿度和空气质量至关重要[1][2][3]，通常占总建筑能耗的约50%[4][5]。在建筑围护结构中，窗户在夏季吸收热量、冬季散发热量方面起着重要作用。因此，能够适应太阳辐射的智能窗户在提高能源效率和减少碳排放方面受到了广泛研究[6][7]。由于具有高度适应性，智能窗户可以通过调节热负荷、综合管理和多模式控制来有效应对动态环境[8][9][10]。
智能窗户技术可以根据外部环境条件动态调整光透射率和反射率[11][12]，从而优化HVAC系统运行，提高能源效率并减少空调系统的开关频率[13][14]。与机械、光致变色和电致变色窗户相比，热致变色窗户特别吸引人，因为它们无需外部能量输入即可被动调节光线传输[15][16][17]。
水凝胶因其对温度变化的响应性而被广泛研究作为热致变色材料[18][19]。然而，水凝胶的高含水量和快速蒸发导致其长期稳定性较差，从而影响热致变色性能。近年来，研究人员探索了天然保湿剂（如氨基酸衍生物、无机盐和多元醇）来增强水凝胶的保水性[20][21]。将这些保湿剂掺入N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶中，有望有效延长使用寿命并调节相变温度，使其在可持续建筑应用中具有重要意义。
除了保水性外，控制长波红外（LWIR，8–14 μm）辐射对于节能建筑围护结构也非常关键。建筑能耗主要来源于太阳辐射和热辐射的综合作用[22][23]。太阳辐射能量主要集中在紫外-可见-近红外（UV–vis-NIR）光谱范围内（0.28–2.5 μm），而建筑物过热主要与LWIR辐射率（?_LWIR）有关[24][25]。建筑围护结构内热负荷的不断积累会导致室内过热，显著增加冷却需求和能耗。因此，有效控制LWIR辐射已成为建筑能效研究的关键焦点[26][27]。辐射冷却（RC）通过将LWIR自发排放到外太空来降低室内温度[28]。虽然高?_LWIR材料有利于RC，但也会向建筑物内传递热量，从而增加室内热负荷。因此，使用低?_LWIR层作为LWIR屏障可以有效阻止热量传递，进一步提高能源效率[29]。夏季，建筑物外墙长时间暴露在高温环境中，LWIR辐射热成为主要的冷却负荷来源。通过高?_LWIR实现RC可以显著降低冷却负荷，从而节省大量能源。冬季，为了获得良好的隔热效果，应使用低?_LWIR材料来抑制RC，从而减少供暖需求、降低能耗并维持稳定的室内温度。虽然该系统在夏季能满足冷却需求，但在冬季的隔热性能仍有不足。最近的一些进展（如集成VO?、纤维素气凝胶和Janus结构）在一定程度上改善了LWIR热调节性能，但可扩展性仍是一个挑战[24][30][31][32]。
本文提出了一种将热致变色水凝胶与氧化铟锡涂层聚对苯二甲酸乙二醇酯（ITO-PET）薄膜结合的策略，以实现低?_LWIR、增强保水性和大规模制备。具体来说，添加吡咯烷酮羧酸钠（PCA）将最低临界溶解温度（LCST）降至25.7°C，使PNIPAM水凝胶的保水性提高了12%。ITO层有效降低了?_LWIR至0.32，减少了进入室内的热辐射。由此制成的ITO-水凝胶复合智能窗户具有69.3%的可见光透射率（Т_lum）和60.3%的太阳光调制率（Δ_T_sol）。实验测试显示，在直射阳光下，该窗户比普通玻璃窗户可使室内温度降低9.0°C。EnergyPlus模拟表明，在曼谷、菲尼克斯和长沙，这种智能窗户每年分别可节省44.9%、46.1%和10.1%的HVAC能耗。这项研究展示了改进热致变色水凝胶智能窗户的策略，并为实际应用的节能建筑提供了灵感。
材料
N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM，≥98%，McLean），N,N-亚甲基双（丙烯酰胺）（MBA，交联剂，≥99%，National Pharmaceuticals），过硫酸铵（APS，98%，引发剂，Aladdin），N,N,N,N-四甲基乙二胺（TEMED，催化剂，99%，National Pharmaceuticals），PCA-Na（Aladdin），所有化学品均按原样使用，无需进一步纯化。实验过程中使用去离子水（18.2 MΩ）。ITO-PET薄膜的电阻率分别为30、60、100和200 Ω/sq。
智能窗户的设计原理和优势
低?_LWIR玻璃因其节能特性而在建筑中得到广泛应用[37][38]。通过与热致变色水凝胶结合，它可以克服在紫外、可见和近红外（UV–vis-NIR）区域调节光传输的能力局限。因此，我们在图1a中提出了理想低?_LWIR窗户的关键性能要求，重点关注太阳光和LWIR光谱。
结论
总结来说，我们报道了一种基于ITO-水凝胶复合材料的智能窗户，展示了其优异的光学性能和显著的节能潜力。该水凝胶通过将保湿剂PCA-Na与PNIPAM共聚而成。PCA-Na/PNIPAM水凝胶的加入提高了保水性，而ITO涂层有效减少了进入室内的热辐射。制备的智能窗户具有69.3%的可见光透射率（Т_lum）和60.3%的太阳光调制率（Δ_T_sol）。
CRediT作者贡献声明
胡振辉：撰写 – 原始草稿、方法论、数据整理。谭玉彤：撰写 – 审稿与编辑、软件应用、方法论、数据整理。姚凯：方法论、概念设计。孙家硕：可视化、资源准备。魏恒山：可视化、资源准备。赵宇：撰写 – 审稿与编辑、数据整理。陈曦：撰写 – 审稿与编辑。龙毅：撰写 – 审稿与编辑。杨永生：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念设计。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：已为这项研究申请了美国专利（申请编号：63/883,694）。
致谢
Y. Y. 感谢武汉纺织大学的资助（编号：242310和253084）以及武汉纺织大学基金B的资助（编号：K24080）。Y. T. 感谢国家自然科学基金对该项目的支持（编号：52308093）。Y. K. 感谢岭南大学提供的教师研究资助（SISFRG2603）、国家自然科学基金青年C类项目（编号：52502362）以及Lam Woo研究基金（编号：LWP20039）的支持。
