辐射热管理材料：迈向净零能耗建筑的智能调控新策略

《Cell Reports Physical Science》：Radiative thermal management material for net-zero buildings

为应对建筑能耗（HVAC）挑战，研究人员聚焦于建筑围护结构的辐射热管理材料。该研究系统评述了辐射制冷、低辐射率及动态可调材料的最新进展，揭示了其通过调控太阳光反射与中红外发射实现被动节能的潜力。这些材料为构建气候适应性建筑、实现净零能耗目标提供了关键的技术路径。

　　

论文解读

在全球能源消耗的版图中，建筑领域占据了约30%的份额，其中供暖、通风和空调（HVAC）系统是主要的“能耗大户”。为了维持室内舒适度，我们不得不消耗大量能源来对抗外界环境，这不仅加剧了能源危机，也带来了显著的温室气体排放。传统的节能策略，如使用高效压缩机、优化建筑朝向或增加保温层，虽然有效，但往往忽略了热传递中一个至关重要的环节——辐射传热。事实上，建筑与外界环境之间通过辐射进行的热交换，是影响室内热环境的关键因素之一。

想象一下，在炎炎夏日，如果建筑的外墙和屋顶能够像一面镜子，将灼热的太阳光反射回去，同时又能像一个高效的散热器，将内部的热量以红外辐射的形式“发射”到寒冷的宇宙空间，那么建筑内部的温度自然会显著降低，从而大幅减少空调的能耗。这正是辐射热管理材料所追求的目标。这类材料通过精确调控其表面的光学特性，能够被动地或主动地管理建筑的热量收支，为实现净零能耗建筑提供了极具潜力的解决方案。

为了系统梳理这一前沿领域，来自北京大学、清华大学和西安交通大学的科研团队在《Cell Reports Physical Science》上发表了题为“Radiative thermal management material for net-zero buildings”的综述文章。该文章系统性地将建筑围护结构辐射热管理材料分为三大类：辐射制冷材料、低辐射率材料和动态可调辐射材料，并深入探讨了它们的工作原理、研究进展、应用挑战及未来发展方向。

关键技术方法

该综述主要基于文献调研与系统评述，重点分析了各类材料的光谱设计原理与性能表征。研究通过对比不同材料在太阳光谱（0.3-2.5 μm）和中红外波段（4-25 μm）的反射率、透射率及发射率，评估其节能潜力。同时，文章结合建筑能耗模拟，量化了这些材料在不同气候条件下的节能效果，并讨论了其规模化制备工艺（如多层薄膜沉积、溶液喷涂、自组装等）及环境耐久性（如抗紫外线、抗污染、耐候性）等关键应用指标。

研究结果

1. 辐射制冷材料：向天空“借冷”的被动降温术

辐射制冷材料的核心原理是“选择性发射”。理想情况下，这类材料在太阳光谱范围内具有高反射率，以最大限度地减少太阳热量的吸收；同时，在大气透明窗口（8-13 μm）内具有高发射率，以便将热量高效地辐射到外太空。

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  不透明围护结构应用：针对屋顶和外墙，研究人员开发了多种高性能材料。例如，Lin等人开发了一种基于氧化铝（Al₂O₃）的分级多孔结构陶瓷，其太阳光反射率高达99.6%，在正午时分可实现超过130 W·m^-2的净制冷功率。其全无机结构赋予了其优异的抗紫外线和耐候性，非常适合作为建筑墙体材料。Zhao等人则设计了一种光子“制冷玻璃”涂层，通过优化玻璃和氧化铝（Al₂O₃）颗粒的尺寸与含量，实现了高太阳光反射率和红外发射率，其表面的玻璃颗粒保护层还增强了材料的抗污染能力。
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  透明围护结构应用：对于窗户等透明构件，材料需要在保证可见光透射率的同时，实现辐射制冷。Zhao等人提出了一种半透明辐射制冷（ST/RC）玻璃，实验表明，使用该玻璃的建筑室内空气温度可比使用普通玻璃的建筑低16.4°C。然而，其可见光透射率降低了约三分之二，限制了其实际应用。Liu等人开发了一种由高性能热塑性弹性体（HTPE）、氧化锡（SnO₂）和二氧化硅微球组成的新型纳米复合薄膜，在可见光范围内透射率超过70%，同时能有效阻挡紫外线和近红外辐射，并具有高中红外发射率。建筑能耗模拟显示，应用该薄膜可使HVAC年能耗降低约14%-32%。

2. 低辐射率材料：建筑热量的“保温瓶”

与辐射制冷材料相反，低辐射率材料旨在抑制中红外波段的辐射热交换，从而起到隔热作用。它们通过低的中红外发射率，在夏季阻挡外部热量进入，在冬季防止内部热量散失。

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  透明低辐射率材料：这类材料主要用于窗户，要求在保证可见光透射的同时，具有低的中红外发射率。Zhou等人开发了氢掺杂氧化铟（IHO）玻璃，通过调控其电子密度（n_e）和电子迁移率（μ_e），实现了高太阳光透射率（T_sol= 0.836）和低发射率（ε = 0.117）。模拟表明，在高纬度气候区应用IHO可使年供暖能耗降低高达6.6%。Lin等人开发了一种溶液喷涂银纳米线（AgNWs）涂层技术，实现了83%的可见光透射率和69.8%的中红外反射率。
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  不透明低辐射率材料：传统的低辐射率材料（如铝箔）通常呈现金属灰色，美观性差。为了满足建筑美学需求，研究人员致力于开发彩色低辐射率材料。Peng等人开发了一种双层彩色低辐射率涂料，底层为铝微片（Al MFs）涂层作为宽带反射层，顶层为红外透明但可见光选择性反射的彩色涂层。该涂料实现了高达80%的中红外反射率，模拟显示可为建筑带来27.24 MJ·m^-2·y^-1的节能效果。Wang等人进一步提出了一种自分离彩色低辐射率涂料，通过溶剂-溶质配对和极性、密度差异，在单步涂覆过程中自发形成彩色层和低辐射率层，简化了应用工艺。

3. 动态可调辐射材料：随“季”应变的智能材料

动态可调辐射材料能够响应外部刺激（如温度、电场、湿度等），主动调整其光学特性，从而在不同季节或气候条件下实现最优的热管理。

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  热响应材料：Lin等人开发了一种集成聚（N-异丙基丙烯酰胺）和银纳米线（AgNWs）的复合材料。在寒冷条件下，该材料表现出高太阳光透射率（T_sol= 65.5%）以促进热量获取，以及高中红外反射率（R = 64.8%）以抑制热量损失。在炎热条件下，材料转变为低太阳光透射率（T_sol= 7.1%）和低中红外反射率（R = 7.7%），以增强辐射散热。
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  电响应材料：Shao等人开发了一种氧化钨（WO₃）/二氧化钒（VO₂）电致变色窗，通过控制锂离子嵌入深度，实现了三种光学状态（明亮加热、明亮制冷和黑暗），能够独立调制可见光和近红外透射率，同时保持外表面高发射率和内表面低发射率。
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  机械响应材料：Li等人报道了一种静电控制热接触导热的翻转装置。在制冷模式下，该装置实现97.3%的太阳光反射率和94.1%的中红外发射率；在加热模式下，则实现93.4%的太阳光吸收率和14.2%的中红外发射率。模拟显示，在全美范围内部署该装置可使年供暖和制冷能耗减少19.2%。
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  光响应材料：Meng等人开发了一种基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的光致变色薄膜，其中嵌入了铜掺杂的氧化钨（Cu-doped WO₃）纳米颗粒。该薄膜在紫外线照射下可逆地变暗，实现了可见光透射率（ΔT_lum73%）和太阳热透射率（ΔT_sol73%）的双重调制。

结论与讨论

该综述系统性地阐述了辐射热管理材料在实现建筑净零能耗目标中的关键作用。研究指出，未来的发展将聚焦于四个核心方向：

1. 1.
   光谱设计的精细化：需要开发更精确的光谱选择性材料，例如角度选择性发射器，以适应不同气候区、建筑功能和立面朝向的特定需求。
2. 2.
   智能与自适应系统：动态可调材料是实现全年节能的关键，未来需解决其响应速度、滞后效应、长期环境稳定性以及与建筑材料的兼容性等挑战。
3. 3.
   实用性与多功能性：材料必须具备环境耐久性（抗紫外线、抗污染、耐候性）、建筑美学兼容性（色彩、纹理）以及多功能集成（如自清洁、隔音）。
4. 4.
   跨学科合作：推动材料科学、光学、热工程、建筑学和环境科学等多学科的深度融合，是加速实验室创新向实际应用转化的关键。

总而言之，辐射热管理材料为建筑节能开辟了一条全新的技术路径。通过精确调控建筑与外界环境之间的辐射热交换，这些材料有望显著降低HVAC系统的能耗，为实现可持续、气候适应性的净零能耗建筑奠定坚实的基础。