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动态光热调控窗（DPRW）基于全薄膜“ITO/WO₃/LiNbO₃/NiOₓ/ITO”叠层，可在可见-近红外波段实现92 %→5 %的连续透光调谐，同时在中红外波段以“翻面”设计切换0.28↔0.90的辐射率，单窗降温高达14 °C。
可定制彩色选择性动态辐射冷却调节器（SDRCR）利用WO₃纳米晶等离子共振，在8–13 µm与16–23 µm双大气窗口内实现0.3↔0.8辐射率可逆调控，兼顾>90 %太阳反射与多色外观，昼夜温差调节~5 °C。

EnergyPlus全球模拟显示，集成系统可为建筑带来年均99.5 MJ m⁻²的HVAC节能，炎热地区制冷能耗降幅达80 %，为碳中和时代的“环境自适应”零碳建筑提供可规模化、可色彩定制的通用技术路线。

研究背景

建筑占全球终端能耗1/3以上，其中采暖、通风与空调（HVAC）是最大分项，且仍以化石能源为主，CO₂排放巨大。传统节能路线分两条：

透明围护结构——低辐射（Low-E）镀膜、光致/热致变色窗，但多为静态或单波段调节，无法兼顾采光、视线与四季变化；

不透明围护结构——白色高反射“冷屋顶”或辐射冷却涂层，夜间或冬季反而增加供暖负荷，静态特性导致“一选定终身”。

电致变色（EC）技术以低工作电压（<2 V）即可实现光学属性连续可逆调控，被视作智能窗终极方案。然而，迄今研究仍局限在“可见-近红外”太阳波段，中红外辐射率动态管理鲜有报道；同时，窗与墙体各自优化，缺乏统一的多波段、多场景协同框架。如何“让窗和墙一起思考”，根据气候、季节与用户需求实时平衡采光、得热与散热，是建筑碳中和亟需突破的核心瓶颈。

研究内容

作者提出并验证“电致变色多波段一体化节能系统”概念：

在透明侧，DPRW独立调控太阳透射与中红外辐射率；

在不透明侧，SDRCR利用双大气窗口选择性辐射率+彩色高反射顶层，实现“白天散热-夜间保温”可逆切换；

二者协同，首次将电致变色技术从“窗”拓展至“整栋建筑外皮”，形成可色彩定制、环境自适应的零碳建筑通用解决方案。

结果讨论

1. DPRW：全薄膜电致变色“光-热双旋钮”

结构：单面2 µm厚“ITO/WO₃/LiNbO₃/NiOₓ/ITO”一次溅射成型，可任意基底大面积制备。

可见-近红外：0 V高透（Tᵥᵢₛ≈92 %，Tₙᵢᵣ≈82 %）→ 2 V深着态（Tᵥᵢₛ≈5 %，Tₙᵢᵣ≈6 %），太阳波段平均调幅76.6 %；着色/漂白响应6 s/2.5 s，循环>2×10⁴次性能无衰。

中红外：Low-E侧ε̅≈0.28，High-E侧ε̅≈0.90，通过窗框“翻面”设计即可在“保温-散热”间切换，表面温差达20 °C。

室外实测：北京夏季~1000 W m⁻²辐照下，DPRW冷却模式较商业玻璃降低14.4 °C，较Low-E玻璃降低9.6 °C；自身“亮-暗”两模式即可提供>9 °C温差，验证四季双向调节能力。

2. SDRCR：彩色可定制“双大气窗口”辐射率片

结构：柔性PET/ITO/WO₃纳米晶（~10 nm）多孔工作电极 + 对电极 + 1 mm LiClO₄-PC凝胶电解质，上层覆100 µm纳米多孔PE，可弯曲>5 mm半径。

光学：可见-近红外反射率>90 %；在8–13 µm与16–23 µm双窗口分别实现Δε≈0.60与0.64的可逆调制，远优于传统WO₃晶体/非晶膜。

彩色化：红、黄、蓝、白等PE覆膜对中红外透过率保持>85 %，实现“所见即所得”建筑色彩，同时维持~5 °C的主动温度调节。

昼夜实验：北京夜间，SDRCR低辐射态比同色商业漆高2–4 °C；敦煌干燥区，低辐射态保温优势扩大至5 °C，证实第三窗口在干旱气候的关键作用。

3. 一体化建筑性能

室外极端环境：敦煌沙漠（昼夜温差>20 °C、湿度<20 %）全天测试，DPRW与SDRCR协同使模型房日间峰值负荷降低11–15 °C，夜间保温提升5 °C。

EnergyPlus全球模拟：以上海（热）、纽约（四季）、加拿大Inuvik（寒）为代表，动态模式年节能1895 GJ、1629 GJ、1220 GJ；对10座典型城市集成建筑年均节省HVAC能耗99.5 MJ m⁻²，最高~4000 GJ，优于现有绝大多数静态或单波段智能材料。

总体结论

本工作突破“单波段+单组件”传统思路，首次实现电致变色技术在“窗-墙”一体化多波段动态调控：

DPRW以2 V超低电压同步管理太阳得热与中红外辐射散热，单窗降温14 °C；

SDRCR以多彩外观兼顾双大气窗口辐射率可逆调控，解决静态冷材料“冬季负作用”痛点；

系统全球适应性强，年节能99.5 MJ m⁻²，可扩展至柔性、曲面及既有建筑改造，为达成UN可持续发展目标（SDG 11/13）提供即用型技术平台。

图文概览

图1、智能一体化节能建筑概念与模型：电致变色窗+彩色辐射冷却屋顶协同调控太阳波段与中红外波段。

图2、DPRW光谱设计、截面SEM与实测性能：可见-近红外三态透射、中红外两面辐射率翻转及户外照片。

图3、可定制彩色SDRCR：器件结构、双窗口辐射率调控、多彩样品及其高低辐射率热成像。

图4、北京夏季户外降温实验：DPRW与商业玻璃对比（ΔT≈14 °C）；彩色SDRCR与同色油漆对比（ΔT≈2–4 °C）。

图5、阿尔山夜间保温实验：DPRW高低辐射态ΔT≈4 °C；SDRCR低辐射态较黑漆高2.3 °C，彩色样品一致。

图6、敦煌干旱区全天实验与全球EnergyPlus模拟：一体化建筑相对常规建筑年节能高达4000 GJ，适用各类气候带。

作者信息

Yilin Ding, Zheyue Mei, Wenjing Zhang, Xueke Wu, Yaqi Zhang, Di Gao, Fan Lan, Run Li, Xungang Diao, Rufan Zhang*

通讯作者：

Rufan Zhang*

Beijing Key Laboratory of Green Chemical Reaction Engineering and Technology, Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

论文链接

https://doi.org/10.1039/D5EE02750K

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文章分类：新闻动态研究进展

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