文献前沿丨Energy Conversion and Management：继续光谱互补调控的自适应辐射制冷智能窗

基于二氧化钒(VO2)的热致变色智能窗可以被动调节光学性能而不需要额外的能源输入，是一种很有前途的建筑节能技术。然而，同时实现对太阳光谱和中红外光谱的调节极具挑战性，这严重限制了能源效率的进一步提高。为了应对这一挑战，本研究采用了光谱带互补的方法，利用VO2和core@VO2颗粒不同的光谱响应带，实现了对热致变色智能窗中太阳和中红外波段的协调控制。该智能窗具有49.78%的透光率和15.41%的太阳调制能力，此外，还具备32.44%的发射率调制能力，与传统低辐射节能玻璃相比，可节能8.07%，相当于每年节约96.2 MJ/m2。这种单层、易于制造的智能窗口为实现热致变色智能窗口提供了一种前景广阔的解决方案，该解决方案具有全光谱可控性，适用于各种应用场景。相关工作以Self-adaptive radiative cooling smart windows with spectral band complementary regulation为题发表在Energy Conversion and Management期刊。

理想的节能智能窗的光谱特性如图1所示。当窗口温度低于VO2的相变温度时（半导体态），智能窗表现出高可见光和近红外透过率，以及低中红外发射率；相反，当窗口温度高于VO2的相变温度时（金属态），可见光透过率保持不变，但近红外光被阻挡，而中红外发射率增加。本研究利用FDTD方法（Finite-Difference Time-Domain method 时域有限差分方法）分析了不同VO2基颗粒及其混合组成的光谱辐射特性（图2），成功地制作出core@VO2结构（图3），并验证混合颗粒的多频带协同调制能力（图4）。

为了确定VO2颗粒和core@VO2颗粒的最佳结构参数，本研究从颗粒尺寸（图5-9）、颗粒体积分数（图10）、颗粒组成比例（图11）、薄膜厚度（图12）探究了基材的透光性（TLUM），太阳调制能力（Δτsol）和大气窗口波段的发射率调制能力（ΔεLWIR），并绘制了结构参数与智能窗的光学性能的皮尔逊相关系数矩阵（图13）。在最佳工艺条件下，模拟结果表明该智能窗具有49.78%的透光率，15.41%的太阳调制能力，32.44%的发射率调制能力。

最后，研究构建了一个双层办公楼模型，利用Energy Plus软件对自适应热致变色智能窗的室内日光照度（图14）和建筑能效（图15）进行了评估。结果表明：上午8点到下午4点，室内日光照度足以满足正常工作要求（照度大于400 Lux）；在全球不同地区与传统low-e节能玻璃相比，具备更高的节能性能，最大节能率超过8%，最大节能率超过90 MJ/m2。

图1. (a)光谱互补控制的自适应热致变色智能窗示意图。(b)低温节能智能窗的理想光谱特性图。(c)高温节能智能窗的理想光谱特性。

图2.VO2基、core@VO2基和VO2/core@VO2基纳米颗粒薄膜的光学性能比较。

图3.(a) SiO2@VO2结构的扫描电子显微镜图像。(b) SiO2@VO2硅元素分布的EDS图。(c) SiO2@VO2钒元素分布的EDS图。(d) VO2结构的扫描电子显微镜图像。(e) SiO2@VO2氧元素分布的EDS图。(f) SiO2@VO2的元素组成。

图4.(a) SiO2@VO2/VO2智能窗的太阳透过率。(b)SiO2@VO2/VO2智能窗的发射率。

图5.VO2的吸收效率：(a)半导体，(b)金属。VO2的散射效率：(c)半导体，(d)金属。

图6. core@VO2的吸收效率：(a)半导体，(b)金属。core@VO2的散射效率：(c)半导体，(d)金属。

图7.在不同的VO2相态下，不同core@VO2纳米颗粒半径(R)和VO2纳米颗粒半径(r)组合下的TLUM（反映透光能力）。(a)半导体，(b)金属。

图8. (a)不同core@VO2纳米颗粒半径(R)和VO2纳米颗粒半径(r)组合下的Δτsol（反映相变前后的太阳调制能力）。(b)不同core@VO2纳米颗粒半径(R)和VO2纳米颗粒半径(r)组合下的ΔεLWIR（反映大气窗口波段的发射率调制能力）。

图9.纳米颗粒尺寸与智能窗的光学性质的皮尔逊相关系数矩阵。

图10.不同体积分数下的：(a)太阳透过率，(b)中红外发射率，(c) TLUM，Δτsol，和ΔεLWIR，(d)全光谱调节智能窗的制冷功率和加热功率的理论计算。

图11. VO2纳米颗粒与core@VO2纳米颗粒在不同体积分数占比下的：(a)太阳透过率，(b)中红外发射率，(c) TLUM，Δτsol，和ΔεLWIR，(d)全光谱调节智能窗的制冷功率和加热功率的理论计算。

图12.不同薄膜厚度下的：(a)太阳透过率，(b)中红外发射率，(c) TLUM，Δτsol，和ΔεLWIR，(d)全光谱调节智能窗的制冷功率和加热功率的理论计算。

图13.结构参数与智能窗的光学性能的皮尔逊相关系数矩阵。

图14. (a)-(e)秋分和(f)-(j)冬至哈尔滨市不同白天时间段下的室内照度（Energy Plus软件模拟评估）。

图15. (a)全球典型地区智能窗节能潜力示意图。(b)不同城市的总节能情况。(c)伦敦的制冷能耗、供暖能耗和年度总能耗。(d)凤凰城(菲尼克斯)的制冷能耗、供暖能耗和年总能耗。

小结：本研究通过谱带互补调节，提出了一种基于VO2混合颗粒结构的新型单层智能窗，在保持高可见光透过率的同时，实现了大范围近红外透过率和中红外发射率的动态调节，进一步提升了VO2智能窗的应用潜力，为实现热致变色智能窗口提供了一种前景广阔的解决方案。

论文信息：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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