多层光流控结构实现可调节光学响应功能

建筑物是地球上能源耗费最集中的地方，其日常运作（主要是在外部条件变化时，对建筑物室内环境进行制热、制冷和照明）需要消耗全球32%（32.4 PWh）的能源和50%的电力，其对应的温室气体排放量占据全球排放量的25%（9.18 GtCO₂）。

此外，随着城市化进程的加快，到本世纪中叶，与建筑物相关的碳排放可能会增长一倍或两倍。到2050年，全球空调需求预计将增长两倍，而制热和制冷能源的使用预计将在同期分别增长79%和84%。

此外，在过去40年里，由住宅和商业建筑物用电导致的碳排放已经分别增长了四倍和三倍。

支撑这一令人担忧且不断增长的碳足迹是建筑物设计中一个还未从根本上解决的挑战：现有的建筑物立面无法实现对太阳能环境的选择性、可重构响应；没有任何窗户、遮阳板或显色技术能够随着太阳条件的变化而独立地调整入射阳光的数量（强度）、波长（光谱）和色散（散射）。

据麦姆斯咨询报道，受生物有机体光学自适应多层皮肤的启发，加拿大多伦多大学（University of Toronto）的研究人员开发了一种多层光流控（optofluidics）结构，用于设计和调整建筑物的光学响应，实现了光谱选择性可见光吸收（350 ~ 750 nm）、光谱选择性近红外吸收（750 ~ 2500 nm）、总光吸收（350 ~ 2500 nm）和定向光散射的独立和组合控制。

该研究工作展示了建筑物立面内可扩展的“宏流体（macrofluidic）”机制的巨大潜力，通过在大尺度二维表面（0.067 mL/cm²或61 mL/ft²）上操纵和转换被限制在多层固体层中的无毒、可再生、大部分可回收、易于获得的水性流体，可实现广泛的可调节的光学响应。

图1 受生物有机体光学自适应多层皮肤启发的可持续建筑物中的多层光流控结构  

研究人员开发的多层光流控结构原型采用塑料平板制备而成，其中设置了一系列用于泵送流体的毫米尺寸的通道。定制的颜料、颗粒或其他分子可以混合到流体中，以控制可以通过的光的类型，以及光的分布方向。

这些塑料平板可以组合成多层堆叠结构，每一层负责实现包括控制强度、过滤波长或调节室内透射光的散射类型等在内的不同光学功能。

据报道，该多层光流控系统可以通过一个小型的数字控制泵从每一层中泵入或泵出流体，以此来优化光的调控。

设计和建造的多层光流控结构原型包含多层通道，每一层都包含具有不同光学性质的流体，通过将流体泵入和泵出通道，该系统可以优化通过的光的类型、强度和分布  

为了验证所设计的光流控系统对建筑物性能的改善，该研究工作利用逆向光学光线追踪模拟器（Radiance）和瞬态热建模器（EnergyPlus）来预测该系统的静态和动态性能如何在数字化、利用计算机设计的室内空间中有效地调整入射阳光的强度、光谱和色散。

模拟结果显示，基于流体的散射可以减少10%的电力照明消耗；此外，通过控制总光吸收和近红外选择性吸收，可使得用于制热和制冷的能量消耗分别降低51%和25%；通过对总光吸收、近红外吸收和散射流体层组合的动态优化，可以使得其年度性能比最先进的电致变色窗高出43%。

图3 对室内日光可调性的模拟  



图4 对太阳热量获取可调性的模拟  

综上所述，受生物有机体光学自适应多层皮肤的启发，该研究工作介绍了一种多层光流控界面，用于在建筑物中实现全面的独立光学响应功能。

该研究工作以数字化方式控制了受限于毫米级通道内水溶液的流动，实现了对总透射光强（95%调制在250 nm到2500 nm之间）、近红外选择性吸收（70%调制在740 nm到2500 nm之间）和色散（散射）的独立控制。

这种组合光学可调性可以对建筑物内传输的太阳辐射的强度、波长和位置进行可配置的优化，从而使模型的年度能耗比现有技术降低43%以上。

因此，该研究工作所提出的基于多种水性化学物质的可扩展“光流控”平台，可能代表建筑物气候控制的通用解决方案。

审核编辑：刘清