節能窗技術突破，降低建筑能耗 20%

時間：2025-04-14 09:42:13 作者：GBWindows 來源：原創文章閱讀：145

內容摘要：導讀隨著全球能源消耗的持續增長，建筑物約占總能源使用量的40%，其中近一半用于供暖和制冷。窗戶作為室內和室外環境之間能量交換的主要接口，造成了20-40%的能量損失。為了解決這個問題，開發節能智能窗戶，在保持自然光和美學的同時最大限度地減少能源消耗已成為可持續建筑設計的關鍵重點。鑒于選擇性調控可見光與近紅外的特性，雙波...

導讀

隨著全球能源消耗的持續增長，建筑物約占總能源使用量的 40%，其中近一半用于供暖和制冷。窗戶作為室內和室外環境之間能量交換的主要接口，造成了 20-40% 的能量損失。為了解決這個問題，開發節能智能窗戶，在保持自然光和美學的同時最大限度地減少能源消耗已成為可持續建筑設計的關鍵重點。

鑒于選擇性調控可見光與近紅外的特性，雙波段電致變色智能窗可以實現對太陽光與熱的智能化管理，可顯著降低建筑能耗，比傳統電致變色智能窗可以節約10~20%的能耗。然而目前雙波段電致變色智能窗仍存在調控幅度低、使用壽命短等問題。

近期，南京航空航天大學張校剛/張圣亮團隊研發了一種高效柔性雙功能雙波段電致變色器件，集光譜選擇性調控與能量回收一體，獲得了較高的光學調制幅度、長循環壽命(10000圈容量損失3.3%)以及較高的能量回收效率(51.4%)。該器件通過三種不同的模式(明亮、清涼和黑暗)可實現對可見光和近紅外透過率的獨立調控，展現了優異的節能性能(比普通玻璃低8.8℃)。此外，EnergyPlus模擬研究表明該器件在世界大多數氣候區都展現出比商用低輻射玻璃更加優異的節能性能。文章發表在《納微快報》（Nano-Micro Letters）上。

DOI：10.1007/s40820-024-01604-0

核心技術與性能

這種創新窗口的核心在于其 W18O49 納米線結構，能夠精確控制可見光和近紅外光譜中的光調制。這種雙頻電致變色器件（DBED）具有出色的光調制范圍（可見光為 73.1%，近紅外為 85.3%）和超長的使用壽命，10,000 次循環后容量損失最小（3.3%）。此外，它還擁有 51.4% 的能量回收效率，其中著色過程中消耗的能源被回收利用，從而降低了整體凈能耗。

當集成到建筑物中時，該設備不僅可以優化熱調節，還可以在各種氣候區表現出出色的性能。根據 EnergyPlus 模擬，DBED 在大多數全球氣候下的性能優于傳統的低輻射玻璃，可節省大量能源。它能夠選擇性地調制多個波長的光和熱，確保顯著減少加熱和冷卻所需的能量。

論文摘錄

I W??O?? NWs的制備與表征

采用溶劑熱法合成W??O?? NWs。并證實合成的W??O??為單斜晶相的納米線結構。XPS譜圖和EPR測試結果證實了納米線氧空位的存在，這為離子嵌入和擴散提供了較大的空間，有助于提高材料的循環穩定性和雙波段電致變色性能。

圖1. (a)W??O?? NWs的XRD圖譜；(b)W??O?? NWs的透射電子顯微鏡(TEM)圖像和(c)高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像；(d)W??O?? NWs的W 4f X射線光電子能譜(XPS)圖；(e)W??O?? NWs的電子順磁共振(EPR)信號和(f)拉曼光譜。

II W??O?? NW薄膜的電化學和電致變色性能

采用超聲波噴涂法制備了柔性W??O?? NW薄膜，W??O?? NW薄膜具有優異的雙波段電致變色性能。在633和1200 nm處分別顯示出73.1%和85.3%的高光學調制范圍。此外，W??O?? NW薄膜還展示出快速的響應速度(在633和1200 nm處著色和褪色時間分別為14.2/4.8 s和12.0/10.8 s)、良好的著色效率(圖2d-f)和高的離子擴散系數(圖2i)。

通過對W??O?? NW薄膜進行電化學和原位光譜測試，證實了其近紅外和可見光的電致變色調控機制可以分別歸因于LSPR和極化子吸收效應(圖2g和h)。圖2j所示的非原位XRD測量結構表明，W??O?? NW在Li?吸收和插層過程中沒有發生相變，這有利于提高循環穩定性。同時W??O?? NW也具有良好的倍率性能和儲能能力。

節能窗技術突破，降低建筑能耗_20%

圖2. (a)W??O?? NW薄膜的表面和截面(插入)SEM圖像；(b)W??O?? NW薄膜在亮、冷、暗模式下的透光光譜和；(c)太陽輻照度光譜；(d)633 nm實時透射光譜；(e)1200 nm實時透射光譜；(f)W??O?? NW薄膜的光密度隨注入電荷密度的變化；(g)W??O?? NW薄膜在不同掃描速率下的循環伏安圖；(h) W??O?? NW薄膜在0.1 M TMA?/PC電解質中不同電位下的透射光譜；(i)相應的陰極峰值電流與掃描速率平方根的函數；(j)W??O?? NW薄膜在原始狀態和 -0.2 V、-1 V和 +1 V下的X射線衍射圖；(k)不同電流密度下W??O?? NW薄膜的恒流充放電曲線；(m)面積電容隨電流密度的函數關系。

III W??O?? NW器件結構及大面積實物圖

根據全電池結構，將超聲噴涂的W??O?? NW薄膜正極和多孔聚苯胺(PANI)負極組成柔性雙波段電致變色器件(DBED)，所組裝的柔性雙波段電致變色器件在633和1200 nm處分別顯示出51.7%和60.0%的高光學調制范圍(圖3b)。并且該電致變色器件可實現柔性大面積器件的制備(圖3d-f)，為設計和開發高性能柔性電致變色材料提供理論依據和可行性方案。

圖3. (a)基于W??O?? NW陰極和PANI陽極的柔性DBED結構示意圖；(b)DBED(尺寸：7 × 7 cm2)在亮(1.5 V)、冷(-0.5 V)、暗(-1.5 V)模式下的透過率光譜，(c)太陽輻照度光譜和(d?f)對應的數碼照片。

IV W??O?? NW器件的電化學和電致變色性能

除了優異的光譜選擇性調控外，DBED還具有快速的響應時間(在633和1200nm處tc/tb分別為8.8/15.6 s和5.0/11.2 s、良好的雙穩態(圖4a和b)和優異的節能性能。得益于W??O?? NWs在Li?嵌入/脫嵌過程中具有較高的結構穩定性，DBED展現出優異的循環穩定性，在10,000次循環后，其容量保留率為96.7%(圖4c和e)。

圖4. (a)DBED在633 nm (-1.5 ~ 1.5 V)和(b)1200 nm (-0.5 ~ 1.5 V)處的實時透射率光譜；(c)在1.5、-0.5和-1.5 V電壓作用60 s 后，開路條件下633和1200 nm處的透過率變化；(d)DBED在1 mA cm?2電流密度下，于-1.5至1.5 V之間經過10,000次恒流充放電循環后的歸一化容量；(e)10,000次循環前后DBED的透過率光譜；安裝DBED的樣板房在模擬陽光(f)照射20分鐘前和(g)照射20分鐘后的數碼照片；(h)安裝DBED和普通玻璃的模型屋的溫度變化。

V EnergyPlus節能模擬評估

為了進一步探索DBED的節能性能，通過建模與模擬計算發現，優化的DBED在幾乎所有不同的氣候條件下都比商用low-e玻璃具有更高的節能性能，節能高達178.3 MJ m?2 (Phoenix)，進一步證明了DBED在節能建筑方面的潛力。

節能窗技術突破，降低建筑能耗_20%

圖5. (a)EnergyPlus小型辦公室原型建筑模型；(b)南京7月氣候條件下DBED在明亮、涼爽、黑暗和最低能耗狀態下的小時能耗；(c)南京氣候條件下DBED和low?e玻璃的月能耗；(d)全球不同氣候帶DBED的制熱和制冷節能效果。

VI 柔性雙波段電致變色器件的儲能與能量回收性能

由于器件結構和工作原理與可充電電池相似，DBED還具有能量回收功能。DBED的能量回收效率(放電過程中釋放的能量/著色過程中消耗的能量)高達51.4%，可以顯著降低器件的凈能耗。

圖6. (a)不同電流密度下DBED的恒流充放電曲線和(b)面電容；(c)-1.5 V下60 s的恒電位充電曲線(黑線)，0.05 mA m?2電流密度下的恒流放電曲線(紅線)；恒電位充電曲線(紫色線)在1.5 V下持續30 s；以及原位測量的633 nm處透射率的相應變化(藍線)；(d)兩個DBED供電的電子鐘和(e)LED數碼照片(尺寸：5 × 4 cm2)。

可擴展性和未來潛力

該設備的靈活性和可擴展性，加上其高光調制和能量回收能力，標志著可持續建筑材料的發展向前邁出了重要一步。研究人員還證明，該設備可以在不影響性能的情況下擴展到大尺寸，為在節能建筑中廣泛采用提供了廣闊的潛力。

盡管取得了成功，但在大規模生產和成本效益方面仍然存在挑戰。未來的研究將側重于提高材料穩定性并將該技術更無縫地集成到現有建筑系統中。此外，針對大眾市場應用優化設計可以為下一代節能智能窗戶鋪平道路。

總之，這種新穎的電致變色器件為智能窗戶提供了一種突破性的解決方案，將能源效率、靈活性和儲能相結合，重新定義了可持續建筑技術的未來。隨著進一步的研究釋放其全部潛力，它可以為智能建筑設定新標準，為全球更可持續、更節能的建筑提供一條途徑。

產業化發展趨勢

政策驅動與市場需求結合

中國“雙碳”目標下，建筑節能政策持續加碼。住建部計劃2025年前所有2000年前老舊小區納入改造范圍，涉及22萬個小區，其中節能門窗改造是核心需求。節能門窗市場2025年預計突破700億元，年復合增長率超10%，智能電致變色窗占比也將顯著提升。

可能取得先機的城市布局

1.長三角地區

技術研發中心：南京航空航天大學為技術發源地，本地政策支持度高。南京市2025年計劃改造138個老舊小區，優先試點新技術。
產業鏈配套：蘇州、無錫等地的鋁型材企業可提供供應鏈支持。

2.雄安新區與京津冀

綠色建筑示范區：雄安新區要求新建建筑100%達到綠色標準，該技術可應用于政務中心、安置房項目。
政策試點：河北省被動式建筑補貼政策明確，奧潤順達窗業（總部河北）已布局被動式門窗市場，潛在合作空間大。（注：第十四屆全國人大代表、河北奧潤順達窗業有限公司總裁倪海瓊兩會期間提出建議：一是建議國家發改委、商務部將節能門窗單獨納入“以舊換新”商品目錄。節能門窗改造成本價格遠高于現有補貼產品，急需制定專項實施方案，明確補貼標準和實施細則。二是建議加大節能門窗改造補貼金額。借鑒歐洲建筑節能改造普遍補貼30%~70%本金的模式，對節能門窗改造給予成交價30%的補貼；或借鑒江蘇省對舊房裝修、廚衛等局部改造補貼標準，對門窗給予3萬元的補貼，以提升消費者的改造意愿，拉動經濟增長。）

3.粵港澳大灣區

高端市場需求：深圳、廣州的商用建筑（如超高層寫字樓）對智能節能窗需求旺盛，《2025年深圳市政府工作報告》中提出推進綠色建造、光伏建筑一體化、冷熱電聯供等示范應用，新增綠色建筑2000萬平方米、裝配式建筑2000萬平方米。
出口窗口：依托珠三角外貿優勢，面向東南亞高溫高濕市場推廣。

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