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建筑透光围护结构的颠覆性技术——双波段电致变色玻璃
发布时间：
2026-04-10 00:00
建筑透光围护结构的颠覆性技术——双波段电致变色玻璃
近年来，一种被称为双波段电致变色玻璃的技术成为科学家们研究的热点。采用这种玻璃的智能窗，能对可见光和红外线的透过率进行动态差别调控，一站式提供Low-E玻璃和遮阳设施的全部功能，并且性能指标更优。
来源：Xiaojun Liu et al., Energy & Buildings 353 (2026) 116870
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采光、保温和遮阳是建筑透光围护结构的几个重要物理功能。目前多采用中空+Low-E玻璃+外遮阳/百叶/卷帘的方式来满足设计要求。但是对于季节气候差异较大的气候区，如我国北方和长江流域，现有技术在智能化、自动化、采光效果等方面还存在不足。
以上海为例，该市为夏热冬冷气候A区，按照《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015-2021的要求，对于窗墙面积比为0.45的建筑南侧外窗，其传热系数K必须小于等于2.00W/m²K，太阳得热系数（SHGC）必须满足冬季≤0.25，夏季≥0.50。很明显，单靠现有的中空玻璃/Low-E玻璃技术无法满足该要求，必须结合遮阳设施。
现有遮阳设施如百叶、卷帘等，通常需要人工启动或调节，由于操作缺乏便利性，往往不能及时调节，导致室内居住品质下降，建筑能耗上升。
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上述问题有两条解决途径：第一条是对现有设施的智能化升级，例如遮阳控制系统可根据时钟或外部气象站数据自动决策，并通过直流无刷电机来开启或关闭遮阳设施；第二条则是采用各种动态调节技术直接对玻璃窗的透光率和太阳得热系数做调节，如光致变色、热致变色、电致变色等。
传统的电致变色玻璃（EC）为单波段变色——仅针对可见光透过率进行调控，无法对红外线透过率进行主动调控；或者红外线透过率无法单独调控，只能随可见光透过率同步变动。由于红外线占阳光辐射热的55%，不能对红外线透过率进行单独调控意味着单波段电致变色玻璃无法将采光与隔热性能区分开，为了隔热就必须牺牲采光。
双波段电致变色玻璃（DB-EC）则具有明亮、凉爽、遮阳三种工作模式。明亮模式下对可见光和红外线都具有高透过率，适用于寒冷天气的白天；凉爽模式下红外线低透可见光高透，适用于寒冷天气的夜晚和普通炎热天气；遮阳模式下可见光和红外线均为低透，适用于阳光特别强烈的炎热天气。
用铯钨青铜作为阴极，锌作为阳极制成的双波段电致变色玻璃样品。来源：Feifei Zhao et al., Adv. Mater. 2024, 36, 2405035
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双波段电致变色玻璃为夹层结构，中间是固态电解质、电解质凝胶或者含有电解质的胶膜，两边是TCO导电玻璃，TCO玻璃的内表面沉积了最关键的双波段电致变色材料。
双波段电致变色材料可分成三种类型：
（1）纳米复合材料，例如氧化铟锡-氧化铌（ITO-NbOₓ）复合材料。其中的纳米晶氧化铟锡相调控近红外光，非晶态氧化铌相调控可见光。
（2）单组分无机纳米材料，如铯钨青铜（CsₓWO₃）、单斜相氧空位氧化钨纳米线（m-WO₃₋ₓNWs）等。
（3）有机材料如聚噻吩（PTh）、聚苯胺（PANI）等。
m-WO₃₋ₓNWs对近红外光和可见光的透过率与电位的关系。来源：Shengliang Zhang, et al., Mater. Horiz. 5 (2018) 291–297
双波段电致变色材料的透光率随着外加电压的变化而变。以单斜相氧空位氧化钨纳米线（m-WO₃₋ₓNWs）为例（上图），在高电位（4V）时这种材料对可见光和红外线高度透明，属于“明亮”模式。
在2.8V-2.6V的电位下，该材料处在“凉爽”模式。具体地说，当电位降至2.8V时，电解质中的阳离子被吸附在材料表面，吸引材料内部的电子向表面集中，产生局域表面等离子体共振（LSPR）从而吸收红外光，导致该材料对近红外光的透射率降至33%，而对可见光的透射率仍然保持在80%以上。
当电位降至2.6V时，LSPR效应变得更强，同时阳离子嵌入材料晶格导致材料发生相变（单斜相变为四方相），对红外光的反射大幅增强，透射率降至4%，而对可见光仍有55%的透射率。
当电位降至2V时，大量阳离子嵌入晶格，导致材料的进一步相变（四方相变为立方相），此时材料内部的电子会发生带内跃迁和带间跃迁，大量吸收入射的可见光，导致材料对太阳光谱的整体透过率降至8%，此时材料处在“遮阳”模式，呈现出深邃的蓝色。
若将单斜相氧空位氧化钨纳米线（m-WO₃₋ₓNWs）作为电致变色玻璃的阴极，聚苯胺（PANI）作为阳极，利用这两种双波段电致变色材料的协同效果，可获得更好的双波段调制效果，如下图所示。
用单斜相氧空位氧化钨纳米线作为阴极，聚苯胺作为阳极的双波段电致变色玻璃的光学特性。来源：Junkai Wang et al., Chemical Engineering Journal 484 (2024) 149628
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将双波段电致变色玻璃用于建筑门窗幕墙，相比现有的Low-E玻璃和中空玻璃，能带来多大的改善呢？根据最新研究，采用双波段电致变色玻璃作为中空夹胶玻璃的外片夹胶玻璃的内侧片，其综合节能率相比Low-E中空玻璃有0.2~9.1%的改善。
来源：Xiaojun Liu et al., Energy & Buildings 353 (2026) 116870
该研究团队的成员来自清华大学、中国建筑科学研究院和北京科技大学。他们用建筑能耗仿真软件Energy Plus对三种双波段电致变色中空玻璃和单波段电致变色玻璃、Low-E中空玻璃、普通中空玻璃的性能进行了模拟。他们在模拟中选取了五个不同气候区的典型城市哈尔滨、北京、武汉、昆明、深圳，发现双波段电致变色玻璃相比普通中空玻璃的综合节能率达到1.0-22.9%，高于中空Low-E玻璃的节能率0.8-13.8%，同时其采光舒适度更优。
具体来看，在采暖主导的气候区，双波段电致变色玻璃的制冷能耗低于Low-E中空玻璃，但是这部分能耗节省被更高的照明能耗抵消掉一部分，所以整体能耗降低有限。在制冷主导型气候区，双波段电致变色玻璃相比Low-E中空和普通中空玻璃的能耗降低较为突出。
来源：Xiaojun Liu et al., Energy & Buildings 353 (2026) 116870
必须指出的是，该团队使用高透型Low-E中空玻璃（SGHC=0.547或0.499）作为对比组，没有针对不同气候区对Low-E玻璃的选型进行优化。对于夏热冬暖气候区城市如深圳，采用红外阻隔率更高的双银或三银Low-E玻璃可获得更好的节能效果。
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除了建筑能耗的降低，双波段电致变色玻璃相比现有的百叶、卷帘等遮阳设施，在操作便利性、智能化、视觉通透性以及建筑外观等方面具有明显的优势。
目前双波段电致变色玻璃的短板包括：1. 成本过高，性价比低。高成本来自于原材料成本和镀膜工艺成本两个方面。性能则需进一步提升，否则相比现有的Low-E中空玻璃无明显优势。2. 凉爽模式下玻璃有颜色，导致室外景观色彩失真。
如何完善这项技术，使其从实验室走到市场，然后再成为市场主流，这中间蕴藏着众多的机会，等待着我们来发现和把握！
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