【成果简介】
近日，清华大学建筑学院林波荣团队在国际能源与环境领域顶级期刊Energy & Environmental Science（IF=30.5）在线发表题为“Unlocking the energy-saving potential of electrochromic windows”（释放电致变色窗节能潜力）的研究论文，是清华大学建筑学院首篇EES通讯论文。研究针对电致变色窗“材料性能优异但建筑实际节能潜力未被充分释放”的关键问题，提出针对电致变色智能窗应用的绝对零能耗（absolute-zero-energy, AZE）范式，贯通电致变色窗的光学目标设计、真实器件选型和建筑运行控制，建立了统一的理论依据和科学指导。
清华大学建筑学院林波荣教授和四川大学建筑与环境学院孙弘历教授为论文共同通讯作者，四川大学建筑与环境学院硕士生段洲杰为第一作者。共同作者包括南方科技大学温瑞涛教授，清华大学建筑学院博士后倪平安、博士生孙佳伟。研究得到了国家自然科学基金青年科学基金（A类）延续项目、面上项目资助。
【成果详情】
电致变色窗可通过外加电压主动、精细、快速地调节太阳辐射透过率，技术上可以实现精确动态匹配建筑供暖、空调与照明的节能需求。然而，此前该领域尚未从建筑综合能耗出发定义电致变色窗的节能极限，也未明确达到这一极限所需的光谱性能。优异的材料和器件性能并不必然带来建筑节能，控制不当甚至可能导致能耗增加。因此，精确控制是将电致变色窗调光能力转化为实际建筑节能效益的关键手段。
针对这一基础问题，团队借鉴热力学绝对零度概念，通过全年8760小时递归能耗计算和超过1000万次模拟，首次提出由理想绝对零能耗（IAZE）与实际绝对零能耗（PAZE）构成的绝对零能耗（AZE）电致变色智能窗节能范式。IAZE在连续、理想的光学空间中定义主动可调窗的理论节能极限，并由建筑最低综合能耗反向确定可见光与近红外光谱目标；PAZE则基于团队制备并实测的WO3//NiO非双波段和NbWO//CeO2双波段电致变色器件，逐时遍历其可用光学状态，量化真实器件能够达到的节能水平并生成最低能耗控制方案。该研究首次以建筑综合能耗为统一标尺，贯通了材料光谱目标、真实器件选型与建筑运行控制，建立了从性能设计到节能潜力兑现的完整科学范式。
图1 绝对零能耗范式：从理想光谱目标、真实器件状态优化到工程部署与实时控制
1. 理论层面定义智能窗的节能极限与光谱设计目标
在理论层面假设智能窗在可见光与近红外透过率可独立调节，通过逐时模拟优化得到建筑总能耗最低的光学参数。研究表明，面向最低建筑能耗的光学设计并非简单追求更深着色：近红外透过率应在充分透过与充分阻隔之间切换，以适应供暖和空调需求；可见光透过率则需要在尽可能宽的范围内连续调节，在控制太阳得热的同时保留有效自然采光。这一结果把建筑综合能耗需求转化为清晰的材料与器件光谱目标。
图2 不同气候下的电致变色窗的理想能耗表现、逐时理想透过率及光谱目标分布
2. 实际层面构建逐时最低建筑能耗的调控方案
团队以制备并实测的非双波段和双波段电致变色器件为对象，遍历其全部可用调光状态，综合考虑建筑热惯性、空调负荷与照明需求，逐时确定能耗最低的运行状态。结果显示，传统温度规则控制下，相比普通白玻窗，电致变色窗甚至可能造成更高的建筑综合能耗；而PAZE控制下，能够仅在空调节能收益大于照明增耗时加深着色，从而显著缩小真实器件与理想节能上限之间的差距。
图3 PAZE与温度规则控制的能效损失，以及不同气候下真实器件的全年逐时状态方案
3. 以精简状态组合降低工程部署复杂度
针对状态过多会增加优化和控制复杂度、状态过少又会牺牲光热调节能力的问题，团队进一步提出数据驱动的边际效应筛选方法。以上海为例，原先分别具有12个和16个状态的两类器件均可精简为6个代表状态，新增状态带来的能耗降低已趋于收敛。该方法在保留主要节能性能的同时，为工程应用中的控制器设计、预计算时刻表和查表控制提供了更简洁的实现方式。
图4 精简状态集的筛选、光热状态分布及逐月利用特征
4. 验证跨气候、跨建筑模型的适用性
研究在覆盖主要全球气候类型的8个城市中验证了PAZE的适用性。与普通窗相比，PAZE控制下表现最佳的电致变色窗可降低2.83%–10.35%的建筑年总能耗；与传统温度规则控制相比，节能率提高2.06–11.41%，建筑单位面积年二氧化碳减排量增加0.69–8.41 kg/m²，悉尼地区的节能率提升超过28倍。在所测试的8个城市中，传统温度规则控制有4个城市出现净能耗惩罚，而PAZE在全部城市中均避免了这一问题。
团队还提出气候类型结构因子（CTSF），以供暖、空调和照明负荷的综合结构定量表征不同地区采用PAZE的收益。PAZE相对传统控制的优势与CTSF呈显著负相关，说明制冷主导地区是优先释放电致变色窗节能潜力的应用区域。进一步的多区域大型办公建筑测试表明，该范式从单区域小型办公模型迁移至更复杂建筑后，仍保持最低总能耗表现。
图5 在不同气候与建筑类型中的节能适用性：兼顾空调与照明负荷，并识别区域优先应用条件
【总结与展望】
该研究以建筑综合能耗最低为统一目标，贯通了智能窗的光谱性能设计、真实器件选型与建筑运行控制。在理想层面，研究从建筑供暖、空调和照明需求出发，反向求解智能窗在不同时间和环境条件下应具备的光谱调控性能，回答了“建筑究竟需要什么样的智能窗”，为材料和器件研发提供明确的光谱目标。在实际层面，研究以电致变色窗实际的光学状态为基础，评价和筛选器件，并逐时选择使建筑综合能耗最低的运行状态，回答了“现有智能窗应当如何控制”，从而将器件的光热调控能力真正转化为建筑节能收益。由此，智能窗研究不再只是追求更大的调光幅度或更深的着色状态，而是形成了“以建筑能耗目标定义光谱需求、以器件实测性能支撑技术选型、以逐时优化实现节能运行”的完整技术路径，可为不同气候、建筑类型等各类场景下的智能窗调控方案提供科学指导。
论文链接：https://doi.org/10.1039/d6ee04338k
【通讯作者信息】
林波荣，清华大学建筑学院副院长，国家“万人计划”科技创新领军人才、教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年基金（延续）获得者、全国创新争先奖状获得者。长期聚焦绿色公共建筑节能与环境保障工程难题的技术突破、工程实践和行业能力提升，主持了 2 项国家重点研发计划、 3 项国家自然科学基金委重点基金在内的 10 余项国家级重大科研项目，原创了绿色建筑空间性能协同节能理论和方法，攻克了高效健康节能产品创新和性能提升关键技术瓶颈，引领了公共建筑运维环境健康保障和节能减碳智慧化技术发展。授权发明专利 33 件，主编国家、行业、地方标准 4 部，出版学术著作 6 部，以第一/通讯作者发表高水平论文200余篇，多次入选 Elsevier 中国高被引学者和全球 Top 2% Scientists。入选了成立 40 年的国际建筑性能仿真学会 Fellow。以第 1 完成人获国家科学技术进步奖二等奖、北京市科学技术奖一等奖、住房城乡建设部绿色建筑创新奖一等奖、科学探索奖、夏安世教育基金会杰出教授奖。牵头获科技部全国科技系统抗击新冠肺炎疫情先进集体，国际气候大会首届全球绿色建筑智慧解决方案奖第 2 名。
孙弘历，四川大学建筑与环境学院院长助理，教授，博导，入选四川省高层次人才青年项目（2023）。2021年博士毕业于清华大学建筑学院，师从林波荣教授。主要研究方向为：新型建筑围护结构、建筑环境与新材料、建筑环境与人工智能、绿色建筑与节能。主持国家自然科学基金面上项目1项、青年基金1项、国家“十四五”重点研发计划项目子课题1项、省青基等其他省部级项目4项。以第一作者/通讯作者身份发表SCI论文40余篇，授权国家发明专利12项。获四川省科技进步奖二等奖（排名第1）、清华大学优秀博士论文、华夏建设科学技术奖一等奖（排名第8）等科研奖励。