能動的に動作する熱応答型スマートウィンドウでエネルギー消費量を削減

Actively Operable Thermoresponsive Smart Windows for Reducing Energy Consumption.

• Sung Kyung Kang
• Dong Hae Ho
• Chang Hwan Lee
• Ho Sun Lim
• Jeong Ho Cho

抄録

限りあるエネルギー資源を効率的に利用することは、深刻なエネルギー不足による大停電を防ぐための核心的なアプローチです。入射した太陽光からの熱エネルギーを変調させるスマートウィンドウは、建物内の冷暖房などの不要なエネルギー使用を抑制することで、急速に進むエネルギー危機を解決する代替技術として大きな関心を集めています。ここでは、限られたエネルギーの消費を効率的に削減する二重応答型スマートウィンドウの材料と設計コンセプトを示します。提案するスマートウィンドウは、熱応答性ポリマーハイドロゲルの低臨界溶液温度(LCST)とグラフェンベースのフレキシブルヒーターの電気的作動を組み合わせたコンセプトに基づいており、この組み合わせはパッシブ型の動きをする熱応答性スマートウィンドウを能動的に制御するのに有効である。提案されたスマートウィンドウは、90%以上の高い調整可能な透明度を示し、これは、熱刺激や電気刺激の下で、入射光の透過率が高い状態から、入射光の透過を完全に遮断する状態へとほぼ瞬時に変化することに対応します。特に、モックアップ住宅の窓を開発したフレキシブルスマートウィンドウに交換すると、白色光照射下での室内温度の上昇率が大幅に低下します。このようなアクティブ光制御システムは、住宅内部に透過する光エネルギーを管理することで、冷暖房や照明のコスト削減を実現する新たな機会を創出することが期待されています。

Efficient usage of finite energy resources is a core approach for preventing major blackouts caused by a severe lack of energy. Smart windows, which modulate thermal energy transferred from the incident sunlight, have attracted tremendous interest as an alternative technology for resolving the fast-approaching energy crisis by suppressing unnecessary energy usage such as air conditioning or heating inside buildings. Here, we demonstrate a set of materials and design concepts for doubly responsive smart windows, which efficiently reduce the consumption of our limited energy reserves. The proposed smart windows are based on the concept of combining the lower critical solution temperature (LCST) of thermoresponsive polymer hydrogels and the electrical actuation of graphene-based flexible heaters; this combination serves to actively control the passive-type moving thermoresponsive smart window. The proposed smart windows exhibit a highly tunable transparency of above 90%, which corresponds to an almost instantaneous change from high transmission of the incident light to complete blockage of its penetration under thermal or electrical stimulation. In particular, when the windows of a mockup house are replaced with the developed flexible smart windows, the increment rate of the indoor temperature under white light irradiation reduces drastically. This type of active light control system is expected to create a new opportunity for achieving cost savings on heating, cooling, and lighting through management of light energy transmitted into the interior of a house.