太陽能制熱與輻射制冷一體化的電致變色智能窗

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論文信息：Yukai Xu, Chengyuan Li, Lanxin Ma, Jingkai Fang, Ruipeng Geng, Chengchao Wang,A thermally asymmetric zinc-based electrochromic smart window with dual-functionality of solar heating and radiative cooling,Applied Thermal Engineering,Volume 302, Part 5,2026,132091

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.132091

研究背景

發達國家建筑能耗占總能耗30–40%，窗戶是圍護結構最薄弱環節。現有電致變色智能窗存在三大短板：僅聚焦可見光調控，近紅外（占太陽能50%）未被有效管控；忽略8–13 μm中紅外長波熱輻射管理，冬夏熱需求無法兼顧；往返切換均耗電，液態電解質易泄漏。鋅基電致變色器件（ZECD）可利用鋅陽極與陰極的電位差實現自發褪色并回收能量，但此前工作均未涉及長波熱輻射調控。本工作首次將ZECD與輻射制冷/太陽能制熱集成，解決上述痛點。

研究內容

核心為五層可機械翻轉結構：外層雙功能面（一側雙層ITO玻璃，兼具近紅外屏蔽與8.13%低發射特性；另一側刮涂PDMS高發射涂層，中紅外發射率達95.09%）；中間為電沉積普魯士藍（PB）電致變色層，669 nm光對比度81.83%；PAME雙離子準固態水凝膠電解質，-46℃仍保持0.14 S/m離子電導率，90天質量增益31.4%；鋅箔框為陽極。

工作邏輯：夏季PDMS朝外，PB著色阻斷太陽得熱，PDMS向太空輻射排熱；冬季ITO朝外，PB漂白最大化太陽透射，ITO低發射面抑制室內熱損。

圖1。理想的SCZE智能窗太陽光譜和發射率光譜。

圖2. SCZE智能窗口組件和功能示意圖。

三波段協同調控：制熱模式下可見光透射率65.2%、近紅外透射率11.1%；制冷模式下可見光透射率22.9%、近紅外透射率2.6%，兩面發射率跨度達87個百分點，實現可見-近紅外-中紅外全波段解耦調控。

能量回收特性：鋅陽極與PB電極開路電壓~1.59 V，可自驅褪色；恒壓充電+恒流放電測試顯示，能量回收效率達63.6%，深色態經升壓電路可點亮0.18 V LED持續10分鐘，實現建筑表皮的能量自管理。

熱管理性能：室內1-sun模擬下，制冷模式較普通玻璃降溫13.5℃，制熱模式較普通玻璃降溫9.4℃，冬夏穩態溫差4.1℃；青島戶外晴日測試中，制冷模式較普通玻璃平均降溫7.8℃，峰值瞬時降溫達12.2℃，冬夏最大溫差5.2℃。

圖12。（a）室內溫度模擬測試示意圖。（b）模擬太陽輻照強度的太陽能模擬器。（c）模擬陽光照射下普通玻璃、ITO玻璃和SCZE智能窗在不同模式下的溫度變化。

圖14。SCZE智能窗PDMS層朝上和ITO層朝上加熱15min后紅外圖像的比較。

建筑節能潛力：基于EnergyPlus的13個典型氣候城市模擬顯示，器件全年能耗優于普通玻璃與ITO玻璃，夏熱冬冷、寒冷地區節能率最為顯著，高能效區與“輻射制冷+太陽能制熱”協同區高度重合。

圖17。SCZE智能窗節能性能模擬。（a）SCZE智能窗應用于建筑外窗的模型圖。（b）濟南氣候條件下一年內12個月內使用普通玻璃、ITO玻璃、SCZE智能窗的建筑外窗供暖和制冷能耗比較（單位：MJ/m2）。（c）選取不同氣候區的十三個代表性城市，評價SCZE智能窗對建筑外窗的節能效果（比較指標包括單位面積年節能、MJ/m2、年節能百分比, %). (d）在考慮當地氣候條件后，應用SCZE智能窗所帶來的年建筑節能百分比中國的一些城市。

結論與展望

本工作首次將鋅基電致變色與輻射制冷/太陽能制熱集成于同一可翻轉窗體系，核心創新點：① 機械翻轉實現中紅外發射率8%→95%的大跨度切換，單靜態材料無法做到；② 三波段解耦調控，近紅外屏蔽、可見光調制、長波發射分別由不同功能層承擔；③ 首次將ZECD能量回收嵌入建筑表皮，降低系統凈能耗。當前為手動翻轉概念驗證，后續需開發低功耗自動翻轉機構、無翻轉動態發射率調控技術，完善長期電循環、濕熱老化等耐久性測試，推動規模化應用。