VO₂水凝胶智能窗协同近红外与可见光调控

论文信息：Guifang Xiahou, Mengfan Duan, Chenyue Guo, Jiayun Wang, Yunxian Ji, Quanhua Zhao, Dongliang Zhao,A triple-mode VO2/hydrogel multilayer smart window for balancing daylighting and building energy performance,Energy and Buildings,Volume 371,2026,118215,ISSN 0378-7788

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2026.118215

研究背景

建筑外窗同时承担采自然光与控太阳得热的双重任务，固定双层玻璃和低辐射镀膜的光谱属性不变，难以随季节和日间温度自适应。VO₂热致相变可选择性调制近红外，却不调节可见光；PNIPAM水凝胶在低温临界温度附近由透明转为散射，可调控可见光，却不处理近红外。两类材料简单复合常做成二模开关，高温下可见与近红外同步下降，虽然降低冷负荷，但会过度牺牲室内采光并增加眩光风险。面向制冷主导、高窗墙比以及需要稳定有用采光的办公建筑，更合理的技术路线是把近红外与可见光分成梯度触发：低温保全部太阳透射用于被动得热，中温只挡近红外保可见采光，高温再叠加可见散射做全谱抑制。该文以VO₂@PDMS提供近红外选择调制、PNIPAM水凝胶提供温度依赖可见散射，用传递矩阵模型优化多层结构，并在多气候区把三模光谱转入建筑能耗、有用采光照度与眩光评价。

研究内容

多层结构由外到内依次为VO₂纳米颗粒分散于PDMS的复合膜、透明基片、PNIPAM水凝胶调节层和保护封装层。VO₂取低于水凝胶的相变温度，先发生绝缘—金属转变；水凝胶在更高温度发生低临界溶解温度相分离，由透明转强散射。低温双材料透明，获得冷模全谱高透；中温VO₂转金属态、水凝胶仍透明，形成近红外阻断而可见保透的温模；高温水凝胶散射叠加VO₂金属态，形成热模全谱衰减。该顺序触发把“可见—近红外”从同步开关改为分层调制，是三模而不是二模开关的核心。

图1。三模智能窗的光调制模式和理想化透射率谱。（a）冷模式；（b）暖模式；（c）热模式；（d）理想化透射谱。，表1。代表性智能窗策略的比较和当前VHM的定位，三模设计。

图2。VHM智能窗的设计和光学建模。（a）结构设计和三模动态调节机制的示意图；（b）相变前后VO2的复折射率；（c）低温下水凝胶的) , ；（d）高温下水凝胶的) , 。

光学模型对380–2500 nm建传递矩阵，各层特征矩阵按复折射率与相位厚度连乘，输出光谱透射、反射与吸收。VO₂@PDMS用Maxwell-Garnett有效介质，由PDMS基质与VO₂绝缘/金属态复折射率及体积分数算有效介电常数；PDMS与石英用Cauchy拟合，VO₂光学常数取文献绝缘/金属数据。水凝胶低温透明态近似水的光学常数，高温散射态用实验透射反射通过Essential Macleod非线性反演等效n、k，把吸收与散射合并为消光项。模型分别用VO₂@PDMS文献膜和2 mm水凝胶25/45℃数据校验，RMSE分别为6.04、低温1.18、高温0.67，说明有效介质与等效散射参数可支撑后续多层优化。

图3。模型验证。（a）VOS@PDMS复合膜；（b）PNIPAM水凝胶层。

VO₂体积分数0.5–3.0 vol%、膜厚1–8 μm扫描显示，提高分数和厚度均增加绝缘—金属透射差，但会压低两态可见透射。1.5 vol%兼顾近红外调制与可用采光，金属/绝缘双态可见透射均高于60%，太阳能调制约19%；固定该分数后3 μm膜厚在太阳能调制约14%的同时双态可见透射高于60%，更适合作近红外主调控层。水凝胶0.5–4 mm扫描显示，增厚会单调降低低温可见透射，而高温散射态透射已处于低位，继续增厚对遮光提升有限却损害透明态采光；2 mm低温可见透射超过80%，高温仍能强散射抑眩，作为可见调控厚度更平衡。

图4.建筑模型设置。（a）建筑模型示意图；（b）日光参考点分布。

优化参数下三模光谱形成梯度：冷模Tvis 68.93%、Tnir 67.22%、Tsol 68.87%；温模VO₂金属、水凝胶透明，Tvis 63.22%、Tnir 46.21%、Tsol 56.54%，近红外明显下降而可见仅小幅下降；热模双材料全激活，Tvis 7.69%、Tnir 6.57%、Tsol 7.33%。该组曲线直接体现“近红外先降、可见后降”的分层逻辑，而不是二模系统的高温全谱同降。冷模利于冬季被动得热，温模利于过渡季控热保光，热模利于夏季强太阳辐射下防过热与防眩。

图5。VHM窗口的光学优化。（a）具有VO2薄膜厚度（绝缘态（M）和金属态（R）的Tvrs和ATsoL；（b）具有VO2薄膜厚度（绝缘态（M）和金属态（R）的Tvrs和ATsoL；（c）低温和高温下水凝胶透射率与厚度的关系；（d）优化VHM窗口的三模光谱。

南京典型日SHGC评价把三模转入动态建筑运行。冬季冷模SHGC约0.61，介于双层玻璃0.85与Low-e 0.44之间，保留被动得热；过渡季中午由冷模切温模，SHGC由0.56降至0.47，可见透射仍高；夏季约10:00由温模切热模，SHGC由0.44骤降至0.04，峰值辐射时段显著低于双层玻璃与Low-e。温度回落后期SHGC有所回升，但对应太阳辐照下降，对冷负荷影响有限。该时变SHGC说明三模不是固定低透，而是按室外温度和辐射强度分级抑制。

图6。三种典型室外条件下不同窗户的动态SHGC响应。，（a）在冷模式下；（b）在暖模式下；（c）在热模式下。

三气候区办公模型以双层玻璃为基准，Low-e与VHM对照。VHM在海口、南京、哈尔滨年节能率分别为22.26%、12.37%、3.45%，Low-e为16.85%、7.87%、-0.64%；VHM在制冷主导区优势最大，在严寒哈尔滨仍正节能但不如南方显著。南向采光指标中，VHM与Low-e的有用采光照度300–2000 lx小时占比、DGI<22小时占比均高于双层玻璃约10%；海口强辐射下VHM有用采光与低眩光小时比Low-e再高约2%，说明近红外先调、可见后调可减少全谱同降带来的暗室和强眩光。

图7. DG、Low-e、VHM三种窗型在海口、南京和哈尔滨南向的UDI和DGI年分布。（a）UDI；（b）DGI。

图8海口、南京、哈尔滨三种窗型的月供暖/制冷负荷及年节能性能。（a）海口月；（b）海口节能率；（c）南京月；（d）南京节能率；（e）哈尔滨月负荷；（f）哈尔滨节能率。

与二模系统对照进一步凸显三模平衡性。南京以单转温度30℃比较VO₂近红外二模、水凝胶可见二模与VHM：海口年节能水凝胶24.81%、VHM 22.26%、VO₂ 11.29%，南京12.97%、12.37%、5.88%，哈尔滨5.08%、3.45%、1.58%；水凝胶节能常更高但UDI与低眩光表现最差，VO₂采光接近VHM但节能较低。VHM有用采光300–2000 lx在南向三城接近VO₂系统、明显高于水凝胶系统，说明分层调制用近红外降热换取可见保光，缓解二模单波段材料“节能或采光二选一”的矛盾。

图9。前后相变前两个二元窗口的透射光谱。

图11.海口、南京和哈尔滨VO2、水凝胶、VHM三种窗型月供暖/制冷负荷及年节能性能。（a）海口月负荷；（b）海口节能率；（c）南京月负荷；（d）南京节能率；（e）哈尔滨月负荷；（f）哈尔滨节能率。

相变温度参数化揭示水凝胶转变温度为主控。VO₂20–30℃、水凝胶30–40℃组合下，降低水凝胶温度普遍提高节能但降低有用采光小时，提高水凝胶温度则相反；VO₂温度主要微调温模时长。等权兼顾节能与采光时，海口优选水凝胶34–36℃、VO₂20–24℃，南京32–34℃、20–24℃，哈尔滨30–32℃、20–22℃。该结果说明同一多层结构可通过水凝胶共聚调低临界温度适配不同气候，不必重构VO₂层。

图12。年节能率、有用UDI分数和加权综合分数；（c）加权综合性能。

窗墙比与朝向决定三模收益大小。南京WWR增大，VHM相对双层玻璃节能率提升，海口WWR 0.9可达26.79%，南京最高18.83%，哈尔滨低WWR甚至略负、仅高WWR转正；朝向单立面南京西向5.38%、南向4.00%、东向2.67%、北向1.45%，西向午后强辐射最受益，北向因直接太阳辐射少收益最低。结果把材料三模优势落到“高WWR、制冷主导、西/南向”的设计场景，避免均质替代所有外窗。

图13。WWR和立面朝向对VHM窗户节能的影响。（a）南京市不同WWR的年能耗和节能率；（b）南京市不同朝向单面应用的VHM年节能率。

结论与展望

该文用VO₂@PDMS与水凝胶的阶梯相变建立冷/温/热三模：VO₂ 1.5 vol%、3 μm负责近红外选择调制，PNIPAM 2 mm负责可见散射，TMM与有效介质把分层光谱转为建筑性能。优化后冷模全透、温模近红外降至46.21%而可见仍63.22%、热模全谱低于8%；南京动态SHGC夏季可降至0.04，海口、南京、哈尔滨相对双层玻璃年节能22.26%、12.37%、3.45%，且有用采光与低眩光优于双层玻璃和Low-e。相比VO₂或水凝胶单波段二模，三模在近红外控热与可见保光之间取得更平衡的组合。局限在一维TMM按正入射与均匀层处理，未充分纳入斜入射角度分布和水凝胶角向散射；水凝胶散射用等效n,k而非BSDF，采光眩光为整体透射近似；VO₂光学取未掺杂文献数据并以掺杂降相变温度作假设，完整多层样机未制备。后续可做角向BSDF水凝胶散射、掺杂VO₂实验膜与密封封装测试，并把西/南高WWR办公建筑的全年的热—光—能耗耦合验证推向样窗户外运行。