《Science Bulletin》：Thermochromic smart windows toward climate-resilient and energy efficient buildings: from lab to applications
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摘要热致变色智能窗（TSWs）利用温度驱动的相变自主调控太阳辐射和热辐射，为降低建筑能源需求和提升室内舒适度提供了一种极具前景的清洁技术。尽管热致变色材料领域发展迅速，但TSWs的大规模应用仍受限于性能调控、耐久性、气候适应性和建筑集成等方面相互耦合的挑战。本文综述了阻碍TS
摘要
热致变色智能窗（TSWs）利用温度驱动的相变自主调控太阳辐射和热辐射，为降低建筑能源需求和提升室内舒适度提供了一种极具前景的清洁技术。尽管热致变色材料领域发展迅速，但TSWs的大规模应用仍受限于性能调控、耐久性、气候适应性和建筑集成等方面相互耦合的挑战。本文综述了阻碍TSWs从实验室创新走向建筑级应用科学与技术障碍。我们首先探讨了太阳辐射和可见光调制、热发射率控制以及跨气候环境切换行为之间的基本权衡关系，并讨论了性能需求与长期环境稳定性之间的相互作用。随后，我们分析了工程转化路径，包括可规模化制造、与建筑系统的集成，以及窗户行为对居住者体验和运行控制的影响。展望未来，TSWs的发展正从孤立的材料优化转向光谱智能围护结构系统。未来的进步将依赖于标准化的设计指南、明确长期服务的监管责任，以及与适应性建筑控制的系统级集成。这些进展使TSWs成为气候韧性建筑围护结构的一个组成部分，能够在全球变暖的背景下为清洁热基础设施做出贡献。
引言
窗户不仅是建筑的开口，更是建筑与其环境之间最薄弱的屏障[1]。它们引入光线、框定视野，并将人与天空和季节的节奏相连[2]。值得注意的是，尽管窗户在建筑围护结构中所占面积仅占一小部分，却可能占建筑不必要的热量增益或损失的30%–60%[3]、[4]、[5]，使其成为供暖、通风和空调系统能源需求的主要驱动因素。这种不成比例的影响源于窗户与不透明围护结构部件不同，必须同时满足本质上相互矛盾的性能需求，包括视觉透明度和热绝缘性[6]、[7]、[8]。在动态气候条件下，这些需求愈发难以调和，因为太阳辐射增益、环境温度以及居住者舒适度需求在昼夜和季节循环中持续变化[9]、[10]、[11]。因此，改善窗户的热性能仍然是节能建筑设计中面临的持久挑战。
为解决这一局限性，响应式外墙技术已成为动态热管理的一条战略路径[12]、[13]、[14]、[15]。电致变色[2]、[16]、[17]和光致变色[18]智能窗通过外部控制或光诱发切换机制提供主动或光触发的太阳辐射和热辐射调制。尽管这些技术在主动或光响应玻璃方面具有强大的能力，但其切换原理也带来了特定的应用局限性。电致变色窗户通常需要透明电极、电源、线路和控制单元，增加了大面积部署的系统复杂性[2]、[17]。光致变色窗户可以在光照下自主切换，但其光学响应主要受光照强度而非建筑热需求控制，这可能导致遮阳状态与供暖/制冷需求之间的不匹配[13]、[19]。热致变色智能窗（TSWs）基于不同的设计原则运行，其中环境响应性直接嵌入材料本身[19]、[20]、[21]。它们不依赖外部传感或控制基础设施，而是通过环境温度触发的可逆相变或结构转变来调控光学性能。这些转变使窗户能够在可见光和红外波段调节透射率、反射率和发射率，使窗户的光学行为与其所处的热环境相匹配[14]、[22]、[23]。这种响应性使建筑围护结构能够适应季节和昼夜变化，在寒冷时期增强热量增益，在温暖条件下减轻过热[24]、[25]、[26]，无需外部能源输入即可直接减少暖通空调负荷和相关运行碳排放。因此，TSWs是一项被动、可扩展的清洁技术，适用于气候适应性建筑[27]、[28]。
尽管热力学优势已得到充分确立，材料研究也极为广泛，但TSWs仍未能实现广泛的商业采用[29]、[30]。这一差距源于决定其性能和可扩展性的深度耦合的科学与工程挑战。主要挑战在于同时优化多个核心权衡，包括光透射率与太阳调制深度、窄带选择性与其色中性、切换温度与气候条件、以及调制性能与耐久性之间的权衡[19]、[22]、[23]、[31]、[32]。此外，将这些材料规模化成均匀、稳定的大面积窗户涂层仍非易事，特别是在考虑与现有玻璃系统的兼容性、环境鲁棒性和成本约束时[9]、[30]、[33]。要超越实验室原理验证器件，TSWs必须从孤立的材料创新发展为系统集成和全生命周期感知的技术。
为释放TSWs的全部潜力，需要的不仅是持续的材料创新，而是更清晰地理解其固有属性如何转化为可靠的建筑级性能。现有综述已为TSWs提供了重要见解，涵盖材料类别、光学性能、制造、集成和建筑级应用[9]、[12]、[19]、[21]、[22]、[23]、[34]（表1）。这些研究为理解不同TSWs如何调控光和热奠定了坚实基础。本综述采用以部署为导向的视角，专门针对透明围护结构，并构建了一种适应TSWs独特约束的设计策略。在此基础上，本综述作出以下四项具体贡献：(i) 评估全生命周期成本和环境性能，将材料选择、可扩展性、耐久性、更换和报废影响与现实可行性联系起来；(ii) 确定被动TSWs在不同气候、朝向、季节和建筑类型下的部署边界和互补策略；(iii) 讨论长期服务的监管责任，包括耐久性、安全性、保修、维护、回收和问责要求；(iv) 分析TSWs如何与智能控制系统集成，协调被动热致变色行为与暖通空调、照明和遮阳系统。通过聚焦实际部署标准，本综述旨在支持TSWs从一项技术上有前景但尚未充分实现的转变为可靠的建筑围护结构技术。
章节摘要
功能原理与热致变色机制
TSWs通过其光学性质的可逆温度诱导变化动态调控太阳辐射和热辐射。其发展涉及日益多样化的材料体系、器件结构和光谱控制策略（图S1，在线）。为实现有意义的热调控，TSWs必须基于热环境选择性地管理紫外线（UV，~250–380 nm）、可见光（VIS，~380–780 nm）、近红外线（NIR，~780–2500 nm）和热红外辐射[1]、[35]
性能权衡与工程约束
TSWs在材料开发和光谱调控能力方面展现了令人印象深刻的进展，但其从实验室原型向可行建筑技术的转化受到一系列相互交织的性能权衡的制约。实用窗户必须在多个光谱波段协同实现光学和热调控，对温度变化做出适当且快速的响应，并在反复循环和长期环境暴露下保持稳定性能。这些
实施：从材料加工到原位性能
实用TSWs的部署不仅取决于本征光学和热学性能，还取决于制造可扩展性、玻璃兼容性、耐久性和原位性能。因此，本节考察了决定热致变色材料能否作为建筑窗户系统可靠运行的加工策略、器件架构和运行约束。
仍然缺失的要素
尽管材料科学取得了显著进展，且基于相变的光热调控原理已得到充分验证，但TSWs技术尚未实现大规模工业应用[9]。当前研究主要集中在改善材料的光学性能[87]、[149]，例如追求更高的Δτsol和τlum，然而优越的材料性能仅代表工业化的起点而非终点。未来方向
结论
TSWs长期以来被视为调控太阳热增益和降低建筑能耗的有前景的被动技术。然而，本综述表明，其真正挑战已不再局限于改善热致变色性能或发现新型响应材料。更为关键的问题是如何将材料级的切换转化为可靠的、耐久的和气候适宜的建筑性能。从实验室到应用，本文得出以下更广泛的结论
致谢
本研究得到国家自然科学基金的资助（52225005和52578117）。
作者贡献
马卫强负责概念构思、可视化、撰写初稿以及撰写——审稿与编辑。刘赛负责概念构思、监督、撰写初稿以及撰写——审稿与编辑。王君奇参与概念构思、撰写——审稿与编辑。Fariborz Haghighat参与撰写——审稿与编辑。曹诗杰负责监督，
马卫强|刘赛|王君奇|Fariborz Haghighat|曹诗杰
