文獻前沿丨Energy Conversion and Management：繼續(xù)光譜互補調控的自適應輻射制冷智能窗

基于二氧化釩(VO2)的熱致變色智能窗可以被動調節(jié)光學性能而不需要額外的能源輸入，是一種很有前途的建筑節(jié)能技術。然而，同時實現(xiàn)對太陽光譜和中紅外光譜的調節(jié)極具挑戰(zhàn)性，這嚴重限制了能源效率的進一步提高。為了應對這一挑戰(zhàn)，本研究采用了光譜帶互補的方法，利用VO2和core@VO2顆粒不同的光譜響應帶，實現(xiàn)了對熱致變色智能窗中太陽和中紅外波段的協(xié)調控制。該智能窗具有49.78%的透光率和15.41%的太陽調制能力，此外，還具備32.44%的發(fā)射率調制能力，與傳統(tǒng)低輻射節(jié)能玻璃相比，可節(jié)能8.07%，相當于每年節(jié)約96.2 MJ/m2。這種單層、易于制造的智能窗口為實現(xiàn)熱致變色智能窗口提供了一種前景廣闊的解決方案，該解決方案具有全光譜可控性，適用于各種應用場景。相關工作以Self-adaptive radiative cooling smart windows with spectral band complementary regulation為題發(fā)表在Energy Conversion and Management期刊。

理想的節(jié)能智能窗的光譜特性如圖1所示。當窗口溫度低于VO2的相變溫度時（半導體態(tài)），智能窗表現(xiàn)出高可見光和近紅外透過率，以及低中紅外發(fā)射率；相反，當窗口溫度高于VO2的相變溫度時（金屬態(tài)），可見光透過率保持不變，但近紅外光被阻擋，而中紅外發(fā)射率增加。本研究利用FDTD方法（Finite-Difference Time-Domain method 時域有限差分方法）分析了不同VO2基顆粒及其混合組成的光譜輻射特性（圖2），成功地制作出core@VO2結構（圖3），并驗證混合顆粒的多頻帶協(xié)同調制能力（圖4）。

為了確定VO2顆粒和core@VO2顆粒的最佳結構參數(shù)，本研究從顆粒尺寸（圖5-9）、顆粒體積分數(shù)（圖10）、顆粒組成比例（圖11）、薄膜厚度（圖12）探究了基材的透光性（TLUM），太陽調制能力（Δτsol）和大氣窗口波段的發(fā)射率調制能力（ΔεLWIR），并繪制了結構參數(shù)與智能窗的光學性能的皮爾遜相關系數(shù)矩陣（圖13）。在最佳工藝條件下，模擬結果表明該智能窗具有49.78%的透光率，15.41%的太陽調制能力，32.44%的發(fā)射率調制能力。

最后，研究構建了一個雙層辦公樓模型，利用Energy Plus軟件對自適應熱致變色智能窗的室內日光照度（圖14）和建筑能效（圖15）進行了評估。結果表明：上午8點到下午4點，室內日光照度足以滿足正常工作要求（照度大于400 Lux）；在全球不同地區(qū)與傳統(tǒng)low-e節(jié)能玻璃相比，具備更高的節(jié)能性能，最大節(jié)能率超過8%，最大節(jié)能率超過90 MJ/m2。

圖1. (a)光譜互補控制的自適應熱致變色智能窗示意圖。(b)低溫節(jié)能智能窗的理想光譜特性圖。(c)高溫節(jié)能智能窗的理想光譜特性。

圖2.VO2基、core@VO2基和VO2/core@VO2基納米顆粒薄膜的光學性能比較。

圖3.(a) SiO2@VO2結構的掃描電子顯微鏡圖像。(b) SiO2@VO2硅元素分布的EDS圖。(c) SiO2@VO2釩元素分布的EDS圖。(d) VO2結構的掃描電子顯微鏡圖像。(e) SiO2@VO2氧元素分布的EDS圖。(f) SiO2@VO2的元素組成。

圖4.(a) SiO2@VO2/VO2智能窗的太陽透過率。(b)SiO2@VO2/VO2智能窗的發(fā)射率。

圖5.VO2的吸收效率：(a)半導體，(b)金屬。VO2的散射效率：(c)半導體，(d)金屬。

圖6. core@VO2的吸收效率：(a)半導體，(b)金屬。core@VO2的散射效率：(c)半導體，(d)金屬。

圖7.在不同的VO2相態(tài)下，不同core@VO2納米顆粒半徑(R)和VO2納米顆粒半徑(r)組合下的TLUM（反映透光能力）。(a)半導體，(b)金屬。

圖8. (a)不同core@VO2納米顆粒半徑(R)和VO2納米顆粒半徑(r)組合下的Δτsol（反映相變前后的太陽調制能力）。(b)不同core@VO2納米顆粒半徑(R)和VO2納米顆粒半徑(r)組合下的ΔεLWIR（反映大氣窗口波段的發(fā)射率調制能力）。

圖9.納米顆粒尺寸與智能窗的光學性質的皮爾遜相關系數(shù)矩陣。

圖10.不同體積分數(shù)下的：(a)太陽透過率，(b)中紅外發(fā)射率，(c) TLUM，Δτsol，和ΔεLWIR，(d)全光譜調節(jié)智能窗的制冷功率和加熱功率的理論計算。

圖11. VO2納米顆粒與core@VO2納米顆粒在不同體積分數(shù)占比下的：(a)太陽透過率，(b)中紅外發(fā)射率，(c) TLUM，Δτsol，和ΔεLWIR，(d)全光譜調節(jié)智能窗的制冷功率和加熱功率的理論計算。

圖12.不同薄膜厚度下的：(a)太陽透過率，(b)中紅外發(fā)射率，(c) TLUM，Δτsol，和ΔεLWIR，(d)全光譜調節(jié)智能窗的制冷功率和加熱功率的理論計算。

圖13.結構參數(shù)與智能窗的光學性能的皮爾遜相關系數(shù)矩陣。

圖14. (a)-(e)秋分和(f)-(j)冬至哈爾濱市不同白天時間段下的室內照度（Energy Plus軟件模擬評估）。

圖15. (a)全球典型地區(qū)智能窗節(jié)能潛力示意圖。(b)不同城市的總節(jié)能情況。(c)倫敦的制冷能耗、供暖能耗和年度總能耗。(d)鳳凰城(菲尼克斯)的制冷能耗、供暖能耗和年總能耗。

小結：本研究通過譜帶互補調節(jié)，提出了一種基于VO2混合顆粒結構的新型單層智能窗，在保持高可見光透過率的同時，實現(xiàn)了大范圍近紅外透過率和中紅外發(fā)射率的動態(tài)調節(jié)，進一步提升了VO2智能窗的應用潛力，為實現(xiàn)熱致變色智能窗口提供了一種前景廣闊的解決方案。

論文信息：Sun, K., Xie, Y., Lai, Q., Qiu, J., & Tan, J. (2026). Self-adaptive radiative cooling smart windows with spectral band complementary regulation. Energy Conversion and Management, 348, 120721.

doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120721

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