Nano Energy丨双效协同层状结构：攻克天气敏感性难题的强化辐射冷却技术

01

研究背景

全球冷却需求随气候变暖持续攀升，而传统冷却技术（如空调）不仅能耗高昂，还会加剧温室效应，推动了对低能耗、可持续的被动冷却技术的探索。在各类被动冷却方案中，蒸发冷却（EC）和辐射冷却（RC）是最具潜力的两类技术，但二者均存在难以规避的固有局限：蒸发冷却依赖持续的纯净水供应，在全球水资源分布不均、缺水地区广泛存在的背景下，应用场景受到极大限制；辐射冷却虽无需用水，通过将热量以中红外辐射形式释放至外太空实现降温，但其冷却性能极易受天气条件影响，尤其是高湿度环境下，界面水对中红外光子的强吸收会严重抑制辐射效果，且其理论冷却极限相对较低，难以满足极端气候下的高效冷却需求。为突破单一技术的瓶颈，结合 EC 与 RC 优势的混合冷却设计成为研究热点，但现有混合方案始终未能解决核心矛盾 —— 水分虽能强化蒸发冷却效率，却会同步破坏辐射冷却的光学性能，导致两种机制无法实现真正协同，难以达成全天候稳定的被动冷却效果。

当前，日间辐射冷却技术虽取得一定进展，多种新型材料（如冷却薄膜、选择性响应材料、辐射冷却结构材料等）的冷却功率已突破 50 W・m⁻²，但多数材料的冷却功率仍低于 150 W・m⁻²，主要受限于多变的天气条件和有限的 8-13μm 大气窗口 —— 该窗口是中红外辐射向外太空传递的主要通道，云层、高湿度等因素会导致窗口关闭或缩减，大幅削弱辐射冷却能力。现有解决方案如设计仅在 8-13μm 波段选择性辐射的材料，存在材料特异性强、难以规模化应用的问题。同时，全球大气储水量约达 12900 km³，作为一种广泛存在的可再生水资源，尚未被有效整合到冷却系统中以突破传统辐射冷却的理论极限。尽管已有研究尝试将大气水分收集与辐射冷却结合，如通过夜间集水、日间蒸发增强冷却效果，但当前研究多聚焦于蒸发对辐射冷却的辅助作用，忽视了提升辐射冷却本征能力、补偿非大气窗口波长的热量增益、深入分析集水效率及蒸发冷却温度动态变化等关键问题，尚未能有效解决复杂天气下冷却性能不稳定、供水依赖等核心痛点，亟需开发新型结构设计以实现两种冷却机制的深度协同与天气不敏感性。

相关工作以“Enhanced radiative cooling with dual efficiency stacking for sensitive weather issues”为题，发布在《Nano Energy》期刊上。（中科院一区，JCR一区，IF=17.1）

02

研究数据

图1. (a) 辐射式冷却器和非辐射式冷却器的辐射传热过程示意图以及吸水和蒸发循环的建模图。(b) 由PIFE/PET薄膜和PVA/CNFs-CaCl₂水凝胶组成的RE冷却器的设计示意图。(c) RE冷却器的正视图（俯视图）和侧视图（仰视图）照片。(d) PVA/CNFs-CaCl₂水凝胶的蒸发可视化图。(e) PVA/CNFs-CaCl₂水凝胶的稳定性。(f) RE冷却器的冷却和循环示意图。

图 2. (a) 顶层纤维网络的扫描电子显微镜（SEM）图像及尺寸分布。(b) PTFE / PET的折射率与消光系数。(c) 光学模拟揭示 PTFE/PET 的反射与散射效应，色标表示散射效率。(d) PVA/CNFs水凝胶的扫描电子显微镜图像及孔径分布。(e) PVA/CNFs-CaCl₂水凝胶的 SEM 图像。(f) PVA/CNFs-CaCl₂水凝胶的元素分布。(g) RE cooler组装前后的反射率 / 发射率光谱。(h) 不同角度下的发射率。

图 3. (a) 吸水 - 脱附模拟示意图。(b) 吸水性能对比图。(c) 水凝胶的脱附曲线。(d) 相对湿度 60% 和 80% 条件下的吸水模拟。(e) 吸水量变化模拟过程。(f) 相对湿度 60% 和 80% 条件下的相对湿度模拟计算。(g) 相对湿度变化模拟过程。(h) 不同湿度条件下RE cooler全天的重量变化。

图 4. (a) CaCl₂的吸附过程分析及其降温原理。(b) 冷却效果可视化。(c) 有无水分条件下，含与不含CaCl₂水凝胶的温度模拟。(d) 模拟温度变化曲线。(e) 连续三天的湿度变化曲线。(f) 辐射 / 蒸发冷却器（RE cooler）与辐射冷却器（RC cooler）连续三天的温度变化曲线。

图 5. (a) 温度测量装置的模型及示意图。(b) 晴天条件下风速、光密度与冷却效果的对比图。(c) 阴天条件下风速、光密度与冷却效果的对比图。(d) PTFE/PET薄膜的冷却功率。(e) RE cooler的冷却功率。(f) 传热示意图。(g) 热管理的具体应用场景。

图6. (a)不同城市的传统住宅因制冷消耗的能耗与RE冷却器的制冷消耗及RC冷却器的制冷消耗对比。(b) 全国范围内的节能情况。(c) 节能情况。(d) 总节能量和CO₂降低量。

03

研究结论

本研究提出一种可规模化制备的双层辐射 / 蒸发冷却器（RE cooler），通过上层 PTFE/PET 辐射层与下层 PVA/CNFs-CaCl₂吸湿水凝胶的物理隔离设计，实现了辐射冷却与蒸发冷却的高效协同。该冷却器具备优异的光学性能与吸湿冷却能力，太阳反射率达 0.95，8-13μm 大气窗口发射率达 0.97，吸湿量随相对湿度变化从 1.75 g・g⁻¹（40% RH）到 2.5 g・g⁻¹（90% RH），蒸发水占总质量的 31%，冷却容量达 50 kg・m⁻³；下层水凝胶通过夜间吸附大气水分、日间蒸发降温形成自循环水系统，彻底解决了传统蒸发冷却的供水难题，且 PTFE/PET 层的疏水性避免了水分积累对辐射性能的抑制。性能测试表明，与传统辐射冷却装置相比，RE cooler 冷却效果更优且稳定性更强，连续三天测试中温度始终低 5℃以上，晴天可实现低于环境温度 13℃的冷却（较传统 RC 低 8℃），阴天仍能维持低于环境温度 10℃的冷却效果，突破了天气敏感性限制，其白天冷却功率达 313.8 W・m⁻²，是传统 RC 装置的四倍以上。能量估算模型显示，该技术环境友好、零碳排放，单个城市应用后每年可节省 30% 的冷却能耗，减少至少 10 吨 CO₂排放，在电子设备冷却、发热设施降温、户外个人热管理等领域具有广泛应用前景，为规模化、可持续的被动冷却技术发展提供了可靠方案。

原文链接：10.1016/j.nanoen.2026.111699

声明：仅代表作者个人观点，作者科研水平有限，如有不科学之处，请在下方批评指正！！！