具有高透明度、高效率及出色色彩还原能力的可扩展混合太阳能窗户

《Joule》：Scalable hybrid solar window with high transparency, high efficiency, and superior color rendering

建筑能耗占全球总能耗约30%，加剧温室气体排放与能源危机。多光谱热管理通过精确调控可见光、近红外及中红外的透射率、反射率、吸收率和发射率，优化屋顶/墙壁、窗户及室内纺织品的热性能，助力零能耗建筑目标。

　　建筑能耗占全球总能耗的约30%，是导致温室气体排放和加剧全球能源危机的重要因素。尽管能源高效技术取得了快速进展，但对不同气候区的光学设计、材料选择和设备制造方面的系统理解仍显不足。本文综述了针对屋顶、墙体、窗户和室内纺织品的多光谱热管理策略，旨在在多种气候条件下最大化节能效果，并特别关注高海拔环境中应用的辐射加热系统的显著研究缺口。通过精细控制可见光、近红外光和中红外光范围内的透射率、反射率、吸收率和发射率，可以满足不同建筑组件的多样化需求。本文提供了一个关键框架、设计原则和开发新节能技术的路线图，以实现特定气候下的碳中和目标，最终推动零能耗建筑的实现。

建筑是全球能源消耗的主要来源之一，占总能源使用量的30%以上，并导致全球约10%的温室气体排放。其中，几乎有一半的能耗来自于供暖、通风和空调（HVAC）系统，这些系统在维持室内舒适度方面至关重要，但同时也是高度耗能的。在全球面临能源短缺和气候变化的挑战下，发展和实施零能耗建筑变得愈发迫切。这一紧迫的挑战要求开发创新且高影响力的节能策略，以满足现代建筑的需求，同时减少其对环境的影响，这对科学界和工业界都具有重要意义。

为了提高建筑的能源效率，一种特别有前景的方法是多光谱热管理。这种方法为建筑组件如屋顶、墙体和个人热管理（PTM）纺织品提供了有效的节能解决方案。多光谱热管理依赖于对广泛波长范围内的热量进行精细控制，包括可见光（0.4–0.7 μm）、近红外光（NIR，0.7–2.5 μm）以及中红外光（MIR）宽带（2.5–25 μm）。每个波段在优化建筑能源效率方面都起着关键作用：可见光对于实现自然采光和加热至关重要，近红外光管理影响室内热增益，而中红外光控制则是调节热发射的关键。考虑到全球主要分为三种气候区，包括低纬度地区、中纬度地区和高纬度地区，建筑HVAC系统的供暖和制冷需求在这些气候区之间存在显著差异，从而导致屋顶、墙体和PTM纺织品的不同设计规则。通过精确控制这些波段的透射率、反射率、吸收率和发射率，可以显著减少建筑能耗。

被动式日间辐射冷却（PDRC）材料是多光谱热管理的一个关键例子。这些材料设计用于反射太阳光（0.3–2.5 μm）并高效地通过大气窗口（8–13 μm）发射长波红外辐射（LWIR），使热量能够穿过地球大气层并散逸到寒冷的外太空（约3 K）。因此，PDRC材料可以在不消耗额外能源的情况下实现建筑的降温，使其成为墙体和屋顶涂料、陶瓷地砖以及结构材料的理想选择。相比之下，低发射率（low-e）玻璃代表了另一种在抑制热量流失方面具有重要意义的创新。这些低-e涂层通常需要高可见光透射率和低中红外宽带发射率，包括超薄银（Ag）基多层结构、透明导电氧化物（TCOs）以及金属纳米线（NW）网络。这些材料已被证明能够有效减少窗户的热发射，从而提高建筑的能源效率。

与传统的对宏观空间进行加热或冷却的方法不同，PTM提供了一种创新方式，通过在个体周围创造微环境来减少空调的能耗。已经展示了几种具有不对称特性的动态纺织品，如可拉伸复合材料、电致变色纤维以及湿度驱动的光栅结构，这些材料能够实现中红外光的调节，从而在一定程度上减少能源消耗。然而，尽管关于多光谱热管理在屋顶、墙体和纺织品中的研究不断深入，但针对不同气候区、不同建筑立面组件和PTM纺织品的多光谱设计策略的综述仍显不足，这构成了一个需要研究界关注的重要研究空白。

本文旨在填补这一空白，提供一个全面的多光谱热管理技术和策略的综述，以提升全球建筑的能源效率。文章首先从热传递模型入手，讨论在不同气候和不同场景下屋顶和墙体的理想设计策略，接着对每个组件的最新研究进行全面回顾。最后，文章探讨了各种组件在实际应用中的前景和挑战。通过本次综述，我们希望为多光谱热管理技术的发展提供关键的理解，以支持全球碳中和建筑目标的实现，并激发更多关于这一重要研究方向的探索。

在建筑屋顶和墙体的热传递模型分析中，我们采用了一个简化的单维度稳态热传递模型，以确定用于建筑屋顶和墙体的节能材料的净冷却功率。这一模型未考虑地面的热辐射，重点分析了材料面向天空时的热传递过程。通过这一模型，可以更清晰地理解材料在不同波段的热行为，以及其在建筑环境中的实际应用效果。多光谱热管理策略在不同气候条件下的应用具有显著差异，因此需要根据不同气候区的特点进行针对性设计。例如，在低纬度地区，由于强烈的太阳辐射，材料需要高效反射太阳光并减少热量吸收，以实现有效的被动冷却。而在高纬度地区，由于冬季寒冷，材料则需要具备良好的热保持能力，同时在夏季能够有效调节热发射，以实现节能和舒适性的平衡。

多光谱热管理在不同气候条件下的屋顶和墙体应用涵盖了多种策略。在低纬度地区，主要关注的是被动式日间辐射冷却（PDRC）技术，这种技术通过反射太阳光并高效发射长波红外辐射来实现降温。在高纬度地区，重点则放在辐射加热技术上，以应对冬季的寒冷环境。而在中纬度地区，动态热管理技术则成为主要研究方向，这些技术能够根据环境条件的变化主动调节热传递，从而在不同季节实现最佳的热舒适性和能源效率。这些策略的实施不仅需要对材料的光学特性进行深入研究，还需要结合实际应用场景，进行系统的优化设计。

对于窗户的多光谱热管理，情况更为复杂。窗户作为建筑中透明的组成部分，需要在保持自然采光的同时，有效管理热量传递。因此，窗户的热管理材料需要具备更高的复杂性和精确度，以在可见光、近红外光和中红外光波段内实现最佳的热控制。近年来，智能窗户技术取得了显著进展，包括热致变色、电致变色和光致变色窗户等。这些窗户能够根据环境条件的变化，主动或被动地调节热传递，从而在不同季节实现节能效果。此外，低发射率（low-e）玻璃作为传统窗户热管理技术的一部分，仍然在抑制热量流失方面发挥着重要作用。这些材料的选择和设计需要充分考虑其在不同气候条件下的适用性，以确保在各种环境下都能实现最佳的热管理效果。

室内纺织品的多光谱热管理则具有独特的挑战和需求。与建筑屋顶、墙体和窗户不同，室内纺织品需要满足人体舒适度和热调节的双重目标。因此，室内纺织品的热管理策略通常包括宽带中红外透明冷却纺织品、中红外反射性加热纺织品以及用于个人热管理的动态纺织品。这些纺织品的设计需要在保持舒适性的同时，实现高效的热调节功能。例如，宽带中红外透明冷却纺织品能够通过反射中红外辐射来减少热量吸收，从而实现降温效果；而中红外反射性加热纺织品则通过吸收和保留热量来提高保暖性能。动态纺织品则可以根据环境温度或人体活动的变化，主动调节其热性能，从而实现更高效的个人热管理。

多光谱热管理技术在不同气候条件下的应用不仅涉及材料的选择和设计，还需要考虑其在实际建筑环境中的性能表现。例如，在高海拔地区，由于大气稀薄，热辐射的传播效率更高，因此需要针对这种环境特点进行特殊设计。而在低纬度地区，强烈的太阳辐射要求材料具备更强的反射能力，以减少热量吸收。这些不同气候区的特殊需求使得多光谱热管理技术的应用具有高度的地域适应性。因此，开发适用于不同气候区的多光谱热管理材料和系统，是实现建筑节能和碳中和目标的重要途径。

尽管多光谱热管理技术在建筑中的应用已取得一定进展，但仍然面临诸多挑战。例如，如何在不同波段内实现精确的热控制，如何平衡材料的光学性能和机械性能，以及如何在实际建筑中大规模应用这些技术，都是需要进一步研究的问题。此外，多光谱热管理材料的制造成本和可持续性也是影响其推广的重要因素。因此，未来的研究需要在这些方面进行深入探索，以推动多光谱热管理技术的进一步发展和应用。

综上所述，多光谱热管理技术在建筑节能中的应用具有广阔的前景。通过精细控制可见光、近红外光和中红外光波段内的热传递行为，可以有效提高建筑的能源效率，并减少其对环境的影响。本文综述了多光谱热管理技术在不同建筑组件中的应用，包括屋顶、墙体、窗户和室内纺织品，并探讨了其在不同气候条件下的设计策略和实际效果。我们希望本文能够为研究人员和工程师提供有价值的参考，推动多光谱热管理技术在建筑领域的进一步发展和应用，以实现全球碳中和建筑的目标。