钙钛矿基热致变色窗可减少建筑物中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)领导的一项研究工作，在办公楼中使用热致变色窗户通过调节内部温度提高了美国所有气候区的能源效率，从而节省了大量资金。

基于使用钙钛矿材料吸收来自太阳的能量的热致变色窗口从透明转变为可见吸收或反射状态。该技术可减轻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兰斯·惠勒(Lance Wheeler)表示，改用热致变色窗户每年可节省大量能源，节省的主要来源是在寒冷或季节性气候下对高玻璃办公楼所需的加热能源较少。如果模拟办公楼里的所有工人都驾驶电动汽车，相当于美国人平均通勤的距离，那么每年的能源可以用来全年每天为每位工人的汽车充满电。

这些发现在论文“具有理想转变温度的热致变色卤化物钙钛矿窗口”中详细介绍，该论文发表在《先进能源材料》杂志上。他在NREL的合著者是Bryan Rosales，Janghyun Kim，Kevin Prince，Mirzo Mirzokarimov，Tom Daligault，Adam Duell，Colin Wolden和Laura Schelhas。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Swift Solar。

这项研究依赖于惠勒帮助开发的名为“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地吸收或反射红外光，但允许太阳光谱可见光部分的光穿过玻璃，彻底改变了窗户的能源效率。然而，略多于一半的太阳能能量发生在可见光波长，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。

研究人员使用他们的模型建造了一个12层的结构，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，包括夏威夷，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州。他们确定：

热致变色双层窗户提高了每个区域的双窗格窗户的建筑能源效率。

较冷地区的节能效果更大。

在最热的气候区，热致变色双窗格窗户的表现甚至优于三窗格窗户。

研究人员指出，在较冷的气候中，三窗格窗户比热致变色双窗格窗户更节能，但与效率最高的双窗格窗户相比，添加热致变色层压板以创建三窗格窗户可提供最多的年度节能。

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

“如果转变温度太高，那么窗户可能无法节省能源，而建筑物最好使用静态窗户，”惠勒说。“有趣的是，这个范围在许多不同的气候下都有效，从明尼苏达州北部到南加州。这是因为动态窗户在夏季减少了太阳热量的增加以节省空调，并且在冬季需要热量时，它们也会增加太阳热量的增益。

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

“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和建筑能源科学之间合作的力量。

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