第一作者：丁一琳
通讯作者：张如范
通讯单位：清华大学
文章链接：DOI: 10.1039/D5EE02750K
近日，清华大学张如范副教授团队联合北航刁训刚教授团队在能源与环境领域顶级期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Intelligent Electrochromic Photothermal Regulation for Integrated Building Energy Saving”的研究成果。该研究首创性地将电致变色技术整合于建筑外围护结构，开发出一套集动态光热调控窗（DPRW）与选择性动态辐射冷却调节器（SDRCR）于一体的智能节能系统，实现了建筑对太阳光和热辐射的按需动态管理，为下一代绿色建筑提供了创新解决方案。
随着全球气候变化的加剧和能源需求的增加，提高建筑能效变得极为重要。建筑能耗占全球总能耗三分之一以上，其中采暖、通风与空调系统是主要能耗来源。传统静态节能技术已难以应对气候变化与能源需求的双重挑战。本研究通过电致变色材料实现可见光、近红外与中红外波段的光谱协同调控，使建筑外窗与外墙具备环境自适应能力（图1）。
图1. 智能一体化节能建筑的概念设计与模型展示。
核心创新：双管齐下的智能光热调控系统
本研究巧妙地为建筑的透明部分（窗户）和不透明部分（墙体/屋顶）分别设计了智能调控单元，并通过电信号实现协同调控。
1.动态光热调控窗：磁控溅射多层薄膜设计实现多波段智能协同调控
图2.动态光热调节智能窗（DPRW）：光谱设计、实现方法及性能表现。
DPRW采用全薄膜电致变色器件结构，能够在不同电压下实现“明亮-保温”、“明亮-制冷”、“黑暗-制冷”等多种模式的快速切换（图2c-d）。光谱数据显示，该窗户在可见光波段透射率调制幅度高达92%，在近红外波段高达82%，可有效控制进入室内的光线和热量。通过独特的翻转设计，窗户可在高发射率（~0.9，辐射制冷）和低发射率（~0.28，辐射保温）表面之间切换，平均发射率差（Dε）达到0.6，红外热像图显示两面显示温差高达20 ℃（图2e）。北京夏季户外实验证明，在最强日照下，DPRW的制冷模式可使室内温度比普通商业窗户低约14℃，比低辐射玻璃窗低约23 ℃，展现了出色的夏日降温能力。其保温模式与制冷模式之间的最大温差可达约9.6 ℃，证明了其双向温控能力（图4a-c）。
2.多色动态辐射冷却调节器：发射率选择性可调的彩色智能外墙/屋顶
图3.可定制多色选择性动态辐射冷却调节器（SDRCR）。
多色选择性动态辐射冷却调节器（SDRCR）利用磁控溅射纳米晶WO₃薄膜，在中红外波段两个关键的大气窗口（8-13 μm和16-23 μm）实现选择性发射率动态调控。测试表明，其在两个窗口的发射率调制峰值分别达到0.6和0.64。通过施加0- 4.5V的电压，可实现约0.3至0.8的多级发射率调节，实现从制冷到保温的平滑过渡（图3c-e）。顶层的彩色红外透明聚乙烯膜，使得SDRCR在呈现蓝、粉、绿等多种颜色的同时，仍保持高红外透过率，确保底层功能层的动态调控能力不受影响。热像图显示，不同颜色的SDRCR均能实现约5℃的表观温度调控（图3f-g）。
图4. DPRW和SDRCR的动态温度调节户外实验验证（晴天，北京）。
在北京夏季晴空条件下，SDRCR的降温效果相较于市售的同色系涂料进行了全面评估（图4d-f）。SDRCR 在所有颜色中表现出优越的降温性能，蓝色和白色样品分别比市售涂料降低约4 ℃和2 ℃的温度。暖色组也观察到类似的热差异，黄色SDRCR的室内温度比黄色涂料低约4 ℃，红色SDRCR的室内温度比红色涂料低约2 ℃。
不同气候条件下的性能验证与全球节能潜力评估
1.昼夜温差大地区，夜晚户外保温性能验证（测试地点：内蒙古阿尔山）
研究团队在昼夜温差大的阿尔山地区的寒冷夜晚验证了DPRW和SDRCR在阻止室内热量以辐射形式散失的保温能力。在每个测试舱内施加恒定的加热功率模拟室内采暖，观察不同窗户在同等加热下维持温度的能力。房间内维持的温度越高，说明其保温性能越好。在排除了太阳光影响的黑夜中，DPRW的保温模式比其制冷模式的室内温度高了约2 ℃（在图5c中，提高加热功率后，温差扩大至约4 ℃）。这个温差是由其表面发射率的切换带来的，直接证明了DPRW通过调控红外辐射进行热管理的有效性。白色SDRCR在保温模式下，其室内温度比静态的白色涂料高了约3.7 ℃。黄色SDRCR也比同色涂料温度高了约3.4 ℃。图4证明了在夏季白天，该系统能显著降低室内温度，减少制冷需求。图5证明了在寒冷夜晚，该系统能有效保持室内热量，减少供暖需求。这两组在不同季节、不同地点进行的对照实验，证明了该智能电致变色集成系统能够动态响应环境变化，实现全年度的、高效的建筑节能。
图5.DPRW和SDRCR的户外保温性能实验验证（晴朗夜晚，阿尔山）。
2．干旱环境性能验证（测试地点：甘肃敦煌）
研究团队在敦煌干旱地区进行了户外实验验证（图6a-e）。SDRCR的保温性能优势在干旱地区更加明显，室内的保温温度比市售商用涂料高了~5 ℃。干旱条件下，大气第三大气窗口（16-23 mm）更加透明，使得SDRCR在调低该窗口发射率时，其保温效果更为显著。通过对SDRCR施加/切断电压，可以实时切换其发射率状态，从而引起温度的快速上升或下降。这体现了SDRCR的动态响应性和智能控制潜力，同时验证了SDRCR在极端干旱环境下的快速、多级的温度调控能力。在中等太阳辐射、多云有风的天气下，将DPRW设定在低发射率的保温状态，只改变DPRW的可见透过率，DPRW室内温度仍比普通商业玻璃低了约11.5℃；在明亮（不耗电）状态时，也降低了约5 ℃。在晴朗条件下，将DPRW设定在高发射率的制冷状态, DPRW实现了比普通商业玻璃低约8.0 ℃的降温效果，且没有完全牺牲室内采光。以上证实DPRW不同条件下优异的太阳光调控能力和辐射调控能力。
图6. DPRW和SDRCR在干燥环境下的户外实验性能（甘肃敦煌）；集成DPRW和SDRCR的智能建筑与普通建筑相比的全球暖通空调节能展示。
利用EnergyPlus软件进行的全球能耗模拟显示，集成DPRW和SDRCR的智能建筑在全球不同气候区均表现出巨大的节能潜力 (图6f-j）。例如，在气候炎热的上海，全年制冷能耗大幅降低；在四季分明的纽约和严寒的加拿大伊努维克，系统同样展现出显著的节能效果，该系统在寒冷地区。主要通过减少供暖能耗来实现节能。综合计算，该系统每年每平方米可实现高达99.5 MJ的节能，在炎热地区可降低约80%的制冷能耗。
总结与展望
本研究工作构建了一种基于电致变色技术的智能建筑光热调控系统，应用于不同的建筑围护结构，并实现了优异的太阳光调控和热辐射调控能力。同时研究通过详实的户外实验和全球能耗模拟，验证了其在实现建筑节能方面的可行性与有效性。该技术为发展能够动态响应环境、兼顾能效与美学的下一代绿色建筑提供了有益参考。
文章信息
Yilin Ding, Zheyue Mei, Wenjing Zhang, Xueke Wu, Yaqi Zhang, Di Gao, Fan Lan, Run Li, Xungang Diao and Rufan Zhang*, Intelligent Electrochromic Photothermal Regulation for Integrated Building Energy Saving. Energy & Environmental Science, 2025, DOI: 10.1039/D5EE02750K.
