淺談對(duì)VO2智能窗的認(rèn)識(shí)

楊鵬

摘要：VO2 是一種典型的熱致變色材料，在 68°C 附近會(huì)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(duì)近紅外波段由低溫時(shí)的高透 過(guò)率變?yōu)楦邷貢r(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的自動(dòng)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(jìn)，引發(fā)了一系列環(huán)境問(wèn)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(wèn)題，我們?cè)诓煌５貙ふ乙环N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(huì)總能耗中占比 30%以上。在建筑結(jié)構(gòu)中，與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換可以通過(guò)墻壁、屋頂、門(mén)窗等結(jié) 構(gòu)進(jìn)行，其中窗戶是熱量交換的主要部件。有測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于大多數(shù) 建筑所使用的單層玻璃窗戶，在冬天時(shí)向外傳遞的熱量約占總熱量 58%，在夏天時(shí)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(shí)用的價(jià)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(duì)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(guó)及歐洲的一些國(guó)家開(kāi)始對(duì)建筑玻璃的節(jié)能技 術(shù)展開(kāi)研究，取得了一系列的成果。但這些玻璃只能對(duì)紅外線進(jìn)行被動(dòng)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(wú)法隨環(huán)境條 件變化而進(jìn)行調(diào)節(jié)，VO2 智能窗玻璃應(yīng)運(yùn)而生。

VO2 智能窗可以對(duì)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(guò)率來(lái)控制透過(guò)玻璃進(jìn)入建筑內(nèi)部的太陽(yáng)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(shí)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(jiǎn)單、成本低廉、全自動(dòng)光熱調(diào)控的優(yōu)勢(shì)，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(shí)，大多數(shù)可見(jiàn)光和近紅外輻射能夠順利透過(guò)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(shí)，可見(jiàn)光能順利透過(guò)以 滿足采光要求，而近紅外輻射一部分將會(huì)被吸收，另一部分將會(huì)被反射，達(dá)到限制能量進(jìn)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(guò)率會(huì)發(fā)生明顯的變 化。具體表現(xiàn)為 VO2 在高溫時(shí)從 M 相變化到 R 相，對(duì)紅外光線有反射作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者常用光度計(jì)來(lái)測(cè)試這種通過(guò)率，利用可見(jiàn)透過(guò)比和熱調(diào)控能力 這兩個(gè)基本參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)智能窗的節(jié)能環(huán)保性能。

從某種意義上來(lái)說(shuō)，只有滿足智能窗的可見(jiàn)透過(guò)比 Tlum 不小于百分之 六十，且同時(shí)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(gè)公式來(lái)計(jì)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(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)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(wú)機(jī)鹽水解，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的溶膠，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間無(wú)機(jī) 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(gè)方法的制備儀器簡(jiǎn)單易于上手、溶膠純度非常高，但是 實(shí)驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)，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(shí)驗(yàn)參數(shù)有很多，通過(guò)改變?cè)牧戏N類和 配合比、水熱反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)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(zhǎng)，產(chǎn)率低，污染大等 缺點(diǎn)，這也導(dǎo)致難以用該方法進(jìn)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(zhǎng)，污染環(huán)境，產(chǎn)率低，這些問(wèn)題都不可避免。

2.2 存在的不足

使用純相的 VO2 是不實(shí)際的，在 VO2 薄膜被實(shí)際推廣應(yīng)用之前，我認(rèn) 為有以下兩個(gè)問(wèn)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(jiàn)光區(qū)域的透過(guò)率為 40%左右，相對(duì)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(jiàn)光透過(guò)率。

3 VO2 薄膜的應(yīng)用研究

雖然目前沒(méi)有對(duì) VO2 相變機(jī)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(dòng)器、光電探測(cè)器、光電開(kāi)關(guān)、激光防護(hù)、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(shí)，旨在引起國(guó)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(guó)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(lái)它在 建筑節(jié)能等領(lǐng)域會(huì)有更巨大的應(yīng)用前景。

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