东南大学建筑学院曹世杰教授Science Bulletin ： 热致变色智能窗：让建筑外窗“随温而变”

转自 Science Bulletin

建筑窗户既是采光、观景和连接室内外环境的重要界面，也是建筑围护结构中最薄弱的热工环节之一。尽管窗户在建筑外围护结构中所占面积有限，却可能贡献建筑非期望得热或热损失的30%–60%，显著增加暖通空调系统的能耗。如何让窗户在寒冷时“多进阳光”、炎热时“少进热量”，成为气候变化背景下绿色建筑发展的关键问题。

近日，东南大学建筑学院曹世杰教授、刘赛教授在Science Bulletin发表题为“Thermochromic smart windows toward climate-resilient and energy efficient buildings: from lab to applications”的综述论文。该文系统梳理了热致变色智能窗从材料机理、性能权衡、工程制造到建筑应用的关键挑战，并提出面向真实建筑部署的设计思路，为热致变色智能窗从实验室走向规模化应用提供了系统参考。

研究背景

随着全球变暖和极端气候事件频发，建筑节能与室内舒适性面临双重挑战。窗户既要保证透明、采光和视野，又要阻隔过量太阳热并减少室内热损失，这一矛盾长期制约建筑节能设计。传统节能窗、电致变色窗和光致变色窗虽各有优势，但分别存在调控被动性不足、系统复杂或响应与冷热需求不匹配等问题。热致变色智能窗通过材料随温度变化自动调节光学性质，为建筑围护结构提供了被动响应方案。低温时，其保持较高透光率，利于采光和太阳得热；高温时，则屏蔽太阳辐射，尤其是近红外热辐射，从而减少室内过热和空调负荷。由于无需外部电源和复杂控制系统，该技术被认为是气候适应型建筑的重要候选方案。但其实际应用仍面临耐久性、光学性能、建筑美观、大面积制造、低成本集成和生命周期管理等挑战。

成果简介

1.从材料机理到建筑部署的系统评述

该综述系统评述了热致变色智能窗从材料机理到建筑应用的关键问题。理想智能窗应随环境温度变化调控可见光、近红外和热红外波段：低温时提高透光率，增强采光和太阳得热；高温时降低太阳辐射透过率，减少建筑冷负荷。同时，热红外发射率调控也成为优化辐射换热的重要方向。文章比较了VO₂、卤化物钙钛矿、水凝胶、液晶和离子液体等多种代表性材料的光学调控潜力和实际应用挑战。文章指出，热致变色智能窗应用仍需突破光谱调控权衡、相变温度与响应速度匹配，以及长期耐久性等瓶颈。未来需通过复合结构设计、系统封装和加速老化测试，推动其产业化应用。

2.不是所有建筑都适合，但在合适场景中应用潜力显著

该综述还强调，热致变色智能窗并非适用于所有建筑和气候的“万能窗”。在炎热或冷负荷主导地区，强太阳辐射和高环境温度更容易触发热致变色响应，使窗户进入低透过状态，从而减少太阳得热和空调负荷。对于北半球建筑，西向和南向立面通常具有更高应用优先级，尤其是夏季下午太阳辐射强烈的西向窗。而在寒冷或供暖主导地区，冬季建筑往往需要太阳得热来降低供暖负荷，若热致变色窗因玻璃表面升温而变色，反而可能阻碍有益热量进入室内。因此，在这些场景中，低辐射玻璃结合合理遮阳，或可控型电致变色玻璃，可能更为适合。

3.未来走向“光谱智能围护结构”

未来，热致变色智能窗的发展应从单一材料优化转向“部署导向设计”。研究者和工程师不仅要关注实验室光学指标，还需建立面向真实建筑应用的评价体系，包括动态光学性能测试、气候区设计指南、建筑能耗模拟方法、长期耐久性评价、质保与维护标准，以及含铅、含钒或复合聚合物材料的回收处置责任。同时，热致变色智能窗还应与建筑能源管理系统、暖通空调、照明和遮阳系统协同控制，在节能、舒适性和运行管理之间取得平衡。文章认为，未来的热致变色智能窗不应只是“会自动变色的玻璃”，而应成为建筑动态围护结构中的智能节点，在气候韧性建筑和低碳城市发展中发挥重要作用。

图文导读

图1. 热致变色智能窗的材料体系与光谱性能调控策略

图2. 相变温度调控与材料稳定性增强

图3. 热致变色智能窗的多尺度制备与集成技术

图4. 热致变色智能窗的建筑尺度性能

图5. 被动热致变色智能窗与建筑能源管理系统的协同控制框架

作者简介

东南大学建筑学院曹世杰教授和刘赛教授为该论文共同通讯作者，东南大学建筑学院博士生马伟强为该论文第一作者。该工作获国家自然科学基金项目支持。
文章信息

Weiqiang Ma, Sai Liu, Junqi Wang, Fariborz Haghighat, Shi-Jie Cao.  Thermochromic smart windows toward climate-resilient and energy efficient buildings: from lab to applications. Science Bulletin, doi: 10.1016/j.scib.2026.09.031

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927326010844