《Renewable Energy》：Experimental investigation and energy-saving potential evaluation of solar altitude-triggered passive windows
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提出一种基于太阳高度角的被动节能窗（SAT窗），通过实验和理论计算验证其能有效调节太阳辐射进入室内，降低室内温度达12.4℃，年累计节能1000-3000 MJ/m2，显著优于传统低辐射窗。
刘思琪|李赛南|张春晓|王琳|魏文哲|高荣|张英波
中国洛阳河南科技大学建筑能源与热科学研究所
摘要
窗户作为连接室内外的桥梁，对于调节室内光照、制冷和供暖至关重要。然而，大多数智能窗户忽略了太阳高度角的影响，导致在实际应用中光热管理性能较差。为了解决这个问题，提出了一种基于太阳高度角触发的被动式窗户（SAT窗户），该窗户可以根据太阳高度角调整进入室内的太阳辐射。为了研究SAT窗户的室内环境，进行了室内和室外实验，考察了太阳辐射、太阳高度角和时角的影响。实验结果表明，SAT窗户的室内空气温度低于普通窗户，最高室内温差为12.4℃，两种窗户外表面的最大温差为22.5℃。同时，SAT窗户具有更显著的节能效果，尤其是在太阳辐射强烈的中午时段。此外，通过理论计算表明，SAT窗户每年可减少1000-3000 MJ/m2的室内太阳辐射热量。
引言
近年来，随着世界人口的增长和经济的快速发展，能源短缺和环境污染已成为大多数国家面临的主要挑战[1]、[2]。因此，许多政府正在积极推广低碳、节能和减排政策，大力发展清洁能源和可再生能源以保护环境，并减少能源损失和碳排放[3]、[4]。根据联合国环境规划署的数据，到2024年，建筑行业将占全球能源消耗的约40%[5]，因此推进建筑节能技术是实现碳中和的关键途径。建筑围护结构主要分为两类：透明围护结构和不透明围护结构。其中，透明围护结构作为建筑能效中最薄弱的环节，导致了30-50%的能源损失[6]。因此，迫切需要推进节能窗户技术以减少建筑行业的能源消耗[7]、[8]。
窗户的热传递主要由两部分组成：通过温差产生的热对流和传递的太阳辐射热量[9]。随着隔热技术的进步，如三玻璃和双腔窗户的应用，热传递系数已降至0.8 W/(m2K)，平均年热传递量（通过传导或对流）小于50 W/(m2K)[10]、[11]。而室内太阳辐射热量超过800 W/(m2K)[12]，这为通过调节太阳辐射来减少建筑能耗提供了巨大潜力。因此，近年来出现了一些具有太阳辐射控制功能的智能窗户，特别是动态智能窗户，包括电致变色窗户、热致变色窗户和气致变色窗户等[13]、[14]。
在这些动态智能窗户中，电致变色窗户和热致变色窗户是近几十年的研究热点，因为它们的性能符合建筑对节能窗户的需求[15]。电致变色窗户利用电场力驱动电致变色材料改变颜色并调节光谱透射率，通过可逆的氧化还原反应实现[16]。无机过渡金属氧化物和有机导电聚合物（如WO?）因其长寿命和高稳定性而被广泛应用[17]、[18]。电致变色窗户的太阳调节能力在20%到70%之间，可见光透射率在50%到70%之间[19]、[20]。然而，电致变色技术对控制精度要求高、制造工艺复杂且维护成本较高，因此仅应用于高端酒店和办公楼[21]。
热致变色窗户通过热致变色材料的可逆相变实现智能透射率调节[22]、[23]，主要使用VO?和氢凝胶材料。VO?材料成本效益高，是最广泛使用的热致变色材料。但由于其可逆相变温度较高（68℃），通常会掺杂Mn或Zn以降低相变温度并提高热致变色性能，其太阳调节能力低于20%，可见光透射率在20%到70%之间[24]、[25]。有限的可见光透射率和不佳的太阳调节能力限制了VO?智能窗户的发展[26]、[27]，而氢凝胶窗户则通过“逆凝胶化”原理调节太阳辐射[28]。与VO?材料相比，氢凝胶的相变温度约为33℃，太阳调节能力在30%到80%之间，冬季模式的可见光透射率在50%到80%之间[29]。然而，夏季模式下氢凝胶窗户会呈现“磨砂玻璃”效果，严重影响室内自然采光。
尽管上述动态智能窗户具有优异的节能特性，但其稳定性和实用性仍有待验证[29]。相比之下，被动式窗户表现出更高的稳定性和可持续的节能潜力[30]、[31]。大多数关于被动式窗户的研究集中在低辐射系数（Low-E）窗户、具有红外反射涂层的窗户以及具有纳米材料涂层的窗户上，这些窗户允许大部分可见光通过同时反射近红外辐射以减少室内热负荷[32]。目前，Low-E窗户已广泛应用于商业和住宅建筑[33]、[34]。此外，还有基于Cu2?、Fe2?和Fe3?着色性质的着色离子窗户，以及集成光伏模块的光伏窗户[35]、[36]。虽然被动式窗户技术相对成熟且市场份额较高，但其调节太阳辐射的能力有限，不利于室内热辐射的管理[37]。为了解决这一问题，提出了一种基于太阳高度角触发的节能窗户（SAT窗户），以减少室内空间的太阳热量吸收。SAT窗户不仅仅是静态遮阳装置，还可以根据太阳入射角控制进入室内的太阳辐射。与遮阳装置相比，它们既能保证可见光进入室内，又能阻挡近红外辐射。本研究通过室内和室外实验讨论了SAT窗户的节能性能，并展示了其在中国的节能潜力。
实验和方法
阳光的入射角随季节和一天中的时间不断变化，但传统窗户和当前的智能窗户无法调节光线角度或适应太阳的轨迹。目前在中国广泛使用的窗户是Low-E窗户，它们通过阻挡近红外光线进入室内来实现隔热效果
结果与讨论
为了研究太阳时角、太阳高度角和太阳辐射对SAT窗户室内热环境的影响，使用控制变量方法记录了窗户的室外表面温度和室内空气温度，并设置了实验组和对照组。
中国的节能潜力评估
如果将SAT窗户安装在建筑物的南立面上，一年能节省多少能源？本研究提出了一种简单的节能潜力评估方法[38]。由于窗户表面的太阳入射角不断变化，使用分光光度计测量了SAT窗户和普通窗户在300nm到2500nm范围内的光谱透射率[39]、[40]。太阳的入射角是
结论
为了解决被动式窗户在太阳辐射调节能力方面的不足，提出了一种基于太阳高度角触发的节能窗户，以减少室内太阳热量吸收。同时，通过室内和室外实验研究了SAT窗户的节能性能，得出以下结论：
SAT窗户可以根据太阳高度角和时角控制进入室内的太阳辐射
CRediT作者贡献声明
李赛南：方法论、研究。张春晓：监督、方法论、研究。刘思琪：撰写——原始草稿、研究。魏文哲：资源、方法论。张英波：资源、方法论
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金（编号：52408110）和中原科技创新领军人才项目（244200510004）的资助支持。
