文献前沿丨Renew. Sustain. Energy Rev.：先进的绿色建筑被动辐射冷却技术：水凝胶的潜力和挑战

被动辐射制冷(PRC)技术可以提高能源效率、降低制冷成本和推动可持续发展，其发展近期集中在寻找高冷却效率、耐用性和可扩展性的材料上。水凝胶材料具有高含水率、三维多孔网络、生态友好以及高效吸热和散热能力的特点，可以显著减少空调能源需求，提高热舒适性，降低碳排放。因此，将PRC技术与水凝胶材料结合具有广阔的应用前景，但目前PRC水凝胶的研究仍处于早期阶段，对其冷却原理和机理的综述有限。本文综述了水凝胶冷却的基本原理和机理，包括蒸发、吸水、辐射和隔热。为提高冷却效率，本文还提出了水凝胶理论建模和其多孔结构设计的数学关联式，综述了被动辐射冷却的核心概念。最后，文中讨论了基于水凝胶的PRC在绿色建筑工程方面的最新创新，如何解决扩大规模和提高耐用性方面的挑战，并对未来的研究提出了建议。本综述旨在为开发节能和可持续的冷却解决方案做出贡献，最终支持全球脱碳工作。相关工作以Advancing passive radiative cooling technology for green buildings: The potential and challenges of hydrogels为题发表在Renewable and Sustainable Energy Reviews期刊。

本综述聚焦于水凝胶系统中多种冷却机制的集成，深入研究绿色建筑中与PRC相关的水凝胶冷却机制或数学关联，全面阐述水凝胶PRC系统中各种冷却机制的协同效应，探索水凝胶提高PRC建筑技术的效率、可持续性和可伸缩性的冷却机制和原理。第一节阐释了被动辐射冷却技术PRC及其结构和材料的研究发展，1970年以来PRC关键技术里程碑的时间线如图1所示。同时，阐释使得水凝胶具有被动辐射冷却潜力的三大特性：协同冷却性、环境响应性(如温度、湿度)、可生物降解性。

第二节阐述了被动辐射冷却的基本原理和机理。第三节详细阐述了水凝胶的固有性质，如亲水性、三维微孔结构和温度响应等，实现水凝胶冷却的原理和机理，所提出的水凝胶热传递机制如图2所示，水凝胶-PRC冷却系统的能量平衡图如图3所示。

第四节回顾了在PRC建筑材料和系统中加入水凝胶的最新创新和进展，图4展示了多层冷却机制的PRC水凝胶材料工作原理，图5展示了伸缩性良好且经济高效的PRC水凝胶材料性能，图6展示了在不同环境条件下的持久稳定的PRC水凝胶材料性能，图7展示了全天动态被动制冷的水凝胶材料性能。

第五节讨论了与PRC水凝胶相关的挑战，如水凝胶和PRC层之间热相互作用与材料兼容性、对环境条件的敏感性、耐用性以及阻碍商业规模生产的复杂工艺。最后，在文献综述的基础上，提出了结论和研究改进建议。

图1.1970年以来PRC关键技术里程碑的时间线。

图2.本综述中所提出的水凝胶热传递机制图解：(a)吸湿，通过吸水促进热传递。(b)蒸发，当水分从液体转变为蒸汽时，产生冷却效应。(c)热辐射，反射太阳光并以红外线辐射的形式释放热能。(d)隔热，突出水凝胶孔中装载隔热材料进行热管理的潜力。

图3.水凝胶-PRC冷却系统的能量平衡图：来自太阳的入射热量(太阳辐射)，部分太阳能被水凝胶或PRC层反射(反射)，水凝胶中的水蒸发，排出热量(蒸发)，通过水凝胶传导到建筑物的热量(传导)，热量传递到周围空气(对流)，水凝胶发出的红外辐射(水凝胶辐射)，发射到寒冷天空的长波辐射(PRC辐射)和由此产生的进入或离开建筑围护结构的热流(净热流)。

图4.(a)提出了智能柔性辐射/蒸发冷却双层的冷却机制，该双层结合了多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)上层(引入辐射冷却)和水凝胶下层(引入吸湿和蒸发)，用于全天动态被动冷却。(b)拟议的辐射/蒸发双层的冷却机制，该双层由聚(聚偏氟乙烯-环己基氟丁二烯)[P(VDF-HFP)]作为上层用于辐射冷却，而吸湿性[PAAM/海藻酸盐-CaCl2]水凝胶层作为下层用于吸湿和蒸发冷却。(c)以仙人掌为灵感的气凝胶-水凝胶双层冷却器的拟议冷却机制，其中LiBr@PAAm水凝胶能够吸收水分并进行蒸发冷却，用于白天的辐射冷却，使用涂层和气凝胶组件引入了太阳反射、辐射和隔热。(d) P/C/S/Ca2+/二氧化钛水凝胶的降温机理。

图5.(I)连续三个阴天期间双层的被动降温性能。(a)铝板、P(VDF-HFP)、水凝胶和双层膜的太阳辐射和温度。(b) P(VDF-HFP)、水凝胶和双层膜与铝板的温差。(c)整个测试期间的环境温度和相对湿度。(Ⅱ) (a)不同二氧化钛含量对P/C/S/ Ca2+/TiO2水凝胶反射率的影响。(b)干水凝胶和膨胀水凝胶(5wt% TiO2)的反射率。(c) P/C/S/ Ca2+/ TiO2水凝胶(5wt% TiO2)的反射率和发射率光谱。(Ⅲ) PEA和水凝胶膜的降温性能。(a) 2022年6月14日10时至12时10分，武汉，中国。上图：PEA和水凝胶样品(蓝线，T1)、PEA和发射器样品(绿线，T2)、P(VDF-HFP)样品(橙线，T3)、不锈钢衬底(红线，T4)和环境(黑线，T5)的温度；下图：水凝胶的质量变化(4 cm×4 cm×4 mm，30wt% LiBr.(b) PEA和水凝胶样品、PEA和发射器样品以及P(VDF-HFP)样品的平均蒸发、辐射、净冷却、吸收的太阳能和环境对流功率。

图6.(I) 2022年7月13：00至14：00在中国广州，NPs/NADES@PAAM/PVA、膨胀NPs/NADES@PAAM/PVA和吸湿性NPs/NADES@PAAM/PVA之间的建筑降温效应，图中显示了不同处理下房屋模型中环境温度和温度的变化。(Ⅱ) HPC/CaCl2/C双模装置(HPC/CaCl2/C)根据环境温度的变化在加热和制冷模式之间自主切换。(a)加热模式(左)和冷却模式(右)。(b)在4-25 μm波长范围内相变后的冷却侧发射率谱。(c)在0.3-2.5 μm的波长范围内再现的Hcc-5、Hcc-10、Hcc-15和Hcc-20的加热侧的吸收光谱。

图7.(I)晴天(2023年3月5日)双层的被动降温性能。(a)室外测试设备的示意图。(b)双层膜、PDMS、铝板(Al)和环境的温度变化曲线；RH分布。(c)双层膜和PDMS在不同太阳辐射水平下的制冷功率。(d)双层(Ta-Tbilayer)和PDMS(Ta-TPDMS)的太阳辐射和冷却温度。(Ⅱ) PLH蒸发对SIREC的影响。(a)环境(灰色)、裸露的PLH(蓝色)、REC(绿色)和SIREC(橙色)的温度。(b)实验期间的相对湿度(黑色)和太阳辐照度(黄点)。(c-e)裸露的PLH、REC和SIREC的示意图。

图8.利用水凝胶推进PRC发展的总结和建议。

表1.将水凝胶应用于被动辐射制冷的代表性研究。缩写：太阳反射率(RSolar)、发射率(ε)、理论制冷功率(Pcooling)、低于环境温度下的制冷效果(ΔTcooling effect= (Tsample− Tcontrol))、透光率(T)。

小结：本文综述了辐射冷却和水凝胶冷却的基本原理和机理，讨论了基于水凝胶的PRC在绿色建筑工程方面的最新创新，总结了水凝胶进行被动冷却将遇到的挑战，并提出研究意见。应对水凝胶-PRC的挑战将促进更高效和可持续的被动冷却解决方案，整合这些解决方案将充分利用水凝胶的被动冷却潜力，创造一个更可持续的未来。

论文信息：A K, Fan W, Han J. Advancing passive radiative cooling technology for green buildings: The potential and challenges of hydrogels [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2025, 222: 115972.

doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.115972

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