哈工大王富强课题组与中建中环合作《Nano Lett.》：“冬暖夏凉”仿生变色龙跨季节自适应控温辐射制冷涂层

作为一种新兴的制冷技术，被动式日间辐射制冷技术（PDRC）利用大气窗口（ATW，8-13μm）通过辐射换热将物体表面热量传输到-270°C外太空，并通过增强太阳光谱（0.3-2.5μm）的反射率来减少热量吸收。在不消耗任何能源的情况下实现温度降低，可广泛应用于零能耗建筑、太阳能电池、户外电力设备等场景。但现有的PDRC技术缺乏自适应调控辐射特性能力，在寒冷冬季持续冷却物体导致供暖能耗显著增加，入射太阳辐射功率（~1000W/m2）与辐射制冷功率（~100W/m2）间近十倍的差异使得ATW的高效调控变得困难。因此，迫切需要开发针对太阳光的具备自适应光谱调控能力的PDRC技术来实现“冬暖夏凉”。

近日，哈尔滨工业大学王富强教授课题组与中建中环合作，针对太阳辐射功率是辐射制冷功率近十倍这一特点，受纳米比亚变色龙跨季节自适应皮肤控温启发，将 温度自适应 辐射调控技术与 PDRC技术有效结合 。针对目前辐射制冷涂层寒冷季节增加额外采暖能耗的问题，提出了一种高温制冷、低温吸热的“冬暖夏凉”仿生变色龙跨季节自适应控温辐射制冷涂层并探索其应用潜力。设计并制备的具有颜色可变性的温度自适应辐射冷却涂层（ TARCC）实现了41%的可见光调节能力 ，跨季节 户外测试证实 其 可靠性：在夏季，TARCC表现出高太阳反射率( ∼ 93%)和大气透射窗发射率 ( ∼ 94%)， 实现 低于环境温度6.5 °C。冬季，TARCC的深色强烈吸收太阳辐射， 实现高于环境温度 4.3 °C。TARCC在中纬度地区每年可节省高达20%的能源，并可增加55%的适宜 小时数 。 该工作为自适应控温辐射制冷技术的实际应用提供了新的研究思路，设计制备的 TARCC以其低成本、易于准备和简单的结构，有望实现可持续和舒适的室内环境 。

从纳米比亚变色龙皮肤的温度适应性特性中汲取灵感，将仿生学与辐射调节相结合，开展自适应控温辐射制冷材料研究。从理论出发，利用粒子辐射特性分析进行非均一粒子系优化设计。利用化学键的开环与闭环实现温度响应下的辐射特性调节，利用高温制冷与低温吸热两种模式实现“冬暖夏凉”。

图1.自适应辐射制冷涂层（TARCC）的理论设计。（A）TARCC在不同季节的工作原理示意图；（B）不同粒子在不同入射光下的电场强度图；（C）非均一混合粒径设计；（D）自适应控温变色机理。

通过简单的制备流程及便捷的施工方法完成了T ARCC 的制备。搭建实验台开展变温辐射特性测试，T ARCC 在2 0°C ~ 30°C 区间内 实现了41%的可见光调节能力 。高温环境下通过9 3 %的太阳光反射率及9 4 %的大气窗口发射率进行辐射制冷，低温环境下吸热采暖，通过两种模式间辐射特性的动态调节实现“冬暖夏凉”。材料历经3 00 次高低温循环、 48 小时高温及7 2 小时浸水均无衰减，同时具备优异的颜色拓展性及基底适应性等性能 。

图2. TARCC的制备和表征。（A）制备过程示意图；（B）SEM图像；（C）不同温度下的光谱特性；（D）升温和降温过程的平均光谱反射率；（E）热循环稳定性；（F）不同温度下的颜色响应；（G）颜色拓展性。

巧妙的设计并搭建了一个标准化户外控温效果测试平台，通过可控太阳辐照及环境温度实验场景下进行TARCC控温效果的对比测试，为未来自适应辐射制冷材料的性能测试提供了一个标准测试方法。 户外测试结果表明T ARCC 在低温环境下持续吸热升温、高温环境下同P DRC 具备相同的制冷功能、过渡季节在两种模式间切换维持温度稳定。

图3.自适应辐射制冷涂料户外测试。（A）标准化实验装置示意图及实物图；（B）不同环境温度和太阳辐照度下的温度对比；不同材料在炎热季节（夏季，C）、寒冷季节（冬季，D）以及过渡季节（春季/秋季，E）的温度对比。

TARCC 的设计使其在 室外建筑中展现出巨大的潜力。为了评估其在现实环境中的 自适应控温效果 ， 作者在 空置屋顶上建立了 分别涂有P DRC 涂料、彩钢瓦和T ARCC 的 室外建筑进行比较测试。 跨 季节 户外建筑 测试证实了TARCC的可靠性：夏季，TARCC表现出高的太阳反射率（~93%）和大气透射窗发射率（~94%）， 实现 低于环境温度6.5 °C ；冬季 ，TARCC的深色强烈吸收太阳辐射， 高于环境 温度4.3 °C ；过渡季节，T ARCC 实现温度的自适应调控 。 与传统 PDRC涂层相比， 设计制备的 TARCC表现出优异的季节间自适应调节能力。

图4.TARCC在户外建筑的应用测试。（A）三座相同的户外建筑，分别涂有辐射制冷涂层/彩钢瓦/自适应辐射制冷涂层；（B）建筑屋顶的红外热图像；不同建筑在炎热季节（夏季，C）、寒冷季节（冬季，D）和过渡季节（春季/秋季，E）的室外温度对比。

针对辐射制冷材料实际建筑应用问题，提出“适宜小时数”概念 ，以20°C~30°C 作为适宜生活区间 以 评估全年能提供的人体舒适时间。以南京为例，全年1 44 单位的测试样本中T ARCC 实现了8 5 单位的适宜小时数，分别较传统屋顶和 PDRC 屋顶提高 55% 和1 6 %。进一步能耗分析表明 TARCC与PDRC涂层相比在中纬度地区 每年 可节省20%能源 ，同时在全球多种气候带均具有节能潜力。

图5.节能潜力分析。（A）不同材料屋顶表面温度的适宜小时数对比；（B）全球典型城市能耗分析；（C） 全球涂料节能潜力图。

相关研究成果以“ “Warm in Winter and Cool in Summer”- Scalable Bio-chameleons Inspired Temperature Adaptive Coating with Easy Preparation and Construction ” 为题发表在国际权威期刊《Nano Letters》（中科院一区，IF=10.8）。 哈尔滨工业大学博士生东岩及孟炜峰为论文共同一作， 哈尔滨工业大学王富强教授及 青年教师程子明为论文通讯作者。中建中环总工程师徐增辉（教授级高工）、正高级工程师李响、邹亚男，诺丁汉大学YuyingYan教授及南洋理工大学ChunYang教授为论文合著者。该工作得到了国家自然科学基金、山东省泰山学者、英国皇家学会、山东省自然科学基金和国家留学基金委等项目的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02733

课题组相关进展

哈尔滨工业大学王富强《Nano Energy》：仿生人体皮肤褶皱结构的高效辐射制冷涂层

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521006327

哈尔滨工业大学王富强《Advanced Optical Materials》封面文章：具有多波段辐射调节性能的低成本、可规模化生产的仿生辐射制冷玻璃

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202202031

哈尔滨工业大学王富强《ACS Photonics》封面文章：兼顾光学性能和应用需求的仿生皮肤辐射制冷织物

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.3c00241

哈尔滨工业大学王富强《Applied Energy》：具备遮盖层的日间辐射制冷涂层，兼顾高光学性能、薄厚度以及优异的户外耐用性

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261923006372

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