被动冷却再登Science正刊：南洋理工大学设计热-光与传质特性协同调控的高性能被动冷却涂料

当前，辐射冷却技术虽然已在干燥、晴朗气候条件下商业化应用，但在高湿、多云环境中（如新加坡）降温效果显著下降，且其方向性特征使其在建筑立面等区域冷却效率有限。蒸发冷却利用水的高汽化潜热提供了一种非定向性冷却机制，但现有的水凝胶类系统在结构稳定性、粘附性和使用寿命方面存在显著缺陷。因此，亟需开发兼具辐射与蒸发冷却能力，且结构稳固、易于涂刷、适应性强的冷却涂层。为此，作者设计了一种以改性水化硅酸钙网络为基质的水泥基冷却涂料（cement cooling paint, CCP），通过纳米颗粒调控其热光与质量传输性能，实现高反射率、高发射率、良好的储水性与光学稳定性，并通过室外实测与能耗对比验证了其在热带环境中的优越冷却表现与显著节能潜力。相关工作以Passive cooling paint enabled by rational design of thermal-optical and mass transfer properties发表在Science期刊。

本文首先提出了集成辐射与蒸发冷却的新策略，通过在水泥基结构中引入BaSO4纳米颗粒和优化孔隙结构，实现了高反射率与高发射率的光学性能，并验证了其在干湿状态下的光学稳定性（图1）。随后，作者调控水胶比并引入PVA和氯化锂以增强结构致密性和保水性，系统评估了涂层的力学性能与抗裂能力（图2）。接着，研究考察了涂料的毛细吸水、自补水能力和蒸发行为，结合微型CT和热分析手段揭示其稳定的水循环机制和冷却方式（图3）。在此基础上，作者在实际户外环境中进行了示范性建筑测试，对比分析了该涂料与传统辐射冷却涂料和普通白漆的降温效果（图4）。最后，通过电力消耗测试、能耗模拟和碳足迹评估，系统验证了该涂料在热带气候下的节能潜力和环境友好性（图4）。

图1.CCP-30的概念与光学性能。(A) 建筑辐射冷却涂料与集成冷却涂料的对比图。P：功率；R：反射；Rad：辐射；Abs：吸收；Evp：蒸发；Pin：流入热流。(B) C-S-H多孔结构和表面结合的纳米颗粒的扫描电镜图。（插图）散射效率模拟。(C) 多孔结构（直径 = 1 μm）在干燥与湿润状态下的散射效率变化。（插图）涂料基体（BaSO4、C-S-H凝胶）、水和空气之间的折射率差异。(D) CCP-30在干燥与湿润状态下的太阳反射率光谱。(E) 纳米颗粒（直径约400 nm）在干燥与湿润状态下的散射效率变化。（插图）孔隙边界和纳米颗粒在不同状态下的协同散射示意图。“高掺杂”表示更多纳米颗粒。(F) 样品在非水吸收波段中湿润引起的反射率降低情况。误差棒表示多次测量的标准差。(G) 在大气窗口内的发射率光谱。（插图）化学键类型及其振动范围。

图2.机械性能。(A) 示意图展示较低水胶比在CCP-30中实现致密水泥颗粒分布的效果。(B) C-B-30和CCP-30样品表面形貌的对比光学图像。(C) 水蒸发导致的结构差异机制示意图。(D) C-B-30与CCP-30的拉曼光谱对比。（插图）局部放大图。(E) 添加剂导致的水蒸发机制差异示意图（浅灰色：原始水泥颗粒；深灰色：C-S-H 水化相）。(F) 透射电镜图像及相应的能谱分析（EDS）元素图谱。(G) 第7天的机械强度对比。样品“C”为纯水泥样品。

图3.流体性能与冷却机制。(A) 吸水量比较。误差棒表示多次测量的标准差。(B) 通过吸水与微型CT扫描对孔隙网络的评估。误差棒表示三个样品测量的标准差。(C) 水蒸发行为的差示扫描量热分析结果。（插图）纯水的蒸发曲线。(D) 实验装置的示意图（上）与热成像图（下；测量时间为上午11:30）。样品在直射阳光下稳定30分钟后测量。(E) 天气状况（上）与黑色吸收器表面温度（下）。(F) 基于典型新加坡气候条件下不同朝向的冷却潜力比较。负的内部热流表示需要主动制冷以维持设定边界条件。

图4.户外测试。(A) 三个分别涂覆不同涂料的演示房屋的照片（上）和红外图像（下）。(B) 不同涂料在演示房屋上的三日冷却性能测试（2023年5月12日至15日）。(C, D) 在可居住房屋（3×3×4米）中进行的节电测试，配备独立电表和空调系统（EuropAce, EPAC 12C）。(E) 两组三日节电测试（晴天和雨天：2023年8月11日至14日；雨天和多云：2023年8月15日至18日）的电力消耗数据。空调设置为26 °C。(F) 2023年8月18日至9月16日为期一个月的用电量比较。(G) 模拟典型四层建筑在新加坡气候下的全年节能情况。RC：屋顶涂覆；AC：立面全涂覆。(H) 通过生命周期评估得出的碳足迹分析。

小结：为突破传统被动辐射冷却涂料在潮湿多云环境中降温性能不足的问题，本文提出并开发了一种融合辐射与蒸发冷却机制的水泥基复合涂料。研究以水化硅酸钙多孔网络为基础，结合硫酸钡纳米颗粒，实现高达93%的太阳反射率与95%的红外发射率，并通过多尺度孔隙设计与PVA、氯化锂等添加剂增强涂料的吸湿储水能力和结构稳定性，确保其在干湿交替条件下仍具有优异的光学稳定性和力学性能。该涂料具备自补水能力，可利用雨水和空气湿度持续实现蒸发冷却。在新加坡的实地测试中，CCP-30展现出最高可达140 W/m2的冷却能力，屋内温度相比普通白漆降低超过4.5 °C。更在连续阴雨天气下仍实现30–40%的空调能耗节省。能耗模拟与生命周期评估验证了其良好的经济性与环境适应性，为城市建筑提供了一种可规模化、耐用且高效的被动冷却解决方案。

论文信息：Fei Jipeng, Li Hong* et al. Passive cooling paint enabled by rational design of thermal-optical and mass transfer properties. Science, 388: 1044.

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