多層光流控結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)光學(xué)響應(yīng)功能

建筑物是地球上能源耗費(fèi)最集中的地方，其日常運(yùn)作（主要是在外部條件變化時(shí)，對(duì)建筑物室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行制熱、制冷和照明）需要消耗全球32%（32.4 PWh）的能源和50%的電力，其對(duì)應(yīng)的溫室氣體排放量占據(jù)全球排放量的25%（9.18 GtCO?）。

此外，隨著城市化進(jìn)程的加快，到本世紀(jì)中葉，與建筑物相關(guān)的碳排放可能會(huì)增長(zhǎng)一倍或兩倍。到2050年，全球空調(diào)需求預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)兩倍，而制熱和制冷能源的使用預(yù)計(jì)將在同期分別增長(zhǎng)79%和84%。

此外，在過去40年里，由住宅和商業(yè)建筑物用電導(dǎo)致的碳排放已經(jīng)分別增長(zhǎng)了四倍和三倍。

支撐這一令人擔(dān)憂且不斷增長(zhǎng)的碳足跡是建筑物設(shè)計(jì)中一個(gè)還未從根本上解決的挑戰(zhàn)：現(xiàn)有的建筑物立面無法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能環(huán)境的選擇性、可重構(gòu)響應(yīng)；沒有任何窗戶、遮陽板或顯色技術(shù)能夠隨著太陽條件的變化而獨(dú)立地調(diào)整入射陽光的數(shù)量（強(qiáng)度）、波長(zhǎng)（光譜）和色散（散射）。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，受生物有機(jī)體光學(xué)自適應(yīng)多層皮膚的啟發(fā)，加拿大多倫多大學(xué)（University of Toronto）的研究人員開發(fā)了一種多層光流控（optofluidics）結(jié)構(gòu)，用于設(shè)計(jì)和調(diào)整建筑物的光學(xué)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了光譜選擇性可見光吸收（350 ~ 750 nm）、光譜選擇性近紅外吸收（750 ~ 2500 nm）、總光吸收（350 ~ 2500 nm）和定向光散射的獨(dú)立和組合控制。

該研究工作展示了建筑物立面內(nèi)可擴(kuò)展的“宏流體（macrofluidic）”機(jī)制的巨大潛力，通過在大尺度二維表面（0.067 mL/cm2或61 mL/ft2）上操縱和轉(zhuǎn)換被限制在多層固體層中的無毒、可再生、大部分可回收、易于獲得的水性流體，可實(shí)現(xiàn)廣泛的可調(diào)節(jié)的光學(xué)響應(yīng)。

圖1 受生物有機(jī)體光學(xué)自適應(yīng)多層皮膚啟發(fā)的可持續(xù)建筑物中的多層光流控結(jié)構(gòu)

研究人員開發(fā)的多層光流控結(jié)構(gòu)原型采用塑料平板制備而成，其中設(shè)置了一系列用于泵送流體的毫米尺寸的通道。定制的顏料、顆?；蚱渌肿涌梢曰旌系搅黧w中，以控制可以通過的光的類型，以及光的分布方向。

這些塑料平板可以組合成多層堆疊結(jié)構(gòu)，每一層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)包括控制強(qiáng)度、過濾波長(zhǎng)或調(diào)節(jié)室內(nèi)透射光的散射類型等在內(nèi)的不同光學(xué)功能。

據(jù)報(bào)道，該多層光流控系統(tǒng)可以通過一個(gè)小型的數(shù)字控制泵從每一層中泵入或泵出流體，以此來優(yōu)化光的調(diào)控。

設(shè)計(jì)和建造的多層光流控結(jié)構(gòu)原型包含多層通道，每一層都包含具有不同光學(xué)性質(zhì)的流體，通過將流體泵入和泵出通道，該系統(tǒng)可以優(yōu)化通過的光的類型、強(qiáng)度和分布

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的光流控系統(tǒng)對(duì)建筑物性能的改善，該研究工作利用逆向光學(xué)光線追蹤模擬器（Radiance）和瞬態(tài)熱建模器（EnergyPlus）來預(yù)測(cè)該系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能如何在數(shù)字化、利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的室內(nèi)空間中有效地調(diào)整入射陽光的強(qiáng)度、光譜和色散。

模擬結(jié)果顯示，基于流體的散射可以減少10%的電力照明消耗；此外，通過控制總光吸收和近紅外選擇性吸收，可使得用于制熱和制冷的能量消耗分別降低51%和25%；通過對(duì)總光吸收、近紅外吸收和散射流體層組合的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，可以使得其年度性能比最先進(jìn)的電致變色窗高出43%。

圖3 對(duì)室內(nèi)日光可調(diào)性的模擬



圖4 對(duì)太陽熱量獲取可調(diào)性的模擬

綜上所述，受生物有機(jī)體光學(xué)自適應(yīng)多層皮膚的啟發(fā)，該研究工作介紹了一種多層光流控界面，用于在建筑物中實(shí)現(xiàn)全面的獨(dú)立光學(xué)響應(yīng)功能。

該研究工作以數(shù)字化方式控制了受限于毫米級(jí)通道內(nèi)水溶液的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)總透射光強(qiáng)（95%調(diào)制在250 nm到2500 nm之間）、近紅外選擇性吸收（70%調(diào)制在740 nm到2500 nm之間）和色散（散射）的獨(dú)立控制。

這種組合光學(xué)可調(diào)性可以對(duì)建筑物內(nèi)傳輸?shù)奶栞椛涞膹?qiáng)度、波長(zhǎng)和位置進(jìn)行可配置的優(yōu)化，從而使模型的年度能耗比現(xiàn)有技術(shù)降低43%以上。

因此，該研究工作所提出的基于多種水性化學(xué)物質(zhì)的可擴(kuò)展“光流控”平臺(tái)，可能代表建筑物氣候控制的通用解決方案。

審核編輯：劉清