彩色热致变色窗户在建筑节能与视觉舒适性中的综合评价研究

针对建筑节能与室内光环境优化的双重需求，研究人员通过集成VO2基热致变色(TC)窗与聚氨酯(PU)复合涂层技术，系统评估了蓝、红、灰三色TC窗在三种气候区(长沙、安卡拉、纽约)下的能耗与日光性能(UDI300-2000lux、DGI、UO)。研究发现TC2、TC3及红色TC3窗可实现14%年节能率，灰色TC2窗则显著提升日光均匀性(CRI>95)，为动态智能窗的工程应用提供多目标优化依据。

　　

随着全球建筑能耗占比持续攀升，窗户作为建筑围护结构的薄弱环节，其热损失可占建筑总能耗的30%以上。传统静态窗户难以兼顾节能与采光需求，而基于二氧化钒(VO₂)的热致变色(TC)窗户通过温度驱动的光学特性转变（透明态与着色态切换），展现出显著的节能潜力。然而，现有研究多聚焦单一性能指标，缺乏对能耗、日光质量（眩光、均匀性）与色彩保真度的系统评估。尤其当TC窗整合彩色聚氨酯(PU)涂层后，其复杂的光热相互作用机制亟待量化分析。

针对这一科学问题，湖南大学的研究团队在《Advances in Applied Energy》发表研究，通过多气候区、多窗墙比(WWR)的模拟实验，首次建立了TC窗的全维度评价体系。研究采用水热法合成VO₂纳米颗粒（粒径~30nm），结合蓝/红颜料与PU复合旋涂工艺，制备出10种TC样品（含1-3层VO₂）。利用紫外-可见-近红外分光光度计测定350-2500nm光谱数据，结合EnergyPlus模型模拟三种气候区（长沙、安卡拉、纽约）下30%/60%/90% WWR场景的全年动态性能。

能源性能
模拟显示所有TC窗在92%案例中实现1-29%节能，其中TC2、TC3和红色TC3在90%WWR时节能最高（纽约达29%）。关键发现：节能效率与太阳辐射强度正相关，纽约因高辐照度节能效果优于长沙；VO₂层数增加可降低可见光透射率（TC1:78%→TC3:58%），但同U值(2.7W/m²K)下色彩差异对能耗影响微弱。

日光性能

• 可用性(UDI_300-2000lux)：灰色TC2在长沙60%WWR下UDI达52%，较基准双玻窗(DG)提升28%，归因于其优化的透射光谱调制能力。
• 眩光控制(DGI)：蓝色TC3在90%WWR时将不可接受眩光时间从50%降至14%，因低透射率(45%)有效抑制高亮度入射。
• 均匀性(U_O)：灰色TC2在90%WWR时U_O≥0.6时长占比达73%，显著优于DG(20%)。
• 色彩质量：灰色TC2与红色TC3的CRI>95，而蓝色窗因强光谱过滤导致R9(饱和红)显色指数<40。

综合排名
通过多目标分析（加权能耗、5项日光指标），灰色TC2在30%WWR时总分第一，红色TC3在60%WWR领先，蓝色TC3则在90%WWR展现最佳平衡性。值得注意的是，尽管蓝色窗节能优异，其CRI<85的特性限制其在医疗、教育等色彩敏感场景的应用。

该研究创新性地揭示了彩色TC窗的气候适应性规律：在温带大陆性气候区，灰色TC2可作为高WWR建筑的优先选择，兼顾CRI与均匀性；红色TC3则在中低WWR时更具性价比。研究为《建筑节能与可再生能源利用通用规范》提供了实证依据，推动TC窗从实验室走向工程实践。未来需通过实体建筑监测验证模拟结果，并探索VO₂/PU涂层的长期光热稳定性。