被動式智能窗（包括熱致變色和光致變色智能窗）因其結構簡單、無需能源輸入，被認為是理想的智能窗技術。而熱致或光致變色智能窗多是通過提高吸收或散射來調節窗戶的太陽光通量，其中具有散射效應的智能窗戶體系（包括水凝膠、離子液體凝膠和液晶等）在透明度（Tlum）和太陽光調制效果（ΔTsol）方面具有優勢，但其散射特性會影響人們對室外的觀察。而基于調節對太陽光吸收效果的智能窗材料（包括VO2、鈣鈦礦和WO3等）確實能保持透視效果。然而，目前的大多數智能窗材料的研究都傾向于關注陽光的直接透過率（Tsol），而忽略了窗戶吸收的太陽熱量，這些熱量向室內的傳遞會導致室溫升高，降低智能窗在夏季的能效。因此，可以考慮將這部分能量收集起來加以利用，例如在冬季加熱房間或通過熱電轉換發電。除了對室內溫度的調制，窗戶還必須提供足夠的室內照明，同時限制過高的亮度和局部眩光。
在他們的前期工作中已經證明了三氧化鎢摻雜聚甲基丙烯酸甲酯的光致變色智能窗戶在這方面具有足夠的優勢，因為光致變色的觸發因素是陽光強度（Adv. Mater. 2023, 2304910）。日照強度高時，光致變色智能窗會處于著色態，防止室內過亮和眩光；日照強度低時，光致變色智能窗會處于透明狀態，最大限度地增加日光的進入。但是，考慮到能源效率，光致變色智能窗在季節變化大的氣候條件下并不是最佳選擇。盡管與不使用光致變色智能窗的情況相比，使用光致變色智能窗后每年可以節約更多的能源，但在冬季，由于光致變色智能窗在晴朗的冬日也會著色并阻隔太陽光，會導致額外的供暖能耗。
翻轉技術是一種簡單有效的方法，可滿足建筑物內部不同季節的熱管理需求，并已被廣泛用于動態建筑圍護結構的研究。通常使用具有完全相反功能的異質結構，比如一側具有高太陽光吸收率以及低紅外發射率以滿足利用太陽光加熱室內的要求，另一側具有高太陽光反射率以及高紅外發射率以滿足輻射冷卻的目的，通過對該結構的翻轉實現不同功能的切換。受翻轉技術的啟發，中科院理化所仿生中心江雷院士、王京霞研究員團隊與低溫中心李來風研究員團隊通過將光致變色薄膜技術與機械旋轉技術相結合，實現了光熱功能去耦合的雙模式智能窗，從而提高了光致變色智能窗在冬季的能效，同時在一年四季都能保持光致變色智能窗提高日光舒適度的效果。智能窗的夏季模式既能調節進入室內的可見光，提高日光舒適度，又能調節進入室內的太陽熱量，降低室內溫度，減少制冷所需的能耗。智能窗的冬季模式只能調節可見光，但即使在著色狀態下，仍允許太陽熱量進入室內，從而避免了額外的供暖能耗。因此，在季節性變化明顯的氣候條件下，使用雙模式光致變色智能窗比單獨使用夏季模式節能效果最多可提高五倍。此外，本工作還驗證了利用光致變色膜吸收的熱量進行發電的可行性。相關成果以題為“Photochromic Thermoelectric Smart Window for Season-Adaptive Solar Heat and Daylight Management”發表在《Advanced Functional Materials》上，該論文第一作者為理化所博士研究生孟維豪，通訊作者為王京霞研究員，李永副研究員。理化所低溫中心李來風研究員、華南師范大學周國富教授、胡小文副教授、荷蘭埃因霍溫理工大學的Albert Schenning教授以及荷蘭代爾夫特理工大學的Augustinus Kragt博士也參與了該課題的工作。武漢理工大學的趙文俞教授、魏平教授負責了光致變色膜的熱電性能研究。江雷研究員對該課題的開展做了重要的指導和支持。該課題獲得了院國際合作項目NWO-CAS 的資助。
圖1. Fe-W-PC光致變色薄膜的制備和工作原理。（A）Fe-W-PC膜的葉片涂層制造工藝示意圖：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，然后進行刮涂并干燥成膜。（B）透明態（左）和著色態（右）的 Fe-W-PC膜照片。（C, D）著色過程中Fe-W-PC膜的吸收率（C）和透射率（D）光譜。（E）漂白過程中Fe-W-PC膜的透射光譜。（F，G）Fe-W-PC 薄膜在（F）著色和（G）漂白過程中的Tlum和Tsol變化。（H）在著色和漂白過程中，Fe-W-PC 薄膜在1050 nm波長處的透射率變化。
圖 2. 雙模式雙層光致變色（DDP）智能窗在（A）冬季模式和（B）夏季模式下的設計和工作原理。（C）透明狀態和（D）著色狀態下的照片（右圖）。在冬季模式和夏季模式下，窗戶在陽光下的（E）外表面和（F）內表面的紅外照片。
圖 3. DDP智能窗對室內溫度的影響。（A-D）在模擬太陽光照射4000秒的情況下，（A）冬季模式、（B）不帶Fe-W-PC膜的冬季模式、（C）夏季模式和（D）不帶Fe-W-PC膜的夏季模式下，裝有DDP窗的樣板房的溫度曲線；（E）在夏季和（F）冬季晴天的實地測試中，裝有DDP窗戶的樣板房的溫度曲線。
圖 4.（A）帶有熱電器件的DDP窗結構示意圖。(B、C）概念驗證演示（B）以及夾在帶或不帶Fe-W-PC膜的典型DDP窗之間的熱電器件的電流-電壓和電流-功率密度測量圖（C）。
圖 5. 模擬 DDP 窗的節能性能。（A）在不同光照強度下，DDP窗戶在冬季和夏季模式下的Tlum和SHGC變化。（B）安裝了DDP窗的模型辦公室在不同城市的年能耗計算結果。條形圖上標注了DDP窗戶在夏季和冬季模式下與不使用Fe-W-PC膜的情況相比的節能百分比。（C）卡爾加里使用DDP窗的辦公室模型的每月能耗計算。（D）北京、阿姆斯特丹、卡爾加里和斯德哥爾摩裝有DDP窗的辦公室模型在連續夏季模式和切換模式下的年能耗和節能計算。
論文鏈接 https://doi.org/10.1002/adfm.202402494
