KAUST甘巧强教授Nat. Rev. Clean Technol. | 迈向辐射制冷的实际应用

通讯作者：甘巧强教授

通讯单位：阿卜杜拉国王科学技术大学（KAUST）

https://doi.org/10.1038/s44359-025-00041-5

随着全球气候变暖加剧，极端炎热带来的健康风险以及传统制冷技术的高能耗问题日益凸显。辐射制冷（Radiative cooling）是一种新兴的零耗能制冷技术，其可以通过将余热引导至外太空或低温环境实现降温，有望缓解建筑环境高温问题。然而，尽管研究不断推进，其从实验室突破到大规模实际应用的转化仍面临重大挑战。基于此，近日，阿卜杜拉国王科学技术大学（KAUST）甘巧强教授团队，于《自然综述·清洁技术》（Nature Reviews Clean Technology）发表综述文章《迈向辐射制冷的实际应用》（Towards practical applications of radiative cooling）。本综述旨在弥合辐射制冷技术理论研究与实际应用之间的鸿沟：从总结当前热力学原理、材料科学与系统工程等方面的研究进展，到展望一系列推动该技术从实验室创新迈向实际应用的潜在策略。作者重点剖析了三种典型温度区间的应用场景——建筑热管理（低于环境温度制冷）、个人热舒适（接近环境温度）及太阳能电池降温（高于环境温度），并探讨它们在当前商业化进程中面临的挑战与机遇，包括需确保技术经济可行性、满足规模化生产需求，以及适应多样化环境与气候条件的高效运行。文章指出，为实现辐射制冷技术的广泛普及，需通过研究者、工程师与产业界的协同创新，开发可持续的规模化生产工艺，并建立辐射制冷材料的标准化性能评估体系。

在全球变暖与人口增长的双重压力下，传统空调系统的用电量预计将从2022年的约2100 TWh增长至2050年的约6000 TWh，其中大部分电能最终转化为废热，加剧环境负担。因此，寻找可持续、节能的降温技术刻不容缓。辐射制冷是一种无需外部能量输入的降温技术，它通过大气透明窗口（8–13 μm）将物体热量直接辐射至外太空，并最小化太阳热吸收，进而提供自然冷却(图1a,b)。

近年来，光子学与热力学工程推动了辐射制冷材料和技术的发展，使其从概念验证阶段迈向实际应用。目前主要的应用包括：建筑节能、人体热管理、大气水收集、冰川保护、太阳能电池等负载设备的降温（图1c）。然而，尽管辐射制冷具备清洁降温的理论潜力，在实际应用中仍未被广泛采用，主要挑战包括：材料生产的规模化难题、在复杂环境条件下的耐久性问题、与现有基础设施的集成难度。此外，辐射制冷能否在特定市场中实现高效、低成本、且比现有商业降温技术更环保，仍有待深入研究。本综述深入探讨了辐射制冷技术从实验室创新向实际应用转化的机遇与挑战。在回顾辐射制冷的基本原理与材料设计原则的基础上，研究分析了辐射制冷在建筑降温、个人热管理和光伏散热中的关键挑战，并评估了其商业化面临的障碍。此外，文章强调了生命周期评估、可持续材料选择和可扩展制造工艺的重要性，以确保辐射制冷技术能够真正实现规模化应用，为全球可持续降温提供可行方案。

1、热力学机制

辐射制冷是一种利用材料表面与外太空超低温环境（约-270℃）或其他低温环境直接进行热辐射交换的降温技术。其核心原理在于：地球表面（约30°C）通过大气层的高热透过率波段—大气透明窗口（8–13 μm）—持续向外太空（接近绝对零度）发射红外辐射。热辐射本质是一种电磁波，其以光速传播，可实现接近瞬时跨星际热量传递，且无需消耗任何能量。

除了寒冷外太空，地球同时还暴露在一个巨大热源，太阳（~5500°C），的强烈辐射下。其加热作用（峰值通常＞1000 W/m²）会极大削弱甚至掩盖辐射制冷效应。辐射制冷材料在30°C环境温度下的理论制冷功率约为150 W/m²（随周围环境不同而变化）。为实现有效的日间辐射制冷，材料需同时满足两个关键光学特性：（1）在大气窗口波段（8–13 μm）具备高热发射率；（2）在太阳光谱波段（0.3–2.5 μm）保持超高反射率（最低阈值＞90%，理想情况下＞95%）。

总之，辐射制冷本质上是利用地球表面和外太空之间天然巨大的温差，通过电磁波进行快速热交换，实现无源降温。理想的日间辐射制冷材料需兼具高太阳反射率和高大气透明窗口热发射率，以最大化制冷性能。

图1.辐射制冷技术的机制和典型应用

2、材料和系统设计：从低于室温制冷（sub-ambient）到高温制冷（above-ambient）

辐射制冷的核心目标是最大化热量散失、最小化环境热量吸收。为实现净制冷效应，研究人员通过优化发射体的光学和热学特性，并设计多种系统结构，以适应不同温度条件下的制冷需求。本综述详细介绍了亚环境辐射制冷和超环境辐射制冷的材料和系统设计原则

低于环境温度的辐射制冷系统

典型的亚环境辐射制冷系统由核心热发射体、薄膜覆盖层和隔热腔组成（图2a-c），需要满足：降低太阳吸收（以减少白天光热效应）；减少热传导和对流（采用高效隔热围护材料或金属真空腔、热透明顶盖）；优化热辐射方向（利用红外反射镜，将热辐射引导至天空，增强冷却效果）。

降低太阳吸收的方式主要包括：选用高折射率材料（如银、铝）作为反射基底，结合透明或半透明的辐射体（如PDMS）；引入散射介质（如TiO₂、BaSO₄、CaCO₃、BN）；在聚合物基体中引入多孔结构。部分材料（如TiO₂）易吸收紫外光，导致降解。研究表明，通过纳米结构优化（调整TiO₂颗粒尺寸和分布）或多尺度散射结构（结合Al₂O₃、PTFE等），可实现宽光谱高反射和抗UV降解。

引入热透明顶盖（Thermally transparent cover）是实现亚环境制冷的关键(图2d,e)，其可以抑制空气对流且对中红外透明（8–13 µm）。理想材料需具备简单的化学键（如C–C、C–H），如聚乙烯（PE）。尽管PE常用于温室和光伏系统，但其机械强度不足，影响防护性能。部分先进真空系统采用共振超表面（Si基）、金属硫属化物（KBr、NaCl、KCl）或抛光金刚石作为覆盖层，兼顾热透明性与机械强度。但成本高或易吸湿，限制了大规模应用，开发低成本中红外透明材料仍是关键挑战。

采用窄带（Narrowband）热发射体，即在大气窗口（8–13 µm）内具备接近1的发射率，而在其他波段保持极低的发射率的选择型发射体，可以最小化大气辐射的热输入，有助于实现理想亚环境制冷(图2f,g)。目前已经报道的窄带发射体主要包括：多层抗反射结构（如SiO₂/HfO₂）、精细设计的微结构纹理（如周期性微凹槽、纳米图案）、具有选择性分子震动的聚合物（如PEO纳米纤维、POM纳米织物）。相比于复杂且昂贵的光子设计，基于聚合物的窄带热发射体为低成本大规模制造提供了可能。

高于环境温度的辐射制冷系统

超环境辐射制冷主要用于高温系统的热管理（如光伏散热、工业负载设备冷却、航天温控等）。其关键要求包括：最小化太阳吸收、最大化宽带热发射（在整个中红外波段具有高发射率）。其无需隔热或覆盖层，因系统可通过热传导和对流加速散热。常见的宽带热发射体包括：非金属材料（如：Al₂O₃、PDMS、PMMA）、超结构材料（如亚波长图案、声子增强弗罗里希共振）可提高中红外发射率，提升散热能力。超环境辐射制冷材料主要挑战在于：高温场景（如LED、航天）下，保持高热稳定性与耐久性

总之，辐射制冷系统的性能依赖于发射体、覆盖层和系统结构的协同优化。亚环境冷却需重点关注太阳反射率、窄带热发射和隔热设计，而超环境冷却则强调宽带高热发射与材料耐久性。未来研究方向包括低成本中红外透明材料、纳米结构优化和耐候性增强，以推动辐射制冷技术在清洁能源、工业和航天领域的广泛应用。

图2.辐射制冷材料的光谱设计

3、三种典型的应用

低于室温的辐射制冷：建筑热管理

建筑外表面在夏季可达到50℃以上，而室内舒适温度需维持在20–30℃。传统保温材料受体积限制，难以有效隔热。最近的研究表明，辐射制冷技术可以通过高太阳反射率和高热辐射率降低建筑外表温度（图3a,b），降低供暖、通风与空调（HVAC）系统能耗。然而，辐射制冷建筑材料在实际应用中仍面临耐久性、可扩展性和经济性等挑战。

可扩展性：实现辐射制冷材料的规模化生产是商业应用的关键。目前，采用卷对卷（roll-to-roll）工艺可生产大面积辐射制冷薄膜，适用于平顶或低坡屋顶（图3c）。此外，溶液法合成的辐射制冷涂料可直接应用于传统建筑材料，如木材和混凝土，提高施工便利性（图3d，e）。未来，仍需要进一步探索基于陶瓷、回收废料和水基涂料等的环保制造工艺，以减少环境影响。

耐久性：辐射制冷建筑材料需符合国际建筑标准，并通过拉伸强度、附着力等测试。当前，聚合物基辐射制冷建筑材料易受紫外线、湿度、灰尘影响，通过表面润湿性改性、自清洁涂层或耐紫外添加剂可提高耐用性（图3f，g）。陶瓷基辐射制冷材料虽然耐久性更强，但仍可能被环境中的盐腐蚀。未来，辐射制冷材料还需满足防火标准（图3h），部分陶瓷辐射制冷涂层已通过相关测试，展现出优异的抗热性能。

色彩选择：辐射制冷材料的市场应用受美学需求影响，特别是颜色的选择。虽然浅色屋顶可降低用电量15%，但市场对鲜艳颜色的需求较大。目前已开发的彩色辐射制冷材料（图3i）包括：光谱选择性复合材料（仅吸收特定波长光）、光致发光染料（将吸收的太阳能转化为可见光减少热积聚）、结构色（通过光干涉和散射实现颜色呈现，而不影响降温效果）。其中，光子结构色技术最具潜力，可在保持辐射制冷性能的同时提供丰富的颜色选择。

与HVAC系统集成：辐射制冷技术可与HVAC系统结合，优化换热器设计以提高能效（图3j-l）。例如，在换热器表面涂覆辐射制冷材料并封装在低热导率材料内，可将冷却剂温度降低5℃，减少约20%能耗。此外，真空腔体可用于防止热传导，实现远低于环境温度的深度冷却。未来，可结合光学设计（如锥形导光结构，图3k）进一步增强热辐射效果，提高局部降温能力。然而，辐射制冷材料的使用在寒冷季节可能增加供暖成本，这限制了其市场推广。为此，研究者提出了双模式辐射制冷技术，如Janus结构（双面不同光学特性），可在冬夏间切换以优化能效（图3m）。

机遇：尽管辐射制冷技术在建筑降温中具有潜力，其降温效果受气候环境影响。例如，在湿度较高的亚热带地区，辐射制冷降温功率较低，仅为干旱地区的1/5。因此，辐射制冷技术可与隔热材料、热能存储技术或蒸发冷却系统结合，提高适用性。此外，由于建筑物可用于辐射制冷的水平面积有限，研究人员正在探索各向异性发射体，使建筑立面同时反射地面热辐射并向天空辐射热量，以提高降温效率。

图3.辐射制冷技术用于建筑热调控

近室温（Near-ambient）辐射制冷：个人热管理

热辐射占人体总散热量约50%（受环境影响），是炎热环境下人体降温、维持体温平衡的核心机制。将辐射制冷技术整合于日常织物，可突破传统纺织品热管理局限，为极端炎热环境下的热舒适和健康提供创新解决方案。近十年，各种高性能的辐射制冷织物相继问世（图4a,b），这些织物可以增强人体散热，并减少太阳辐射热量吸收（适用于户外场景），实现高效人体降温。然而，如何在保持辐射制冷性能的同时实现规模化制备且满足纺织工业制造标准，仍是研发中的一大难点。

研究进展：根据应用场景，辐射制冷织物主要可以分为室内使用的热透明织物（图4c）和户外使用的热发射织物（图4d）。用于室内场景的热透明织物，如纳米聚乙烯（NanoPE），对人体热辐射高度透明，且对可见光不透明，因此人体热量可以不受阻拦的散到周围低温室内环境中来实现降温。用于户外场景的热发射织物具有高太阳反射率，同时对人体热量具有高吸收/发射率。这种织物可以先将人体热量吸收，然后将其发射到外太空，同时可以排除太阳热来实现在户外强阳光下的人体降温。为了最小化太阳热吸收，户外使用的辐射制冷织物主要为白色或银色，考虑到人们对服装的美学需求，单调的色彩是辐射制冷技术实用化的主要限制因素之一。此外，最近还开发出一系列新型辐射制冷织物，以拓宽该技术在复杂实际环境中的应用，包括：适用于多场景的制冷织物（如：聚甲醛纳米织物，可同时实现室内、室外晴天和室外阴天的高效降温，图4e）；具有伤口修复功能的制冷织物（如：蚕丝-聚酰胺纳米纤维，图4f）；可减少城市热岛效应的制冷织物（如：聚甲基戊烯-银纳米线-羊毛织物，图4g）；还有自适应双模式织物（如Janus结构或动态调控织物，可根据环境条件切换高/低发射率，实现制冷和加热/保温的功能转换，以适应日夜温差变化，图4h,i）。

制备策略：目前辐射制冷织物的制备策略主要有两种：一种是“自上而下（Top-down）”策略，即直接在传统织物中构造纳米结构，如：在微米纤维表面附着纳米颗粒（如：氧化铝接枝的蚕丝织物）或构造多孔纳米结构（如：具有三维沟槽结构的PET织物）。另一种是“自下而上（Botton-up）”策略：直接从聚合物原材料制备具有纳米结构的织物，如：通过静电纺丝法制备的纳米纤维基无纺织物（图4j）；通过熔融纺丝法制备的嵌入纳米颗粒的微米纤维，并通过加捻、针/编织等工艺获得纺布（图4k）。然而，这些方法存在能耗高、设备复杂、工业化难度大等问题。同时，由于纳米结构的复杂性，使其难以与传统大规模纤维/织物生产工艺（如熔融纺丝、湿法纺丝）相兼容。此外，纳米材料的潜在毒性和环境影响（如微/纳塑料污染、纳米颗粒危害等）也需根据纺织行业标准进一步评估。

挑战和机遇：除了上述单调色彩和规模化制备挑战外，目前辐射制冷技术在织物方面的实际应用还面临如下挑战：现有辐射制冷织物在耐洗性、透气性、色牢度等方面尚未达到行业标准；即使实现相同的降温，在不同环境和个体条件下可能带来不同的舒适体验，现有研究对此关注较少；目前研究主要聚焦于向天空散热，而城市建筑和地面辐射热对辐射制冷织物的影响仍待深入探讨。

要推动辐射制冷织物进入个人服装市场，需解决规模化生产、穿戴性（无毒、透气性、耐洗性和耐久性）、和节能环保等问题，关键是要满足纺织行业标准（如ISO、GOTS等）。潜在的解决方案是：通过将传统纺织工业技术与新兴纳米制造相结合，有望实现符合纺织行业标准辐射制冷织物的规模化、低能耗生产。此外，辐射制冷织物的色彩拓展也是市场化关键。总之，未来辐射制冷织物的商业化发展需结合产业标准、环保要求及用户美学需求，以实现可规模化生产的高效热管理织物，以应对全球气候变暖带来的挑战。

图4.辐射制冷技术用于人体热管理

高温辐射制冷：光伏降温

挑战：半导体电子和光电子设备在高温运行环境下的散热问题尤为突出，特别是在钙钛矿和有机太阳能电池等新兴技术中。光伏（PV）太阳能电池板作为可再生能源的核心组件，其性能受热降解影响显著，特别是在热带高温高辐照地区（图5a）。当前PV电池的能量转换效率虽已提升至30%（硅基）和33.9%（钙钛矿-硅叠层），但太阳辐射中仍有约66-80%的光能转化为废热，导致组件升温，引发效率衰减和材料老化。例如，晶硅光伏面板每升高1°C，效率下降约0.45%。这一问题加剧了维护成本，成为光伏技术普及的障碍之一。

进展与局限：PV面板的安装方式天然具备向天空辐射散热的能力，但其正面需高效吸收可见光，不能使用传统的高反射白色冷却材料。因此，辐射制冷冷却层需具有严格的光谱选择性，即透过低于材料带隙的光（硅1.1μm，钙钛矿0.83μm），同时高效辐射红外热量。自2014年以来，辐射制冷技术在PV冷却领域取得显著进展（图5b）。例如，微结构硅层可使太阳能电池降温13°C（图5c），微孔二氧化硅光子涂层显著降低温度（图5d），而在高温聚光光伏（CPV）系统中，苏打石灰冷却层可将温度降低36°C（图5e）。近期提出的V型光伏面板设计通过优化热辐射方向，可在实验条件下降低温度10.6°C（图5f）。然而，辐射制冷涂层可能影响PV的导热与对流冷却机制，并增加灰尘累积，影响光电转换效率。此外，PV的辐射制冷冷却效益在不同测量条件下可能被高估。例如，在开路状态（无电流输出）下，PV面板温度高于正常工作状态，因此辐射制冷效果可能被夸大。此外，辐射制冷冷却能力受天气变化影响，测量结果的可比性较差。因此，研究应详细报告气象条件，以确保辐射制冷效果评估的准确性。

机遇：为弥补辐射制冷的环境依赖性，可引入蒸发冷却作为辅助策略。例如，PV面板的前封装材料在夜间可作为辐射制冷板，同时冷凝大气水分，使其白天充当蒸发冷却层。此外，收集的水可用于光伏组件自清洁或农业光伏系统中的灌溉。优化表面设计以去除冷凝水，避免水分积累至关重要。此外，辐射制冷冷却可结合热电发电技术，通过PV与环境之间的温差利用Seebeck效应实现夜间发电，拓展光伏的能源利用方式。辐射制冷冷却技术在光伏行业的成功取决于其实际降温效果是否优于传统玻璃封装，并需要兼顾成本效益，以确保提高效率与延长寿命的经济价值能覆盖额外的实施成本。未来，辐射制冷冷却若能与光伏发电、蒸发冷却和热电转换技术结合，或能进一步推动光伏产业的高效化与普及。

图5.辐射制冷技术用于太阳能电池降温

辐射制冷技术在可持续降温领域展现出巨大潜力，但其实际应用仍面临材料选择、制造工艺、性能评估和环境影响等多方面挑战。本综述提出，全面的生命周期评估和标准化测试体系是推动其商业化的关键。

尽管生命周期评估在工业领域已被广泛采用，但在辐射制冷研究中仍缺乏系统性考量。完整的生命周期评估应涵盖原材料选择、制造、制冷性能评估、实际使用及回收或处置，确保技术的可持续性（图6a）。此外，不同应用场景对材料性能的需求不同（图6b），如建筑材料要求高耐久性，消费品需兼顾美观，智能冷却材料应具备环境自适应性。同时，研究还指出，辐射制冷材料中的纳米和微米颗粒可能对环境和健康构成风险，需加强安全性研究并制定相关监管标准。

图6.辐射制冷技术未来发展的展望

测试标准的缺乏导致不同研究结果难以对比。为此，建议建立统一的冷却性能测试方法，如室内可采用液氮热库系统精确控制实验条件，室外应借助认证气象站测量环境温度，并设置对照样品进行交叉验证。不严谨的测试方法可能导致夸大或误导性结论，因此建立标准化测试体系至关重要。

在材料生产与回收方面，未来研究应聚焦低成本、可回收原材料的应用，并开发高效、可扩展且环保的制造工艺。此外，辐射制冷材料的废弃管理需引入回收利用或生物降解策略，减少塑料污染。目前，氟聚合物虽然具有优异的辐射制冷性能，但高能耗生产及难以降解的问题制约了其可持续发展，欧盟已开始限制或禁止相关物质的使用。

要推动辐射制冷技术走向市场，科研与产业界的合作至关重要。通过将研究成果与现有工业标准接轨，并加强跨学科协作，可加速辐射制冷技术的产业化进程。本研究呼吁建立更加透明、公正的评估体系，以确保辐射制冷技术在复杂环境下的可靠性，加快其从实验室走向现实应用。

本文由作者团队供稿。

论文信息: Yang K, Wu X, Zhou L, Wu P, Gereige I, Gan Q. Towards practical applications of radiative cooling. Nature Reviews Clean Technology, 2025: 1-20.

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s44359-025-00041-5

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