基于透明导电剪纸结构的动态辐射节能窗研究

作     者：殷涵之 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡彬

授予年度：2023年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 081302[工学-建筑设计及其理论] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0813[工学-建筑学] 

主      题：辐射角度调控 剪纸结构 节能窗 建筑节能 透明导电氧化物 

摘      要：窗户作为建筑节能中的薄弱环节,优化窗户热辐射性能对提高建筑能源利用效率具有重要意义。无源辐射制冷技术可以通过大气窗口以热辐射的形式与寒冷的宇宙进行热量交换,展现了极大的建筑节能应用潜力。然而将辐射制冷技术应用于窗户节能中,存在一定限制:一是热辐射能量交换存在角度依赖性,使制冷效率受到限制;二是静态辐射特性较难适应动态气候条件,可能会带来额外的能耗。针对上述问题,本文将剪纸技术引入具有红外波段高反射特性的透明导电氧化物复合薄膜材料,设计了面向节能窗应用的双工作模式剪纸结构,利用剪纸结构的可重构性实现热辐射角度的动态调制进行模式切换。使其具有增强窗户被动辐射的制冷模式和抑制窗户热散失的保温模式。主要研究结果如下:(1)对热辐射角度调控的工作原理进行了研究,依据辐射制冷原理建立了垂直辐射体与热反射体模型,通过Comsol软件模拟了不同因素对辐射强度的影响,得出了垂直辐射体与热反射体之间的最优特征角度45°。基于此结论对剪纸结构进行了几何参数设计,并综合光学性能和力学性能需求筛选了最优加工结构参数,包括切向切割长度L、切向切割间距x和轴向层间距y,分别为16 cm、4 cm、3 cm。(2)基于可见光透明的红外反射材料研究,综合光学性能和力学性能需求选择了透明导电氧化物氧化铟锡(ITO)作为红外反射层,聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为机械支撑层,制备了在2.5～18μm波段红外反射率为0.93,0.4～0.7μm波段可见光透过率为0.72的透明导电氧化物复合薄膜材料,并通过图案设计和激光加工制备特定剪纸结构。开展了耐候性和机械稳定性测试,验证了其实际应用可行性。(3)测试了剪纸结构的实际应用性能并对其节能潜力进行了评估。利用红外相机验证其热辐射角度调控能力,并通过户外测试证实其实际温度调控效果。结果表明与普通窗相比,在制冷模式下剪纸结构可以实现约3.3℃的降温;与环境相比,在保温模式下剪纸结构可以实现约3.9℃的升温。通过Energy Plus软件模拟建筑能耗,对透明导电剪纸结构耦合窗的节能潜力进行了评估。结果表明剪纸结构的动态热辐射调控能力使其在不同气候条件下具有建筑节能效果,预计每年可节约34～88 MJ m的暖通空调能耗,占全年暖通空调能耗的13%～29%。