随着社会经济的不断发展，人们对生活质量的要求越来越高，对能源的需求越来越多，能源消耗不断增长。据统计，全球的能源消耗总量中用于建筑中的能耗约占总能耗的30 %-40 %，因此如何实现建筑节能，达到可持续发展的目标，成为当前的研究热点。在建筑围护中，窗体部分传热快，能量耗散高，而智能窗是解决窗体能耗的最优选择。目前，在众多的智能窗中，由于电致变色智能窗具有低驱动电压、可控动态调节光透过率、能耗低、易于集成等特点受到科研工作者的青睐。虽然多种电致变色智能窗得到快速发展，但目前各种电致变色智能窗主要通过调节太阳光的强度，即“遮阳”来实现调节室内温度、节能环保的目标，特别是在智能窗的着色态，其颜色深，吸光度很高，随着阳光照射，智能窗本身温度会很快提高，智能窗本身吸收的太阳能主要以热辐射的形式散失到空气中，这些热量一方面以热辐射形式回到室内，降低调温效果，另一方面，这些能量的损失在绿色建筑中降低了对太阳能的利用率，是一种资源浪费。
随着绿色建筑的发展，水流窗这一概念被提出：由两块平行的玻璃板作为太阳能集热吸收板，流动的水在玻璃板之间用于传热/储热，这种玻璃夹层水流窗结构简单，将其用作建筑外墙玻璃可以有效降低室内制冷负荷，而所得的热水可以用于室内调温或其他应用。而这种水流窗的缺点也显而易见，由于玻璃透光度高，其光热利用效率偏低（6 %-10 %），明显低于商业化太阳能热水器件。提高光热利用率需要提高玻璃吸光度，而透光度降低对室内照明需求不利，这一困难使水流窗的发展陷入两难境地。
近期，山东大学王挺教授与陈代荣教授在《Advanced Science》期刊上发表了题为“A solar water-heating smart window by integration of the water flow system and the electrochromic window based on reversible metal electrodeposition”的文章（DOI: 10.1002/advs.202104121），文章第一作者为博士研究生王玲。该工作提出将基于可逆金属电沉积的电致变色智能窗与水流窗集成，设计一种新型的集热型电致变色智能窗。即在可逆金属电沉积电致变色智能窗的基础上，将电沉积的金属薄膜层作为太阳能集热板，水相电解液作为流动的导热/储热介质，实现对太阳光热的有效利用。与传统电致变色智能窗相比，水流系统的引入可以显著调节智能窗自身的热辐射，进而使得智能窗可以更有效地调节室内温度。与一般水流窗相比，在智能窗着色态下，高达42 %的太阳能可被有效收集和存储，并可进一步用于室内供暖等。该工作表明集热型电致变色智能窗既可以平衡自然采光、隔热和遮阳的需求，又实现了对太阳光照的主动调节和对太阳光热能的高效收集利用，可望实现高效太阳能利用与节能减排的目标。
图1 a为集热型电致变色智能窗与传统电致变色智能窗、水流窗在调光、控温、储能方面性能对比图；b为新型集热型智能窗的工作原理示意图。
图2 a为集热型电致变色智能窗的结构示意图；b，c为智能窗的响应时间曲线；d为智能窗电致变色玻璃不同颜色状态的照片。
图3a为智能窗组装到模型房屋的照片；b为模型房屋中温度传感器位置的示意图；c， d为 60分钟内有无水流时温度传感器监测的温度变化曲线。
图4a 为集热型电致变色智能窗器件组装示意图；b为储热温度曲线及相应智能窗太阳能光热转化率。
图5 集热型电致变色智能窗潜在应用示意图。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202104121