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能调控阳光的玻璃长啥样?

出品:科普中国

制作:陈琳、陈劲涛

监制:中国科学院计算机网络信息中心

玻璃出现在我们人类社会已经有几千年的历史了,但在相当长的时间里,玻璃其实是一种奢侈品,差不多和金银珠宝是一个级别。比如《红楼梦》中的贾蓉,就曾为了“炫富”找王熙凤借一个玻璃炕屏,显示自己是上流社会的人。二十世纪初,因为制作工艺的突破,玻璃才开始逐渐走入寻常百姓家。

玻璃最显著的特质是具有强透光性,人们在屋子里既可以享受阳光,也能看到外面的风景。

窗内的夜晚(图片来源:veer图库)

但是玻璃的这个特性,也存在弊端。

每到夏天,太阳光透过玻璃射到室内使房间的温度升高;而到了冬天,热量透过玻璃大量流失导致屋内温度下降。

目前的研究表明,我国经由门窗玻璃损失的能耗,已经占到了我们整个社会总能耗的约五分之一。这是一个非常令人吃惊的一个数字,也是我们很少注意到的。

那么,玻璃是怎样浪费能源的呢?

玻璃浪费能源的原因――热辐射

根据热力学基本原理,我们知道,热量传递主要有三种形式:热对流、热传导和热辐射。

热对流,是指气体或液体因流动而使热量传递的现象。比如说,有一扇窗户,把它关上就可以阻挡室内外的空气对流,从而减少能耗。

热传导,是指热量会从温度较高的地方传到温度较低的地方。从热传导的角度来看,要得到节能效果好的玻璃,我们可以把玻璃做厚一点,或把玻璃做成两层,在两层中间留个中空,甚至进一步,把中空区域抽成真空,也就是现在常见的双层玻璃。

热辐射,是指物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。从这个角度来看,情况就稍微复杂一些。

我们装玻璃的目的,是希望能看到外面的世界。与此同时,房间会通过玻璃接收来自太阳的辐射以提高内部温度,然而室内的加热器又会通过玻璃向外辐射电磁波导致房间温度降低。

那么,真正好的节能玻璃是既会让太阳辐射进来,又让提高房间温度的辐射不轻松地往外跑掉,把所有的辐射都控制住。而大量的热辐射溢出,正是玻璃浪费能源的关键途径。

热量传递的三种形式(图片来源:参考文献3)

比如在冬季,室内热量的来源主要是太阳辐射和加热器辐射。

太阳辐射会通过玻璃进入室内,而室内温度通常高于室外,再加上暖气片、加热器等各类取暖设备会发射出室温下的中远红外辐射,辐射打到玻璃上,使玻璃吸收辐射的热量后升温。随后,玻璃又会把这部分能量交给室外的冰天雪地,由此造成大量的能量流失。

如果说,我们可以用一种方式,让太阳辐射更多地进入并且取暖设备辐射更少地流出。那么,就可以大大地减少这类能源消耗。

不同的辐射通过普通玻璃(图片来源:参考文献1)

如今,科学家们已研发出一种新材料。把它涂到玻璃上之后,玻璃就拥有了调控阳光的能力,变成新型节能玻璃。

那么,这种新型材料是什么?它如何让玻璃发挥节能作用?与传统节能玻璃相比,又有什么优势呢?且听我慢慢道来。

调控热辐射的超材料研制成功

太阳热辐射与室内热辐射最大的区别,就在于它们处于不同的波段。因此,如果在玻璃上设置好波段的出入条件,我们就可以人为地调控它们的去留。

基于这样的思路,中国科学院工程热物理研究所的科研人员将高透明高分子材料与具有特定结构的纳米组分单元相结合,设计了一种对于辐射能够进行调控的一种超材料(是指具有特殊性质的人造材料)。

把这种人造材料涂抹在普通的玻璃上,就可以把普通的玻璃变成新型节能玻璃。

太阳热辐射与室内热辐射所处的波段(图片来源:参考文献1)

在这种超材料中,高透明高分子材料可以让可见光更好地通过,纳米单元则负责筛选辐射――遇到短波长的太阳辐射时,它会被激活,并放行能量;而对于室温物体所发射的长波长的热辐射,则会形成一张“大网”,将其反射回去。

这种超材料与玻璃相结合,就可以让玻璃在保持良好透光性的同时,选择性通过热辐射,进而达到冬季保温、夏季阻热的目的。

超材料吸收太阳热辐射并阻碍室内热辐射外溢(图片来源:参考文献1)

新型玻璃的节能效果到底如何?科研人员进行了一场实验:两个玻璃房模型,一个由普通玻璃制成,另一个由高效节能玻璃制成。两个模型内的初始温度都是21摄氏度,打开模拟日光照射设备让它们同时接受阳光直射。

实验结果显示,一个小时过去后,普通玻璃房的温度提升到27.3摄氏度,高效节能玻璃房的温度升高到43摄氏度。

辐射调控玻璃房和普通玻璃房升温对比试验(图片来源:参考文献1)

两个模型房的温度相较于初始温度,分别提高了6.3摄氏度和22摄氏度。也就是说,高效节能玻璃房比普通玻璃房多提高了15.7摄氏度。

辐射调控玻璃房和普通玻璃房试验升温结果(图片来源:参考文献1)

这表明,高效节能玻璃对太阳光热辐射有着更好的通过率,同时对室内热辐射的外溢也有着更好阻拦效果。

试验证明,高效节能玻璃可以帮助我们更好地利用太阳能,也能帮助我们更好地节约能源。

高效节能玻璃有哪些优势?

对比现有的节能玻璃,新型节能玻璃的优势主要有三点:

第一是高效性。使用新型节能玻璃,可以在保证室内节能的同时,尽量让更多的太阳能照射进来,因此对室内的温度控制有更好的效果。

调研显示,现有的节能玻璃的可见光透过率相对较低,一般为30%~70%,但新型节能玻璃可达到85%以上,让更多的光照进来。

第二个优势是生产、运输和使用过程中的便捷性。生产常规节能玻璃要在真空中蒸镀各种镀层,这个过程会产生较高的生产成本,运输也不方便。另外,因为常规节能玻璃的里面是真空的,更新替换需要整体更换。

而对于新型节能玻璃来说,不管是传统玻璃,还是有一定节能性能的玻璃,只要已然成型,就不需要拆掉或再做其他的变动,只用涂上这种材料,或者贴上由该材料做成的贴膜就可以使用了。

第三个优势是灵活性。这种超材料是一种柔性的材料,它可以应用于不同的场景。

举个例子,在以前,如果想把低辐射玻璃应用在帐篷上,难度就比较大。因为低辐射玻璃需用双层的、很厚的玻璃把里面的功能层保护起来,缺少灵活性。而现在,我们可以通过这项新技术,将超材料做成贴膜,或者直接做成涂层喷在帐篷上。

虽然高效节能玻璃在实验室中表现良好,但由于更广泛的耐环境性测试,例如严寒地区、强盐雾地区的测试还未开展,普适性还有待考证。

一项新科技研发在运用到生活中之前,需要完善严谨的科研实验和探究分析。但这并不妨碍我们期待这项技术的应用未来,因为它本身的特性,就能给我们带来无限的憧憬。

高效节能玻璃有哪些应用前景?

高效节能玻璃的灵活性让科学家看到了众多的应用前景。

例如,我们需要在农业大棚种植反季节蔬菜,可是有些地区因为整体纬度特别高,太阳的照射不充足,棚内温度较低,种植效果不甚理想。

而如果将这种超材料涂抹在棚上,就能提升并维持棚内的温度,相当于加强型的“塑料大棚2.0”。

有些科学家甚至脑洞大开,想着将来人类若能在火星上种菜,或许可以使用这种超材料更好地利用太阳能。

蔬菜大棚(图片来源:参考文献4)

再比如,这种超材料还可以用于增强箱子的保温性。将来,添加了超材料涂层的、具有更好保温效果的透明箱子,也许会让我们品尝到更为可口的食物,也能助外卖小哥一臂之力。

高效节能玻璃还能提供更多技术想象。它的核心其实是选择性通过光辐射。如果科学家能让光选择性通过,那么,是不是也可以让所有光范围内的电磁波选择性通过?

我们有时在室内手机信号不是特别好,原因在于房子外基站的电磁波传不到房子里面来。如果能够在目前的技术上进行更新升级,我们是不是就可以选择性地得到想要的电磁波,排除其他杂波的干扰?甚至于,我们是否可以隔绝对人体有辐射的、有伤害的电磁波进入房间?

或许在不久的将来,科学家们能够成功破题,带领我们窥见真理一隅。

参考文献:

1.《透视新科技》20210417调控阳光的玻璃_CCTV节目官网-CCTV-10_央视网(cctv.com)

2.玻璃窗外北京都市风光图片素材_ID:VCG211129496296-VCG.COM

3.热传导、热对流、热辐射的定义与区别_百度知道(baidu.com)

4.现代蔬菜大棚建造如何解决种植光照问题(11467.com)

5.送外卖这么辛苦,为什么还这么多人抢着干?_收入(sohu.com)

陈琳(中国科学院工程热物理研究所)、陈劲涛(北京航空航天大学)