结合近红外辐射屏蔽纳米材料的窗户在太阳能管理方面的性能表现

《Energy》：Building performance of windows integrated with near-infrared radiation-shielding nanomaterials for solar energy management

　　摘要
近红外辐射屏蔽玻璃是提升建筑能效的一种极具前景的解决方案。本研究比较了101种不同纳米材料及玻璃系统的光学与热学性能，并以Cs0.32WO3/PMMA近红外辐射屏蔽复合窗为案例，分析了其在不同气候区域，尤其是高温高太阳辐射地区的建筑能耗影响。实验结果表明，所测试纳米材料及玻璃的可见光透射率在0.10至0.91之间，太阳辐射透射率则在0.07至0.88之间，其中Cs0.32WO3/PMMA窗具有优异的性能表现。在建筑能耗方面，含5000 ppm Cs0.32WO3/PMMA的窗户在长沙可实现最高9.65%的节能率，在格尔木则可达11.62%。本研究还探讨了窗户朝向及性能系数对建筑能源性能的影响，并将所提出的技术与其他现有技术进行了对比。通过对纬度、累计太阳辐射量、年最高温度与节能率之间的相关性分析，发现制冷能耗的降低与累计太阳辐射量存在显著关联（R2=0.49）。本研究可为在适宜气候区域应用近红外辐射屏蔽纳米复合窗提供参考依据。

引言
日益严峻的能源危机与快速的城市化进程推动了全球在节能降耗方面的努力[1]。建筑行业约占总能源消耗的三分之一，因此提升能效显得尤为紧迫[2]。维持室内热舒适度需要大量能源投入，而供暖、通风与空调系统在整个建筑使用周期内都会带来显著的碳排放[3]。作为室内与室外环境之间的物理屏障，建筑围护结构直接影响建筑对自然热能与太阳辐射的利用效率[4]。为解决这一问题，建筑师和工程师开发出了多种先进的围护结构技术，如太阳能热墙[5]、真空玻璃[6]、气凝胶窗户[7]以及光伏屋顶[8]。这些技术的出现进一步推动了材料科学与建筑工程领域的研发，旨在提升围护结构的能源性能。

与墙体相比，窗户的热物理性能更需要综合考虑采光与传热因素才能实现高效节能[9]。根据其运行是否消耗能量，窗户可分为主动式与被动式两类。刘等人[10]提出了光伏水流窗的概念，并将其与液冷技术结合，实现了光伏窗性能的协同优化。实验与模拟研究表明，该结构可使香港地区光伏组件的表面温度降低10℃，进而减少建筑的制冷负荷。吕等人[11]在光伏水流窗中引入翅片管式换热器，设计出一种新型建筑围护结构。跨季节的实验对比表明，该结构可在冬季使室内温度上升10.84℃，有效改善室内光照与热环境。Yama?等人[12]以土耳其为研究区域，设计了两种集成相变材料与水流功能的系统，从而开发出一种新型建筑围护结构，能够在白天吸收太阳能，夜间满足供暖需求。研究结果显示，这种新型围护结构可降低超过50%的制冷能耗，为应用新型储热型建筑围护结构进行节能提供了技术支撑。

Mi等人[13]提出了一种真空电致变色窗结构，用以提升传统电致变色窗的传热性能。实验与仿真分析表明，该结构在不同气候区域均可实现12%至16%的节能效果。Khatibi等人[14]致力于优化电致变色窗的节能性能，提出了一种以室内人员存在状态作为切换条件的新型控制策略，以确保室内热舒适度。研究结果表明，该控制方法可实现平均31.02%的节能率。Fathi等人[15]采用多目标优化方法，为集成电致变色窗、涂层窗及其他组件的建筑围护结构建立了节能优化算法。实验结果显示，最优方案可实现超过三分之一的综合节能效果，为这类系统的设计提供了量化依据。

Li等人[16]通过计算流体动力学耦合仿真预测了光伏窗的性能，并以聚光结构为研究对象，揭示了其传热调控机制。最终为光伏窗的多目标优化设计提供了有效的思路与方法。Soliman等人[17]开发了一种结合相变材料与光伏材料的滑动窗，并通过RT-27与RT-35材料的协同配置优化了建筑围护结构的传热性能。研究表明，复合相变材料为突破建筑围护结构的性能瓶颈提供了一种有效途径。Shi等人[18]提出了一种具有光热解耦功能的纳米流体光伏窗，通过光谱带利用提升了其整体性能。实验表明，该窗的最大综合建筑节能率可达约20.38%，有助于炎热地区的建筑节能。

被动式窗户通常通过调节热传导或辐射来改善室内环境条件并降低建筑能耗。田等人[19]针对炎热地区，设计了一种嵌入ITO纳米粒子膜的窗户，并建立了传热模型以评估气凝胶窗的光学与热性能。实验结果表明，在武汉使用该窗户可实现21.02 MJ/m2的节能效果，为对隔热性能要求较高的建筑提供了可行方案。周等人[20]针对气凝胶窗的多变量优化问题，结合机器学习算法提出了优化设计方法。以广州为案例研究，该设计可使总得热量降低5.9%，从而证明了该窗户的适用性。Kaur等人[21]从材料制备的角度提出了一种复合光致变色纳米材料膜，系统地揭示了材料浓度与颜色调控及褪色过程之间的逻辑关系，为传统光致变色材料的高响应速度提供了有效方法。Cannavale等人[22]评估了所制备光致变色膜在建筑围护结构中的应用潜力，弥补了材料性能与能源相关性能之间的差距。通过仿真分析了该窗户的能耗、光照舒适度与热舒适度，为这类窗户的参数设计提供了参考。Hong等人[23]采用多目标优化算法，揭示了热致变色窗对建筑性能的影响机制，并量化了节能效果与光照舒适度提升之间的比例关系。实验表明，该类窗户的最大节能率可达34.31%，同时光照舒适度可提升10.9%。

Wang等人[24]开发了一种由氧化铟锡与羟丙基纤维素复合水凝胶构成的热致变色窗结构，该结构具备调控不同光谱带辐射的能力。实验发现，结合辐射冷却与热致变色功能的窗户在半干旱气候区可实现最高27.19%的节能率。Wang等人[25]提出了一种集成热致变色与天空辐射冷却功能的智能窗户，该窗户基于掺钨二氧化钒纳米颗粒与二氧化硅微球制成。建筑能耗模拟结果显示，该窗户在半干旱气候区可降低27.19%的建筑能耗。Liang等人[26]关注热致变色窗户的视觉性能问题，研究了此类窗户对室内人员感知的影响。他们在动态光照舒适度评价方法中引入了3300 K至10000 K范围内的色温变量，揭示了不同颜色变化的光线对人们颜色识别能力等方面的影响，为热致变色窗户的应用提供了设计依据。Liu等人[27]提出了一种具有优异显色性能的辐射冷却窗户，并从材料角度优化了不同波段的设计参数。该窗户的可见光透射率为86%，近红外反射率为86%，大气-窗户发射率为95%。实验表明，该窗户可将室内温度降低多达22.3℃。Li等人[28]制备了一种铯钨氧化物/聚乙烯醇纳米复合涂层，仿真结果表明，通过空间辐射散热，该涂层的年节能量可达1763.64 MJ/m2。Pu等人[29]进行了系统性综述，评估了近红外吸收窗户的研究现状，并以显色指数与光热性能系数为核心参数建立了评价体系，突破了仅关注单一性能的限制。Guo等人[30]采用溶剂热合成法，在乙二醇/乙酸体系中制备了一维(NH4)xWO3纳米棒。实验表明，这类纳米棒在保持高可见光透射率的同时具有优异的近红外吸收性能。Jahid等人[31]提出了可逆光热窗户的概念，旨在实现太阳辐射与光热能量的解耦。建筑性能模拟结果显示，该窗户的节能潜力超过18%。Shen等人[32]合成了CsxWO3纳米晶体，并制备了一种光热解耦装置。实验表明，该装置的太阳得热系数可降至49.01。Rahal等人[33]开发了一种氧化锑锡导电膜，并确定了其最佳配比。优化后的薄膜可见光透射率为80%，该技术的应用为降低建筑空调负荷提供了可行方案。Zhang等人[34]提出了一种掺入不同质量浓度（100、200、500和1000 ppm）ATO纳米流体的可切换窗户。实验结果表明，该窗户内侧表面的最大温差可达10.1℃，室内空气最高温度可降低5.4℃。

通过对各类窗户的建筑节能潜力分析可知，静态近红外屏蔽窗户具有优异的隔热性能，同时还能保持良好的采光效果。而对于能够动态调节辐射的窗户，如热致变色窗、电致变色窗与光致变色窗，刺激响应参数的设计则更为关键。因此，这类参数的调节策略直接决定了建筑的整体性能，且两类窗户的核心挑战也存在显著差异。也就是说，静态辐射调节窗户需要对其光热参数进行定量评估，而动态调节窗户则更需注重对刺激响应因子的控制策略。

此外，近年来辐射冷却材料也引起了建筑与能源领域的广泛关注[35]，因为这类材料能够从外太空获取额外的冷能量，从而降低建筑的制冷需求。例如，Dong等人[36]证明，在建筑表面涂覆反射膜和高发射率涂层可以有效提升建筑隔热性能。他们的实验结果表明，合理设计的参数可使屋顶温度降低20.8℃以上，室内温度降低5.0℃。同样，Dong等人的另一项研究[37]提出了利用各种材料独特光谱辐射特性的辐射冷却涂层。户外实验表明，这类涂层可使温度平均降低8.3℃，且制造成本较低，适用于多种基底材料。

与此同时，还有一些先进研究着眼于农业温室的创新结构设计[38][39]。这些研究致力于调控特定光谱带以促进植物生长，为未来功能型能源材料与能源利用的发展提供了思路与设计方向。

综上所述，现有研究的局限性主要体现在以下方面：首先，部分现有研究仅评估了近红外辐射屏蔽纳米材料的太阳热辐射特性及相关参数，未能与建筑能源性能进行关联分析，材料与建筑之间的耦合关系存在分析缺口。相关研究往往只追求材料固有参数的优化，却未考虑哪些材料参数最有利于提升建筑能源性能。建筑能耗与气候条件、建筑形式等诸多因素密切相关，但目前尚不清楚实现最大节能效果的理想材料设计参数是什么。此外，不同材料在不同气候区域的适用性也存在差异，单一的材料参数无法直接对应某一特定气候区域的建筑节能效果或适用性能，不同地区的理想材料设计参数各不相同。尤其是不同热气候带与光气候带之间的光照与热资源差异尚未得到充分研究，这限制了为建筑能源性能优化而调整材料设计参数的工作。

本研究提出了一种集成近红外辐射屏蔽纳米材料的太阳能光热解耦窗户。隔热纳米材料被整合到窗户结构中。该设计能够选择性地利用不同光谱带中的太阳辐射，同时提升材料、窗户与实际建筑需求之间的匹配度。所使用的纳米材料体积小且重量轻。纳米材料与窗户的结合可以有选择地阻挡相应波长带中的有害太阳辐射，从而满足建筑物的室内光热需求并实现节能。总体而言，这项研究明确了各类纳米材料及玻璃介质的光学和热学参数，为开发用于建筑领域的节能型纳米材料提供了依据，同时也为分析此类窗户系统的适用区域提供了参考。主要研究创新点体现在以下几个方面：首先，对比研究了Cs0.32WO3/PMMA材料与传统玻璃材料在可见光及光热特性方面的差异；其次，弥合了材料性能与实际建筑功能需求之间的差距，确定了这些材料在不同气候区的适用设计参数，尤其是针对高温地区及太阳能资源丰富的区域，评估了最佳的节能率及其对应的匹配参数。

**纳米材料的光/热性能**
图1显示，不同纳米材料及不同玻璃系统 的透光率值介于0.10到0.91之间，而太阳辐射透射率值则在0.07到0.88之间。所有性能指标值均低于2.00。根据不同的性能指标标准对材料进行分类，并分别给出了斜率为0.8、1.0、1.5和2.0的拟合曲线。斜率最高、即性能指标最高的材料，其数值落在1.5左右。

**建筑能耗**
图3展示了在不同气候条件下，使用Cs0.32WO3/PMMA窗户的建筑的模拟结果。比较内容涉及典型城市中光热分离型纳米复合外窗与传统PMMA基复合窗户的单位面积年建筑能耗，包括供暖、制冷、照明以及总能耗。此外，还以不含Cs0.32WO3的PMMA基窗户作为对照案例进行分析。

**气象参数与节能率之间的关系**
如图6所示，分析了气象参数与制冷节能率之间的关系。此次分析采用的拟合模型为线性拟合。数据分析和图表绘制均使用Origin 2021软件完成。研究的参数包括纬度（图6-a）、累计太阳辐射量（图6-b）以及室外最高温度（图6-c）。对于图6-(a)和图6-(c)，根据R2值判断，未发现显著的相关性。

**结论**
本研究比较了各类纳米材料/玻璃系统的光学和热学参数，以Cs0.32WO3/PMMA复合窗户为例，分析了它们在不同气候区，尤其是高温、太阳能资源丰富的地区，对建筑能耗的影响。研究表明，不同纳米材料及玻璃系统的可见光透射率介于0.10到0.91之间，太阳辐射透射率则在0.07到0.88之间，其中Cs0.32WO3/PMMA窗户表现更为优异。

**作者贡献说明**
Borong Lin：资金筹集；Zhifeng Hu：写作——审稿与编辑；Tong Zhang：写作——审稿与编辑；Wenzhou Zhong：写作——审稿与编辑；Shaohang Shi：写作——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化处理、软件应用、方法设计、研究实施、资金筹集、正式分析、数据整理、概念构建。

**数据可用性声明**
数据将应要求提供。

**利益冲突声明**
?作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52394223、52425801、52130803）、中国博士后科学基金会CPSF博士后资助计划（项目编号GZB20250413）以及中国博士后科学基金会（项目编号2025M771609）的支持。

Shaohang Shi | Wenzhou Zhong | Tong Zhang | Zhifeng Hu | Borong Lin
清华大学建筑科学系，北京100084，中国