综述：节能建筑中的动态光热调制

《Materials Today》：Dynamic photothermal modulation in energy-efficient buildings

动态光热调制技术在建筑节能中的应用，重点分析窗口、屋顶和墙壁的光热调控器件设计，涵盖热、电、机械响应材料，以及太阳能与太空冷源协同作用机制，有效降低建筑能耗并减少碳排放。

　　在当今全球能源日益紧张的背景下，人类对可持续发展的追求变得尤为迫切。建筑行业作为能源消耗的主要领域之一，其能源使用效率直接关系到全球碳排放和环境可持续性。因此，探索和应用先进的热辐射调控技术，成为提升建筑能效的关键路径。热辐射作为一种无需介质的热能传递方式，具有独特的优势，可以用于调节建筑内部与外部环境之间的热交换。然而，由于热辐射受到多种动态因素的影响，如太阳辐射强度、环境温度、天气状况、地理气候区以及昼夜和季节变化等，这给建筑热辐射调控材料的设计与优化带来了巨大挑战。为此，科学家们正在积极研究各种动态热光调控装置，以实现对热辐射的灵活管理，从而显著提高建筑的能源效率。

建筑的热交换过程主要通过三种机制进行：热传导、热对流和热辐射。其中，热辐射在建筑能效优化中扮演着至关重要的角色。热辐射的特性决定了其能够不受介质限制地在建筑与外部环境之间传递能量。例如，建筑的热辐射来源包括太阳辐射（可见光和近红外波段）以及来自周围物体（如地面和相邻建筑）的中红外波段辐射。同时，建筑本身也会向外界辐射热量，这种热交换方式特别依赖于大气窗口（主要位于3–5 μm和8–13 μm波段），使得建筑能够与外太空进行热交换。因此，通过调控热辐射的特性，可以实现对建筑热平衡的有效管理，进而提升建筑的能源效率和室内热舒适性。

在建筑的各个组成部分中，窗户、屋顶和墙体是热辐射交换的主要界面。这些组件在不同环境条件下对热辐射的管理需求各不相同，例如，窗户需要在保证采光的同时控制热辐射的进入，而屋顶和墙体则更关注热辐射的反射和发射性能。为了实现对热辐射的动态调控，研究者们开发了多种类型的热光调控装置，包括基于热响应、电响应、机械响应以及多刺激响应的材料和结构。这些装置能够根据环境变化，灵活调整其光学和热学性能，从而实现对建筑热辐射的智能管理。

热响应材料，如单斜氧化钒（VO?），因其在温度变化时能够发生相变并表现出可逆的光学性质变化，成为热光调控技术中的重要组成部分。VO?的显著优势在于其能够根据环境温度的变化，实现对可见光和近红外波段的高透射率以及对中红外波段的高发射率，这使其在建筑窗户和墙体的热管理中具有广泛的应用前景。然而，VO?基材料在实际应用中仍面临一些挑战，例如环境稳定性不足和颜色变化带来的视觉影响，这些都需要进一步优化和改进。

电响应材料则通过外部电场的作用实现光学性能的可逆调控。这类材料能够根据需求主动调节建筑的热辐射特性，从而在不同气候条件下保持最佳的热平衡状态。例如，某些电致变色材料能够在施加微小电压后改变其透光率和热辐射性能，这种特性使其在建筑窗户和外墙的应用中展现出巨大的潜力。然而，电响应材料的高制造成本和有限的循环耐久性仍然是其推广应用的主要障碍。

机械响应材料通过外部机械力实现热光性能的动态调控，其优势在于结构简单且易于实现。例如，机械翻转技术可以通过改变材料的排列顺序，实现对中红外发射率的显著调节。这种技术不仅能够有效降低建筑的冷却需求，还能在炎热天气下提供额外的隔热效果。此外，机械响应材料还可以与其他刺激响应机制结合，形成多刺激响应系统，从而进一步提升建筑热管理的灵活性和适应性。

除了上述三种主要的刺激响应机制，研究者们还在探索其他新型的刺激响应材料，如湿度响应、光响应、磁响应等。这些材料能够根据环境中的不同因素，如湿度变化、光照强度或磁场作用，实现对热光性能的动态调整。例如，某些光响应材料能够在不同光照条件下改变其光学性质，从而实现对太阳辐射的智能调控。这种多功能性的材料为建筑热管理提供了更多可能性，同时也推动了建筑节能技术的发展。

随着建筑热光调控技术的不断进步，越来越多的研究开始关注如何将这些技术应用于实际建筑中，以实现更高的能源效率和更舒适的室内环境。例如，近年来开发的辐射冷却材料，如具有高近红外反射率和高中红外发射率的涂层，能够在炎热的气候条件下显著降低建筑的冷却需求。这类材料通过将热量以中红外波段的形式辐射到外太空，从而实现高效的被动冷却效果。此外，结合热响应、电响应和机械响应的复合系统，也为建筑热管理提供了更加灵活和智能的解决方案。

在实际应用中，热光调控技术的推广和实施仍面临诸多挑战。例如，如何在不同气候条件下实现对热光性能的最优调节，如何提高材料的环境稳定性和使用寿命，以及如何降低制造和维护成本，都是需要解决的关键问题。此外，不同建筑组件对热光调控的需求各不相同，因此在设计和应用热光调控装置时，必须充分考虑其功能和性能的匹配性。例如，窗户需要兼顾采光和隔热，而屋顶和墙体则更关注热辐射的反射和发射性能。

为了推动热光调控技术的进一步发展，研究者们正在积极探索新的材料和结构设计，以提高其性能和适应性。例如，通过纳米材料和微结构设计，可以实现对热光性能的精确调控，从而满足不同建筑组件的特定需求。此外，多学科交叉的研究方法也为热光调控技术的创新提供了新的思路。例如，结合材料科学、光学工程和建筑学的知识，可以开发出更加智能化和高效的热光调控装置。

总之，热光调控技术在建筑能效优化中展现出巨大的潜力。通过动态管理建筑与外部环境之间的热辐射交换，可以有效减少对传统空调系统的依赖，降低能源消耗，减少碳排放，从而为实现可持续发展的目标做出贡献。随着技术的不断进步和材料的持续创新，热光调控技术有望在未来建筑中发挥更加重要的作用，为绿色建筑和智能建筑的发展提供强有力的支持。