太阳能加热与辐射冷却协同整合的自适应热调控技术研究

（编辑推荐）本研究创新性地开发了一种集成光热转换（photothermal conversion）与辐射冷却（radiative cooling）的双模温度调控装置（DTR），通过热响应形状记忆合金（Ni-Ti）和聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）水凝胶的协同作用，实现太阳能吸收率（αsol）0.56和中红外发射率（εMIR）0.82的动态调制，建筑模拟显示该技术在全球不同气候区可实现超25%的年节能效益。

　　

研究背景

全球33%的终端能源消耗用于温度调节，其中仅15.5%来自可再生能源。传统静态光谱的热管理材料无法满足动态需求，亟需开发能同步调控太阳能波段（0.3-2.5 μm）和中红外波段（8-13 μm）的智能器件。地球通过平衡太阳辐射（~5,800 K）与太空热辐射（~3 K）实现温度稳定，这一机制启发了本研究整合光热转换（高α_sol/低ε_MIR）与辐射冷却（低α_sol/高ε_MIR）的创新思路。

技术原理与器件设计

双模温度调控装置（DTR）采用三层结构：

1. 顶层：PNIPAm水凝胶（低临界溶解温度LCST≈32°C），低温时呈透明态（太阳能透射率0.82），高温时相变为白色多孔态（反射率0.81）；
2. 底层：钛基选择性吸收体（Ti-SSA，α_sol=0.92，ε_MIR=0.10）；
3. 连接层：镍钛合金弹簧（记忆温度32°C），通过热致伸缩实现顶层与底层的接触/分离切换。

性能突破

器件在加热模式（<32°C）下呈现α_sol=0.75/ε_MIR=0.10，冷却模式（>32°C）切换为α_sol=0.19/ε_MIR=0.92，创下Δα_sol=0.56和Δε_MIR=0.82的调制深度纪录。空气夹层设计使加热模式下的对流热损失降低30.7%，而20次循环测试显示光谱性能衰减<3%。

实证效果

• 极端环境测试：在900 W/m²辐照下，DTR器件比传统光热材料降温30.4°C；200 W/m²时则升温5.7°C优于辐射冷却材料。
• 建筑节能模拟：北京地区实现年制冷节能55.6%+制热节能28.7%，过渡季节室内温度波动缩小至22.9-24.7°C（舒适区）。全球10个典型城市的优化模型显示，巴西利亚最高可实现87%的总节能率。

技术优势

相比VO₂基（Δε_MIR<0.5）和相变材料（Δα_sol<0.3）等现有方案，该器件首次实现：

1. 全被动式切换（零能耗）；
2. 双波段协同调制；
3. 抗紫外/湿度老化特性（80%RH下性能稳定）。

这项技术为建筑、航天器等领域提供了革命性的热管理解决方案，其模块化设计易于规模化应用，有望推动全球碳中和进程。