清華新聞網(wǎng)1月15日電 近日，清華大學(xué)化工系張如范副教授課題組在高性能建筑節(jié)能智能窗開(kāi)發(fā)方面取得重要進(jìn)展，開(kāi)發(fā)了一種新型液流電致變色節(jié)能智能窗，該智能窗通過(guò)調(diào)控電解液狀態(tài)和電致變色材料的氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見(jiàn)光（VIS）、近紅外光（NIR）和中紅外光（MIR）波段的動(dòng)態(tài)調(diào)控，為創(chuàng)建冬暖夏涼的低能耗建筑和高性能光熱調(diào)控材料的制備提供了創(chuàng)新解決方案。
近年來(lái)，全球極端天氣事件愈加頻繁和嚴(yán)重，對(duì)人類社會(huì)和自然環(huán)境帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年約16%的能源消耗用于建筑的供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，以保持舒適的室內(nèi)溫度。窗戶作為建筑主要的能量交換介質(zhì)，是建筑物最不節(jié)能的部位，所以高性能節(jié)能智能窗的開(kāi)發(fā)對(duì)減少建筑能耗起著關(guān)鍵作用。窗戶的熱傳遞主要包括導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射三種方式，其中熱輻射占總熱傳遞的50%以上，是實(shí)現(xiàn)窗戶高效光熱管理的關(guān)鍵。熱輻射涉及可見(jiàn)光（380-780nm）、近紅外光（780-2500nm）和中紅外光（8-13μm）波段。因此，為減少建筑能耗、提高照明效率并適應(yīng)不同季節(jié)條件，新型的建筑節(jié)能智能窗需要對(duì)可見(jiàn)光到中紅外光波段的光譜調(diào)控能力進(jìn)行全面優(yōu)化。電致變色材料能夠通過(guò)改變電壓來(lái)改變自身顏色和光線的透過(guò)率，是一種非常有前景的降低能耗和改善室內(nèi)熱舒適度的建筑節(jié)能窗技術(shù)。然而，目前大多數(shù)電致變色材料的研究主要集中于可見(jiàn)光和近紅外波段的動(dòng)態(tài)調(diào)控，它們對(duì)中紅外波段的動(dòng)態(tài)調(diào)控能力較為薄弱，成為限制建筑節(jié)能智能窗性能提升的主要瓶頸。
圖1.全年候建筑節(jié)能智能的理念及其應(yīng)當(dāng)具備的性能特征
圖2.液流電致變色節(jié)能智能窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與光譜調(diào)控特征
圖3.液流電致變色節(jié)能智能窗的光熱調(diào)控性能
在電致變色智能窗的結(jié)構(gòu)中，電解液是其關(guān)鍵組成部分。然而，現(xiàn)有的研究主要聚焦在增強(qiáng)其電子/離子傳導(dǎo)能力，而忽略了電解液在光熱調(diào)控方面的潛力。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)電解液（無(wú)論是水性還是非水性）由于其分子振動(dòng)吸收特性，在中紅外波段具有高發(fā)射率。這種特性表明，通過(guò)調(diào)節(jié)電解液的狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)智能窗在中紅外波段的大幅度動(dòng)態(tài)調(diào)控。
基于此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型液流電致變色窗（LF-ESW）的概念和原型設(shè)計(jì)，該窗能夠通過(guò)電解液的液流狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)其在中紅外波段的發(fā)射率，并通過(guò)控制電致變色材料的氧化還原反應(yīng)調(diào)節(jié)可見(jiàn)光和近紅外波段的透過(guò)率。所制備的液流電致變色智能窗對(duì)可見(jiàn)光和近紅外波段透過(guò)率的調(diào)控幅度達(dá)到43.53%，對(duì)中紅外波段發(fā)射率的調(diào)控幅度達(dá)到74%（圖1）。實(shí)驗(yàn)表明，與商業(yè)低輻射玻璃（Low-E玻璃）窗相比，所制備的液流電致變色智能窗可在炎熱季節(jié)將室內(nèi)溫度降低7.1℃，在寒冷季節(jié)將室內(nèi)溫度提高5.6℃（圖2）。此外，與普通玻璃窗相比，采用液流電致變色智能窗的建筑物每年每平方米可節(jié)省建筑能耗86.35兆焦；與低輻射玻璃窗相比，每年每平方米節(jié)省的建筑能耗達(dá)到49.532兆焦。
研究成果克服了傳統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)裝置的局限性，為高性能節(jié)能窗提供了新的解決方案，同時(shí)也為液流電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)的光熱調(diào)節(jié)提供了潛在應(yīng)用方向。
上述研究成果以“用于全年動(dòng)態(tài)光熱管理的新型液流電致變色智能窗”（A Novel Liquid Flow Electrochromic Smart Window for All-year-round Dynamic Photothermal Regulation）為題，于1月9日發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）。
化工系2023級(jí)博士生黃婭為論文的第一作者，化工系副教授張如范為論文的通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及清華-豐田聯(lián)合基金的支持。
論文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d4ee05416d
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
