文献前沿| Adv.Mater.：面向自适应热管理的三维可逆智能节能装置

在全球气候变暖和建筑能耗的问题日益突出的背景下，开发高效的自适应节能技术已成为实现可持续发展和碳中和目标的关键。传统的二维薄膜节能装置在相变温度控制和材料选择性方面存在局限，而现有三维结构也常因变形能力有限和非对称设计难以适应复杂多变的光照条件。本研究提出了一种基于形状记忆合金（SMA）的三维可逆智能节能装置。该装置将聚二甲基硅氧烷(PDMS)/Al2O3复合材料作为辐射冷却层涂覆到机翼外侧，黑色太阳吸收层涂覆到机翼内侧及支撑结构上表面，通过SMA弹簧的热响应形变控制机翼板的开合程度，实现在太阳能加热（SH）与辐射冷却（RC）模式间可逆连续的自适应调节。相关工作以 Development of 3D Reversible Smart Energy-Saving Devices for Adaptive Energy Management为题发表在Advanced Materials期刊。

传统建筑通过纬度优化屋檐角度保证室内热舒适。受这种策略的启发，本文制备了一种温度自适应的三维节能装置，通过弹簧形变控制机翼开合角度，在辐射制冷与太阳能加热模式间连续可逆地转换，对下表面有效冷却/加热以减少能耗（图1）。随后对其运行效果及弹簧机械性能进行了研究，在高温状态下（≈30℃），弹簧伸长，机翼关闭并阻挡阳光，RC层辐射冷却；低温状态时（≈8℃），弹簧收缩，机翼打开，SH层吸收太阳能加热（图2）。与不同二维衬底相比，装置在不同倾角（0°、45°、90°）均表现出良好的性能（图3）。将装置以阵列的形式布置在屋顶，在全球15个气候区的模拟验证了其在不同气候区的节能适用性（图4）。

图1.(a~b)传统民居的图片和示意图：韩国首尔的“韩屋”（左）和中国上海的“亭台茶馆”（右）。(c)三维智能节能装置示意图。(d)设备在不同温度环境（8、25、32℃）下的图像。(e)设备部件示意图。(f)环境条件下炭黑涂料、聚氨酯涂料、辐射冷却膜、3D智能设备的热学性能。(g~h)在冷却、加热模式下有/无3D智能节能装置的能耗对比。

图2.(a~b)在a)冷却、b)加热模式下三维智能节能装置的运行方式。（c）3D智能器件的力学性能：形状记忆合金（SMA）长度、翼角和开口面积间的关系。(d~e) SMA的热性能：d)加热条件下的推力，e)冷却条件下的拉力(f) DSC数据,显示了SMA经历相变的温度范围。(g~i)三维智能设备的力学性能：g)夏季和h)冬季随温度变化的开口面积。i) 3D智能设备的时间分辨力学响应：24小时内的翼角和开口面积。

图3.(a)户外对照实验示意图(b)用于测量各种衬底温度性能的实验装置图。(c~d)三维智能设备在夏季和冬季的热特性。(e~g)在没有辐射冷却膜的情况下，给出了0°，45°，90°的各种衬底的热性能。曲线分别代表聚氨酯漆（黑色线）、炭黑漆（红色线）、3D智能设备（橙色线）下表面温、环境温度（绿色线）、辐射冷却漆（蓝色线）、3D智能设备叶片部件（紫色线）。(h)无RC涂层三维器件温在0°条件下与各衬底的热性能对比。

图4.(a)典型建筑换热模拟模型示意图。(b)安装在屋顶上的三维装置阵列示意图，说明了传热机理。(e)根据Köppen-Geiger气候分类选择的全球15个代表性城市示意图。(c~g)给出了三维智能设备在Am气候、Dfb气候、BSk气候和BWh气候下的模态比。(h~i)三维智能节能装置在制冷和制热模式下四个代表性区域的节能性能数据。

小结：本文开发并验证了一种形状记忆合金驱动的新型三维可逆节能装置。模拟证实，该装置在夏季能为建筑减少6.8%最大制冷功率，冬季能减少5.6%最大供暖功率。实验数据表明，该装置在太阳能加热（SH）模式下可实现高达51.3 °C 的加热温度与 65.7% 的光热转换效率；在辐射冷却（RC）模式下可实现–6.1 °C 的亚环境冷却温度与 36.1 W·m⁻² 的净辐射制冷功率。该装置能够通过调整SMA激活温度来实现按需定制的功能，并且能大规模灵活布置，在未来建筑节能领域有很大的发展前景。

论文信息：Ho Jun Jin, et al."Development of 3D Reversible Smart Energy-Saving Devices for Adaptive Energy Management.."Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.) (2025):e2507682.
https://doi.org/10.1002/adma.202507682

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