被动式智能窗（包括热致变色和光致变色智能窗）因其结构简单、无需能源输入，被认为是理想的智能窗技术。而热致或光致变色智能窗多是通过提高吸收或散射来调节窗户的太阳光通量，其中具有散射效应的智能窗户体系（包括水凝胶、离子液体凝胶和液晶等）在透明度（Tlum）和太阳光调制效果（ΔTsol）方面具有优势，但其散射特性会影响人们对室外的观察。而基于调节对太阳光吸收效果的智能窗材料（包括VO2、钙钛矿和WO3等）确实能保持透视效果。然而，目前的大多数智能窗材料的研究都倾向于关注阳光的直接透过率（Tsol），而忽略了窗户吸收的太阳热量，这些热量向室内的传递会导致室温升高，降低智能窗在夏季的能效。因此，可以考虑将这部分能量收集起来加以利用，例如在冬季加热房间或通过热电转换发电。除了对室内温度的调制，窗户还必须提供足够的室内照明，同时限制过高的亮度和局部眩光。
在他们的前期工作中已经证明了三氧化钨掺杂聚甲基丙烯酸甲酯的光致变色智能窗户在这方面具有足够的优势，因为光致变色的触发因素是阳光强度（Adv. Mater. 2023, 2304910）。日照强度高时，光致变色智能窗会处于着色态，防止室内过亮和眩光；日照强度低时，光致变色智能窗会处于透明状态，最大限度地增加日光的进入。但是，考虑到能源效率，光致变色智能窗在季节变化大的气候条件下并不是最佳选择。尽管与不使用光致变色智能窗的情况相比，使用光致变色智能窗后每年可以节约更多的能源，但在冬季，由于光致变色智能窗在晴朗的冬日也会着色并阻隔太阳光，会导致额外的供暖能耗。
翻转技术是一种简单有效的方法，可满足建筑物内部不同季节的热管理需求，并已被广泛用于动态建筑围护结构的研究。通常使用具有完全相反功能的异质结构，比如一侧具有高太阳光吸收率以及低红外发射率以满足利用太阳光加热室内的要求，另一侧具有高太阳光反射率以及高红外发射率以满足辐射冷却的目的，通过对该结构的翻转实现不同功能的切换。受翻转技术的启发，中科院理化所仿生中心江雷院士、王京霞研究员团队与低温中心李来风研究员团队通过将光致变色薄膜技术与机械旋转技术相结合，实现了光热功能去耦合的双模式智能窗，从而提高了光致变色智能窗在冬季的能效，同时在一年四季都能保持光致变色智能窗提高日光舒适度的效果。智能窗的夏季模式既能调节进入室内的可见光，提高日光舒适度，又能调节进入室内的太阳热量，降低室内温度，减少制冷所需的能耗。智能窗的冬季模式只能调节可见光，但即使在着色状态下，仍允许太阳热量进入室内，从而避免了额外的供暖能耗。因此，在季节性变化明显的气候条件下，使用双模式光致变色智能窗比单独使用夏季模式节能效果最多可提高五倍。此外，本工作还验证了利用光致变色膜吸收的热量进行发电的可行性。相关成果以题为“Photochromic Thermoelectric Smart Window for Season-Adaptive Solar Heat and Daylight Management”发表在《Advanced Functional Materials》上，该论文第一作者为理化所博士研究生孟维豪，通讯作者为王京霞研究员，李永副研究员。理化所低温中心李来风研究员、华南师范大学周国富教授、胡小文副教授、荷兰埃因霍温理工大学的Albert Schenning教授以及荷兰代尔夫特理工大学的Augustinus Kragt博士也参与了该课题的工作。武汉理工大学的赵文俞教授、魏平教授负责了光致变色膜的热电性能研究。江雷研究员对该课题的开展做了重要的指导和支持。该课题获得了院国际合作项目NWO-CAS 的资助。
图1. Fe-W-PC光致变色薄膜的制备和工作原理。（A）Fe-W-PC膜的叶片涂层制造工艺示意图：FeCl3/WCl6/N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液和PMMA/1,2-二氯乙烷（DCE）溶液充分混合，然后进行刮涂并干燥成膜。（B）透明态（左）和着色态（右）的 Fe-W-PC膜照片。（C, D）着色过程中Fe-W-PC膜的吸收率（C）和透射率（D）光谱。（E）漂白过程中Fe-W-PC膜的透射光谱。（F，G）Fe-W-PC 薄膜在（F）着色和（G）漂白过程中的Tlum和Tsol变化。（H）在着色和漂白过程中，Fe-W-PC 薄膜在1050 nm波长处的透射率变化。
图 2. 双模式双层光致变色（DDP）智能窗在（A）冬季模式和（B）夏季模式下的设计和工作原理。（C）透明状态和（D）着色状态下的照片（右图）。在冬季模式和夏季模式下，窗户在阳光下的（E）外表面和（F）内表面的红外照片。
图 3. DDP智能窗对室内温度的影响。（A-D）在模拟太阳光照射4000秒的情况下，（A）冬季模式、（B）不带Fe-W-PC膜的冬季模式、（C）夏季模式和（D）不带Fe-W-PC膜的夏季模式下，装有DDP窗的样板房的温度曲线；（E）在夏季和（F）冬季晴天的实地测试中，装有DDP窗户的样板房的温度曲线。
图 4.（A）带有热电器件的DDP窗结构示意图。(B、C）概念验证演示（B）以及夹在带或不带Fe-W-PC膜的典型DDP窗之间的热电器件的电流-电压和电流-功率密度测量图（C）。
图 5. 模拟 DDP 窗的节能性能。（A）在不同光照强度下，DDP窗户在冬季和夏季模式下的Tlum和SHGC变化。（B）安装了DDP窗的模型办公室在不同城市的年能耗计算结果。条形图上标注了DDP窗户在夏季和冬季模式下与不使用Fe-W-PC膜的情况相比的节能百分比。（C）卡尔加里使用DDP窗的办公室模型的每月能耗计算。（D）北京、阿姆斯特丹、卡尔加里和斯德哥尔摩装有DDP窗的办公室模型在连续夏季模式和切换模式下的年能耗和节能计算。
论文链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202402494
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