太阳是人类赖以生存的基础，它源源不断地向地球辐射能量。对于不同的季节和地域，太阳能并不是均匀分布，这会造成不同地域以及不同季节的冷暖差异，影响着人类的生活。对于我国而言，地域辽阔，东西南北跨度大，温度变化明显。随着技术水平的不断提高，通过空调和暖气等一系列产品，人们开始享受冬暖夏凉的舒适生活，这些设备在满足人们对舒适生活的需求的同时也存在着很多问题，如在使用前还需要复杂的安装工作，使用过程中需要额外输入大量的能源来维持其工作，而目前以煤、石油等不可再生能源为主，过度的能源消耗会导致能源枯竭。据统计，西方国家建筑围护结构总能耗的50％以上用于室内的加热、制冷以及照明。此外，化石燃料的燃烧会产生大量的温室气体（比如CO2），从而加剧全球气候变暖。面对节能减排的新要求，寻求更加绿色环保的控温方式成为目前的研究热点。
窗户是建筑物中不可或缺的设计，随着现代建筑美学发展和人类需求的不断提升，建筑中窗户空间的比例越来越大。相比墙体而言，窗户更容易丧失热量，因此，在现代建筑中建筑物能耗越来越高。太阳辐射可以看成一个温度为6000K的黑体辐射，由于其在传输过程中会被大气中的水蒸气以及云层等反射、散射、吸收，因此到达地球表面的太阳辐射主要分布在200~2500 nm波长范围。太阳光谱中近红外波段（800~2500 nm）的光子携带接近一半的太阳光能量，该部分光可对室内加热，但肉眼不可见，对室内照明无影响，因此通过窗户调制近红外波段的太阳能对室温的调控有重要意义。目前商业化的窗户大多为无机玻璃，其主要成分为SiO2，在可见光波段（400~800 nm）以及近红外波段（800~2500 nm）具有高于95%的透过率。在炎热的夏季，透过玻璃的近红外波段太阳辐射会对室内物体加热进而导致室内温度上升，需要增加室内制冷设备的功耗来维持人体舒适温度，无法起到节能作用。智能窗（Smart Windows）可以根据人们的需要对进入室内的太阳辐射进行动态调控，从而降低空调制冷或者加热设备的能耗，是一种可以实现室内热管理的新型建筑节能窗户。智能窗的使用是实现建筑节能的有效方式，如果将空调制冷温度调高2℃，则制冷负荷降低约20%；若制热温度降低2℃，则制热负荷降低约30%。
1 智能窗
智能窗可以按照需求动态调节窗户的光学透过率。通过调控进入室内的太阳辐射可以实现建筑物节能的效果。根据外界刺激的不同，可以将智能窗分为电致变色智能窗、热致变色智能窗、力致变色智能窗、光致变色智能窗。
1.1 电致变色智能窗
电致变色（EC）智能窗通过外加电场改变材料的氧化还原状态（如WO₃、NiO等），调节其光学性质（如可见光透过率、近红外反射率）和热学性质（如热红外发射率ε）。氧化态（高电压）时材料吸收或反射更多可见光和近红外光（低透过率），同时可能降低热红外发射率。还原态（低电压）时材料恢复高可见光透过率，同时可能提高热红外发射率。
图 1 WO3基电致变色智能窗的结构（黄柄琨，2025）
WO3是常用的无机电致变色材料。WO3的电致变色机理如下方程式所示： 
其中 
代表 
、 
、 
、 
， 
由 
和 
混合价态的W离子构成，对于完全氧化的WO3太阳辐射可以透过，而MxWO3对太阳辐射则具有反射作用。电致变色薄膜在外加电场的控制下可以实现“着色”和“褪色”过程，并且这两个过程完全可逆。因此，电致变色智能窗可以在人为干预下实现对太阳光谱的调控。WO3电致变色材料具有着色效率高、对比度大、循环稳定性好等优点。但是在实际使用时，需要额外配备电源以及对线路进行铺设。
1.2 热致变色智能窗
热致变色（TC）智能窗是指窗户透过率会随温度的改变而发生变化，从而实现对室内温度的动态调控，能够实现这一转变是由于智能窗使用热致变色材料。
图 2 VO2基智能窗研发链示意图（徐放，2021）
热致变色材料可以分为无机热致变色材料和有机热致变色材料，智能窗最常用的无机热致变色材料是VO2，其调控的主要波段是近红外。有机热致变色材料例如羟丙基纤维素（HPC）、聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）水凝胶等，其调控的波段主要为可见光以及部分近红外，因涂装难度、服役性等方面的问题限制了有机热致变色材料在建筑玻璃上的使用。
1.3 力致变色智能窗
力致变色智能窗（MC）是由机械响应光学材料制备而成，其光学性能可以通过机械应变进行调节，这主要是由于机械应变使得机械响应光学材料的表面形态或者内部结构发生变化，进而影响可见光的散射或者衍射，最终使窗户的光学透过率发生变化。
图 2 力致变色聚合物和复合材料的设计示意图（Quanquan Guo，2021）
机械应变实现可切换光学透过率常采用的办法有利用褶皱进行调节、NPs-基质复合进行调节等等。力致变色的优点有结构简单、成本低、响应速度快等，但是其光学切换需要借助外力才可以完成，并不能随着外界环境主动响应。
1.4 光致变色智能窗
光致变色（PC）智能窗由光致变色材料制作而成，光致变色材料在特定波长的光照射下会改变其自身颜色。
图 3 光致变色智能窗示意图（姜欣，2021）
常见的有机光致变色材料有螺吡喃、偶氮苯类等，无机光致变色材料有Nb2O5、WO3等。这种颜色以及光学透过率的变化会对进入室内的太阳辐射进行调节，并且该过程是可逆的。光致变色智能窗存在的问题有：着色和褪色时间较长，需要用紫外光来激发变色等。
红外发射率是智能窗实现“自适应热管理”的核心参数，其动态调节能力直接决定了节能效果与用户体验。未来发展方向包括材料性能优化、多物理场协同调控（光-热-电），以及与物联网技术的深度融合，推动智能窗从实验室走向大规模商业化应用。
2 建筑材料冷屋面材料认证TSR | SRI | LEED
建筑材料中的冷屋面材料是指那些能够反射大部分太阳辐射，减少热量吸收，并通过高热辐射率将吸收的热量快速散发的建筑材料，不仅有助于节能降耗，还能有效改善环境温度，提高居住舒适性，是现代绿色建筑的重要元素。
根据相关法规，冷屋面材料的反射率（Albedo）通常大于0.65，热辐射系数大于0.75。冷屋面材料种类繁多，包括但不限于PVC和TPO卷材、单层和叠层涂料、改性沥青产品等，最小初始反射率约为0.70。
建筑材料冷屋面材料的认证主要包括TSR（Total Solar Reflectance，总太阳反射率）、SRI（Solar Reflectance Index，太阳能反射指数）和LEED（Leadership in Energy and Environmental Design，能源与环境设计先锋认证）等标准和认证体系。
通过TSR | SRI | LEED这些认证，建筑材料，特别是冷屋面材料，可以确保其在节能、环保和性能等方面达到高标准，从而在市场上获得更广泛的认可和应用。
2.1 TSR
TSR（Total Solar Reflectance，总太阳反射率）是衡量材料表面反射太阳辐射能力的一个参数。它表示材料表面反射的太阳能量与入射的太阳能量之比，通常以百分比表示。高TSR值的材料能够反射更多的太阳光，从而减少屋面的吸热量，降低室内温度和空调能耗，有助于减少城市热岛效应，对城市微气候的改善具有积极意义。
2.2 SRI
SRI（Solar Reflectance Index，太阳能反射指数）显示了材料表面抗拒太阳热能的能力。SRI越高，这种材料在太阳照射下的升温幅度越小，从而降低建筑制冷能耗，并且缓解城市热岛效应。
根据定义，标准黑色（太阳能反射率0.05，发射率0.9）的SRI为0，而标准白色（太阳能反射率0.80，发射率0.9）的SRI为100。许多因素影响了一种材料的SRI，包括反射率，发射率，气温，气流等。但是在实际操作中，只需用反射率和发射率这两个值，便可以快速计算出SRI。
2.3 LEED
LEED（Leadership in Energy and Environmental Design，能源与环境设计先锋）是由美国绿色建筑委员会（U.S. Green Building Council, USGBC）建立并推行的绿色建筑评估体系。该体系旨在通过评估建筑在设计、施工和运营过程中的环境影响，促进建筑的节能、节水、减少二氧化碳排放以及提高室内环境质量。
LEED认证体系中，红外发射率与建筑材料的热性能密切相关，尤其是在减少热岛效应和提升能源效率方面。以下是LEED与红外发射率关系的相关信息：
（1）热岛效应减少
LEED评分体系中，有一项评分项专门针对热岛效应的减少，即“减少热岛效应”（Heat Island Reduction）。为了满足这一评分项，建筑材料的太阳能反射率（Solar Reflectance, SR）和热发射率（Thermal Emittance, TE）是关键指标。
具体来说，LEED v4版中的SSc5评分项要求屋顶材料、遮阳结构和铺面材料必须具备高太阳能反射率和高热发射率，以减少热岛效应，从而减少对小气候、人类和野生动物栖息地的影响。
（2）材料选择与评估
为了达到LEED认证的要求，建筑设计师和开发商需要选择具有适当热性能的建筑材料。红外发射率是评估这些材料热性能的重要参数之一。例如，高发射率的材料能够更有效地将吸收的热量辐射出去，从而降低建筑表面的温度。
（3）LEED认证的具体要求
LEED认证体系通过一系列评分项对建筑进行综合评估，其中包括能源与大气（Energy & Atmosphere）、材料与资源（Materials & Resources）和室内环境质量（Indoor Environmental Quality）等方面。红外发射率在这些评分项中起到重要作用，尤其是在评估建筑材料的节能性能时。
LEED认证体系通过要求建筑材料具备高太阳能反射率和高热发射率，来减少热岛效应并提升建筑的能源效率。红外发射率作为建筑材料热性能的重要指标，在LEED认证过程中起到了关键作用。
综上所述，红外发射率作为连接材料科学与热物理应用的桥梁，其精准测量与有效调控不仅是保障深空探索任务成功和提升国防装备生存能力的关键所在，也是推动绿色建筑发展的核心动力。未来，随着材料科学的不断突破和跨学科技术的深度融合，对红外发射率的智能化、多维度、协同化调控将开启更广阔的应用前景，为拓展人类活动疆域和维护国家安全、应对全球能源挑战提供坚实的技术支撑。
3 红外吸收比和透射比测量
在工程设计和基础研究中，经常需要测量材料的红外吸收和透射特性。当需要知道材料全波长或较宽光谱范围的吸收比时，因可利用辐射源足够强的辐射功率，故常用量热法，即通过照射样品并观测其温度变化速率，直接得到吸收比。当需要知道材料的光谱吸收比、透射比时，由于经分光后严重地限制了可利用的辐射功率，并且只有热容量和热导率都与黑体相同的样品才能作比较，所以，吸收和透射的光谱测量不能采用量热法，可以运用下列方法：
（1）对于气体、半透明液体和固体材料，测量光谱吸收和光谱透射比的最简便的方法是直接利用色散型红外分光光度计或傅里叶变换红外光谱仪测量，必要时应作表面反射修正。
（2）对于不透明固体材料，往往首先测量其光谱反射比ρ(λ)，然后根据α(λ)=1−ρ(λ)确定光谱吸收比。
（3）对于不能使用透射和反射法测量的固体材料，可测量材料红外光谱发射比，获得光谱吸收系数α(λ)。知道了光谱吸收系数α(λ)后，可根据关系式τ(λ)=exp[−α(λ)x]和α(λ)=1−τ(λ)确定光谱透射比和光谱吸收比。
这些测量方法各有侧重：气体、半透明介质可直接借助光谱仪器快速测得数据，不透明固体则通过反射比间接推导吸收特性，特殊固体材料也能通过发射比关联出吸收、透射参数。实际应用中，需结合材料形态、测量精度要求与设备条件灵活选用，这些方法共同构成了获取材料红外光学特性的完整技术体系，为红外器件研发、热控材料设计等工程实践，以及材料光学行为的基础研究提供了精准可靠的参数支撑。
参考文献：
[1] 黄柄琨, 赵飞菲,李海增, 等. WO3基电致变色智能窗中电解质的研究进展[J]. 中国钨业, 2025, 40(03): 1-12.
[2] 徐放, 金平实,罗宏杰, 等. VO2热致变色智能窗:现状、挑战及展望[J].无机材料学报, 2021, 36(10): 1013-1021.
[3] Guo Q , Zhang X .A review of mechanochromic polymers and composites: From material design strategy to advanced electronics application[J].Composites, Part B. Engineering, 2021(Dec.15):227.
[4] 姜欣, 陈琛,于超, 等.应用于光伏型智能窗的半透明钙钛矿太阳能电池:透明度与效率间的对立统一[J].发光学报, 2021, 42(02): 264-277.
