▲第一作者：清华大学博士生黄娅
通讯作者：清华大学张如范副教授
通讯单位：清华大学
论文DOI：10.1039/D4EE05416D
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近日，清华大学化工系张如范团队在高性能建筑节能智能窗开发方面取得重要进展，开发了一种新型液流电致变色智能窗，该智能窗通过调控电解液状态和电致变色材料的氧化还原反应，实现了对可见光、近红外光和中红外光波段的动态调控，为创建冬暖夏凉的低能耗建筑和高性能光热调控材料的制备提供了创新解决方案。
正文：
近年来，全球极端天气事件愈加频繁和严重，对人类社会和自然环境带来了重大挑战。据统计，全球每年约16%的能源消耗用于建筑的供暖、通风和空调系统，以保持舒适的室内温度。窗户作为建筑主要的能量交换介质，是建筑物最不节能的部位，所以高性能节能智能窗的开发对减少建筑能耗起着关键作用。窗户的热传递主要包括导热、对流和热辐射三种方式，其中热辐射占总热传递的50%以上，是实现窗户高效光热管理的关键。热辐射涉及可见光（380-780 nm）、近红外光（780-2500 nm）和中红外光（8-13 μm）波段。因此，为减少建筑能耗、提高照明效率并适应不同季节条件，新型的建筑节能智能窗需要对可见光到中红外光波段的光谱调控能力进行全面优化。
张如范研究团队提出，高性能建筑节能智能窗的设计需要结合地区特性，不同地区对智能窗光谱特性的需求存在显著差异。具体而言，需通过调控光谱特性最大化冷/暖季节的节能效果，并结合建筑类型与气候条件优化设计方案。研究团队提出了一种综合模拟方法，利用EnergyPlus和GenOpt软件迭代优化，充分考虑区域气候与照明需求，并由此确定了针对六大四季分明城市的可见光与近红外波段透过率以及中红外发射率的最佳调控范围（图1）。研究表明，针对四季分明的城市需要智能窗具备以下双模式调控能力：
1.降温模式（炎热季节）：可见光与近红外波段透过率应尽可能低（TVIS+NIR≈0.3），以阻挡强太阳辐射进入室内，但可见光波段透过率不宜过低以避免增加室内照明能耗。同时，中红外波段发射率应尽可能高（εMIR≈1），通过辐射冷却将室内热量有效散发。
2.加热模式（寒冷季节）：可见光与近红外波段透过率应尽可能高（TVIS+NIR≈0.65），以吸收更多太阳辐射加热室内，但需避免过热。同时，中红外波段发射率应尽可能低（εMIR≈0），以减少通过辐射冷却的室内热量损失。
以上结果表明，建筑节能窗需要对可见光到中红外波段进行动态调控，以适应不同季节变化并显著降低能耗，尤其是中红外波段发射率的调控范围应尽可能大，以最大化节能效率。
图1. 全年候建筑节能智能的理念及其应当具备的性能特征
电致变色材料能够通过改变电压来改变自身颜色和对光线的透过率，是一种非常有前景的降低能耗和改善室内热舒适度的主动型建筑节能窗技术。然而，目前大多数电致变色材料的研究主要集中于可见光和近红外波段的动态调控，它们对中红外波段的动态调控能力较为薄弱，这成为限制建筑节能智能窗性能提升的主要瓶颈。
在电致变色智能窗的结构中，电解液是其关键组成部分。然而，现有的研究主要聚焦在增强其电子/离子传导能力，而忽略了电解液在光热调控方面的潜力。张如范研究团队发现，大多数电解液（无论是水性还是非水性）由于其分子振动吸收特性，在中红外波段具有高发射率。这种特性表明，通过调节电解液的状态，可以实现智能窗在中红外波段的大幅度动态调控。
基于此，张如范团队提出了一种新型液流电致变色窗（LF-ESW）的概念和原型设计，该窗能够通过电解液的液流状态动态调节其在中红外波段的发射率，并通过控制电致变色材料的氧化还原反应调节可见光和近红外波段的透过率。所制备的液流电致变色智能窗对可见光和近红外波段透过率的调控幅度达到43.53%，对中红外波段发射率的调控幅度达到74%（图2），满足四季分明城市的调控需求。
图2. 液流电致变色节能智能窗的结构设计原理与光谱调控特征
实验表明，与商业低辐射玻璃（Low-E玻璃）相比，所制备的液流电致变色智能窗可在炎热季节将室内温度降低7.1 ℃，在寒冷季节将室内温度提高5.6 ℃（图3）。此外，与普通玻璃窗相比，采用液流电致变色智能窗的建筑物每年每平方米可节省建筑能耗86.35兆焦；与低辐射玻璃窗相比，每年每平方米节省的建筑能耗达到49.532兆焦。
图3. 液流电致变色节能智能窗的光热调控性能
该研究成果克服了传统电驱动装置的局限性，为高性能节能窗提供了新的解决方案，同时也为液流电池等储能系统的光热调节提供了潜在应用方向。
上述成果以“用于全年动态光热管理的新型液流电致变色智能窗”（A Novel Liquid Flow Electrochromic Smart Window for All-year-round Dynamic Photothermal Regulation）为题发表在国际能源与环境领域的一流期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）上。上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及清华-丰田联合基金的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D4EE05416D
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