AM：零能耗智能建筑-热辐射光谱自适应

论文信息：

Sai LIU,Gang Chen,Jian Li and Shi-Jie Cao, Smart Skin for Zero Energy Buildings: A Review of Thermoresponsive Spectral-Adaptive Envelopes, Advanced Materials, e11392 (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202511392

研究背景

建筑能耗在全球总能耗中占有显著比重，尤其在供暖、制冷和照明方面。随着可持续发展理念的深入，建筑不再被视为静态的庇护结构，而是逐渐演变为能够与环境动态交互的智能系统。这种理念的转变受到生物系统的启发，将建筑围护结构视为一种类似“皮肤”的动态界面，能够根据环境温度自主调节其光学与热学性能，从而实现能源效率的最大化和室内舒适度的优化。在这一背景下，热响应光谱自适应围护结构应运而生，成为零能耗建筑研究的前沿方向。与依赖外部能源输入的主动式系统（如电致变色窗）不同，被动式热响应系统因其结构简单、无需外部电力、材料可持续等优势，受到广泛关注。这类系统通过动态调节太阳辐射的透射与反射以及长波红外辐射的发射，实现对建筑热环境的自主管理，显著降低对机械供暖、制冷和人工照明的依赖。本文综述了热响应智能围护结构的最新进展，涵盖透明构件（如智能窗）与不透明构件（如辐射涂层），重点探讨其在可见光、近红外与长波红外波段的光谱调控能力，以及材料-结构一体化设计在不同气候条件下的适应性。

研究内容

本文围绕热响应光谱自适应围护结构，从智能窗、智能墙体、系统级集成三方面展开。首先是热响应智能窗技术，智能窗作为透明围护核心，需在不同温度下精准调控各频段辐射。文献重点研究了二氧化钒（ VO2 ）、水凝胶、钙钛矿三类核心材料，通过结构设计实现多频段光谱调节。其中 VO2 基智能窗的工作原理为 VO2 在 68 ℃ 发生金属 - 绝缘体相变，低温下对近红外透明，高温下反射近红外；结合法布里 - 珀罗光学腔结构，可扩展至长波红外调控。其关键研究有王等人设计了“ VO2 纳米复合涂层 +PMMA 间隔层 +ITO 低辐射涂层”结构（图 1(b) 所示）， 20℃ 时长波红外发射率 0.21 ， 90 ℃ 时升至 0.61 ，但可见光透过率仅 27.8% （冷态）与 26.1% （热态），存在透光性不足问题。李等人用氢掺杂氧化铟（ IHO ）替代 ITO （图 1(c) 所示），近红外透过率提升至 79.8% ，近红外功率调控率提高 70% ，旧金山办公建筑模拟显示年节能达 20% ， CO2 排放量减少 14-244 吨 / 年。孙等人开发“ VO2 超表面 +SiO2+AZO 反射层 +CaF₂ 基底”结构（图 1(a) 所示）， 30 ℃ 与 90 ℃ 下可见光透过率均达 62% ，长波红外发射率可在 0.55-0.81 间调控，平衡透光性与热调节能力。该技术的创新突破为李等人提出 3D 自卷曲 VO2 纳米膜设计（图 1(d) 所示），低温下膜卷曲露出透明基底，可见光透过率 61.01% ；高温下展开遮挡光线，太阳辐射调制率（ ΔTsol ）达 42.14% ，打破传统 VO2 窗透光性与调制率的 trade-off 。

图1.二氧化钒（VO2）热致变色智能窗；(a) 法布里-珀罗（Fabry–Pérot）结构示意图，以及VO2顶层在金属态与绝缘态下的波传播情况；(b) （i）具有长波红外（LWIR）调制功能的VO2基智能窗结构示意图；（ii）该智能窗实物照片；（iii）该智能窗的光谱响应曲线；(c) (i）氢掺杂氧化铟（IHO）基与氧化铟锡（ITO）基VO2智能窗在低温和高温条件下的光学光谱；(ii）以铝箔为背景时，IHO基VO2智能窗从20 ℃加热至60 ℃过程中的红外热成像图；（iii）IHO基VO2智能窗的光学光谱；(d) （i）温度诱导VO2纳米膜自卷曲行为的示意图；（ii）不同温度下自卷曲VO2智能窗的实物照片；（iii）不同热状态下自卷曲VO2智能窗对应的透光光谱。

水凝胶基智能窗的工作原理为基于低临界溶解温度（LCST），低温下亲水透明，高温下疏水团聚散射光线，同时高含水量可实现长波红外辐射冷却。该技术的关键研究为李等人制备的PNIPAM-AEMA水凝胶微粒（图2(a)所示），粒径270-420 nm，32 ℃以上发生相分离，太阳辐射调制率81.3%，低温可见光透过率87.2%，覆盖可见光与近红外频段。陈等人开发的PND 水凝胶可印刷窗（图2(b)所示），35 ℃时长波红外发射率0.81，45 ℃时升至0.94，福州地区模型房测试显示年室内降温达7.3 ℃，节能9.51 kJ/m3。还有林等人设计的“PNIPAM水凝胶+银纳米线”复合结构（图2(d)所示），高温下水凝胶失水，银纳米线层与水分子协同作用，长波红外发射率变化率84.6%，北京模型房模拟显示年节能量是传统低辐射窗的6.8倍。

图2. 水凝胶热致变色智能窗；(a) （i、ii）水凝胶颗粒通过可调散射行为实现透光率调控的示意图；（iii）基于聚N-异丙基丙烯酰胺-2-氨基乙基甲基丙烯酸酯（PNIPAM-AEMA）水凝胶的智能窗透光光谱；(b) （i）夏季不同时段拍摄的聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-N,N-二甲基丙烯酰胺）（PND）水凝胶智能窗实物照片；（ii）PND 水凝胶智能窗在35-45 ℃温度范围内的透光光谱与热发射率曲线；(c) 聚偏氟乙烯@聚N-异丙基丙烯酰胺（PVDF@PNIPAM）复合膜在不同温度下的发射率光谱；(d) 具有长波红外（LWIR）调制功能的水凝胶智能窗在低温与高温条件下的表现：（i）工作原理示意图；（ii）光学光谱；（iii）低温条件下（上图）与高温条件下（下图）的可见光图像及红外图像。

钙钛矿基智能窗的工作原理为金属卤化物钙钛矿低温下透明，高温下发生相变转为强吸收态，主打可见光调控；通过与其他材料复合，可扩展至近红外与长波红外频段。该技术的关键研究为刘等人设计了“水合MAPbI3-xClx钙钛矿+CWO光热层+低辐射涂层”（图3(a)所示），CWO吸收78%近红外并转化为热，触发钙钛矿相变；香港户外测试显示峰值日照下室内降温8 ℃，新加坡办公建筑年节能13.8%。刘等人开发三态智能窗（图3(b)所示），将MAPbI3钙钛矿与钨掺杂VO2结合，37 ℃时VO2调控近红外，51.5 ℃时钙钛矿调控可见光，实现“高透光-近红外遮挡-全太阳遮挡”三态切换，合肥户外测试降温3.4 ℃，迈阿密地区年节能102.09 MJ/m2。

图3.钙钛矿热致变色智能窗；(a)（i）T-PCL智能窗的结构与工作原理示意图；（ii）T-PCL智能窗的实物照片；（iii、iv）T-PCL智能窗的透光光谱与发射率光谱；（v）T-PCL智能窗（含低辐射（Low-E）涂层与不含低辐射涂层）的红外图像；(b)（i）三态热致变色钙钛矿智能窗在低温、中温、高温条件下的工作原理示意图；（ii）该智能窗对应不同温度条件的透光光谱。

其次是热响应智能墙体技术，墙体作为不透明围护组件，需通过反射与吸收调控辐射，低温吸热保热，高温反射散热。文献重点研究四类涂层技术，解决墙体全天候热管理问题。其中VO2基辐射涂层的工作原理为利用VO2相变调节长波红外发射率，结合多层结构实现太阳光谱与长波红外的协同调控。该技术的关键研究有敖等人设计了“VO2/Al2O3/Al”多层结构（图4(a)所示），高温下VO2呈金属态，长波红外发射率0.25，太阳吸收率0.89（日间吸热）；低温下VO2透明，发射率升至0.75（夜间散热），实现24小时连续能量管理。唐等人开发了“WxV1-xO2微块+BaF2介质+银反射层”结构（图4(b)所示），低温发射率0.2（保热），高温达0.9（散热），夏季比传统白色涂层降温3.6 ℃，冬季升温2.9 ℃。

图4.基于二氧化钒（VO2）的热致变色辐射涂层；(a)（i）VO2/Al2O3/Al 多层膜的实物照片、侧视扫描电子显微镜（SEM）图像，以及展示其层结构的示意图；（ii）该多层膜在相变温度以下与相变温度以上的吸收率/发射率光谱；(b)（i）嵌入钨掺杂二氧化钒（WxV1-xO2）微块的多层结构示意图；（ii）该结构在低温与高温条件下对应的光学光谱。

水凝胶基辐射涂层的工作原理为通过水凝胶的透明-散射相变，结合底层吸收/发射层，实现太阳辐射与长波红外的双向调控。该技术的关键研究为闵等人开发了“PNIPAM-Al2O3纳米颗粒水凝胶+还原氧化石墨烯底层”bilayer膜（图5(a)所示），高温下水凝胶散射，太阳反射率0.962，长波红外发射率0.95（散热）；低温下透明，底层吸收太阳辐射（吸收率0.941），户外测试实现5 ℃降温与8 ℃升温。还有唐等人设计的“SiO2纤维层+PNIPAM水凝胶”自适应涂层（图5(b)所示），低温下选择性长波红外发射率0.85（减少大气热增益），高温下转为宽带发射率0.92（高效散热），户外测试亚环境与超环境条件下分别降温4.1 ℃与12.4 ℃。

图5.水凝胶基热致变色辐射涂层；(a)（i）智能热控（STG）膜的示意图（该膜由太阳能吸收涂层及其上方的可切换水凝胶层构成），以及该膜在制冷模式与制热模式下的光学光谱；（ii）智能热控（STG）膜的实物照片；(b)（i）红外光谱选择性调控水凝胶辐射冷却（ISRC）系统的工作原理示意图；（ii）红外光谱选择性调控水凝胶辐射冷却（ISRC）系统在选择性辐射条件与宽带辐射条件下的光学光谱。

热致变色微胶囊（TCMs）涂层的工作原理为微胶囊内染料随温度发生颜色相变，调控太阳反射率；结合中空玻璃微珠、高发射率基质，实现散热与美学兼容。该技术的关键研究有王等人开发的“PDMS+中空玻璃微珠+TCMs”涂层（图6(a)所示），25 ℃以下呈彩色（太阳反射率 0.879），25 ℃以上变白（反射率0.947），长波红外发射率0.94，南北中国城市测试显示冷热态温差9.5 ℃。孙等人用羧基纤维素纳米纤维（C-CNFs）与无定形碳酸钙（ACC）复合 TCMs（图6(c)所示），蓝色冷态吸收太阳辐射，白色热态反射，可见光调制率60%，海口地区制冷节能40 MJ/m2，石家庄制热节能18 MJ/m2。

图6.热致变色微胶囊基辐射涂层；(a) 聚二甲基硅氧烷/中空玻璃微珠/热致变色微胶囊（PDMS/HGB/TCMs）涂层在20 ℃与30 ℃下的实物照片；(b)（i）超疏水一体化冷却（SAC）涂层膜在低温与高温条件下的不同颜色实物照片，以及对应的光学光谱；（ii-iv）超疏水一体化冷却（SAC）涂层的润湿性与超疏水性性能测试结果；(c)（i）竹源纤维素原纤维的微观示意图，以及由无定形碳酸钙（ACC）团聚体、羧基纤维素纳米纤维（C-CNFs）与热致变色微胶囊（TCMs）构成的涂层微观结构示意图；（ii）织物在有色状态与无色状态下的实物照片；(d)（i）具有发电功能的超材料薄膜实物照片；（ii）开路电压、短路电流及功率密度曲线。插图展示单滴自来水驱动商用发光二极管（LED）的能力。

热致形变涂层的工作原理为基于形状记忆聚合物（SMP）或合金的热致形变，物理切换高/低反射/发射表面的暴露面积，实现热管理模式转换。该技术关键研究为张等人设计的“高发射率冷却层+低发射率吸热层+双向SMP驱动器”（图7(a)所示），低温下驱动器卷曲露出吸热层（太阳吸收率0.91），高温下展开露出冷却层（长波红外发射率0.97），天津测试制冷功率126 W/m2，制热功率860 W/m2。张等人受喜马拉雅兔毛发变色启发（图7(b)所示），结合热致变色颜料与SMP线圈，低温呈深色低发射态（吸热），高温呈浅色高发射态（散热），香港测试夜间升温1.98 ℃，日间降温8.79 ℃。

图7.用于辐射调控的热致驱动形变涂层；(a)（i）辐射热管理器件在制热模式与制冷模式下的实物照片；（ii）对应的光学光谱；(b)（i）双模式器件在加热板加热过程中的可见光图像与红外图像（直观展示可见光热致变色与红外热致变色特性）；（ii）双模式器件在制热模式与制冷模式下的光谱特性；(c) 热阻可切换器件在高温与低温环境条件下的结构示意图。

最后本文强调材料创新需与建筑系统结合，通过与光伏（PV）、多层围护组件集成，实现“能源调控+能源生产”协同。首先是智能窗与光伏集成研究，孟等人将W-VO2层与钙钛矿太阳能电池结合（图8(a)所示），25 ℃时光电转换效率15.4%，45 ℃升至16.1%，同时近红外调制率10.7%，实现“遮阳+发电”双功能。牛等人设计的“百叶结构硅太阳能电池+水凝胶层”（图8(c)所示），可见光透过率90%，太阳调制率54%，光电转换效率18.24%，兼顾透光性与能源产出。

图8.智能窗与光伏系统的协同集成；(a)（i）基于二氧化钒（VO2）的光伏智能窗薄膜结构示意图；（ii）该智能窗在不同温度下的对应透光光谱；(b)（i）基于水凝胶的光伏智能窗结构示意图；（ii）该智能窗在低温与高温条件下的对应透光光谱；(c)（i）多层百叶结构水凝胶-太阳能电池智能窗的横截面示意图；（ii）该器件在不同温度下的光学透光率变化；（iii）该智能窗在不同环境条件下的工作状态示意图；(d)（i）甲胺铅碘（MAPbI3·xCH3NH2）热致变色钙钛矿窗在褪色态（低温）与着色态（高温）下的波长依赖性透光率曲线；（ii）该窗口在黑暗环境（低温态）与光照条件（高温态）下测得的电流-电压特性曲线；(e)（i）铯铅碘溴（CsPbI3-xBrx）热致变色钙钛矿窗在透明态（黑色曲线）与着色态（红色曲线）下的透光光谱及对应实物照片；（ii）该窗口在低温与高温条件下测得的电流-电压曲线。

然后是辐射涂层与光伏集成的研究。何等人在多结太阳能电池表面覆盖透明辐射冷却膜，户外测试电池降温6 ℃，光电转换效率提升1.3%，且50天后效率保留率80.9%（未涂层仅6.1%）。龚等人在双面光伏板周围屋顶涂覆光致发光辐射冷却涂层，屋顶降温15 ℃，光伏功率输出提升23%，371个中国城市模拟显示年发电增量30-37%。

最后是多层围护组件集成研究。吴等人将热致变色水凝胶玻璃与催化特朗勃墙结合（图9(a)所示），20-25 ℃间太阳透过率从0.9降至0.3，墙体表面降温3.2 ℃，甲醛去除率44.6%，实现“热调节+空气净化”。宣等人设计“辐射冷却模块+PV/T模块”（图9(d)所示），夏季打开冷却模块通风口实现被动降温（室内降温7.2 ℃），冬季关闭通风口利用 PV/T 模块加热空气（室内升温2.7 ℃），香港测试验证全天候适应性。

图9.建筑围护结构中的多层功能集成；(a)（i）集成热致变色水凝胶玻璃的催化型特朗勃墙系统示意图；（ii）该系统的运行原理图；(b) 双面光伏通风墙-热致变色（BPVW-TC）系统在（i）夏季与（ii）冬季运行条件下的示意图；(c) 低温热催化与天空辐射冷却混合系统的示意图；(d) 光伏光热（PV/T）-辐射冷却系统在制热模式与制冷模式下的工作原理。

结论与展望

综上所述，本文系统综述了热响应光谱自适应建筑围护结构的研究进展，涵盖了VO2、水凝胶、钙钛矿、热致变色微胶囊、形变聚合物等多种材料体系，及其在智能窗、辐射涂层、光伏集成与建筑系统中的应用。研究表明，这类材料通过被动的温度驱动机制，实现了对可见光、近红外与长波红外波段的光谱调控，显著提升了建筑的热舒适性与能源效率。总之，热响应光谱自适应围护结构作为建筑节能与智能化的重要方向，其发展将不仅推动建筑向“零能耗”目标迈进，也将重塑建筑与环境和人类之间的互动关系，实现真正意义上的“智能皮肤”。