RSER综述：建筑围护结构中的自适应辐射制冷：原理、材料、应用和展望

在全球建筑能耗占比持续攀升的背景下，辐射冷却（RC）的整合已成为实现建筑节能的极具前景的路径。然而，传统RC具有高太阳反射率（Rsol）以及高长波红外发射率（εLWIR）的典型静态特性，这往往导致其在寒冷季节出现过冷现象。这会带来额外的供暖负荷，显著限制了其全年节能潜力。为解决这一限制，自适应辐射冷却（SARC）应运而生。通过利用智能材料对温度和阳光等外部刺激的自主响应，SARC 实现了冷却（高Rsol /高εLWIR）和加热（低Rsol/εLWIR）或绝缘（低εLWIR）状态之间的动态切换。这为全年全天候的建筑热管理提供了切实有效的解决方案。本综述首先比较静态辐射冷却（SRC）与SARC的性能指标和光谱特性，建立了下一代智能建筑围护结构的战略框架。随后深入探讨了SARC材料的基本原理，并根据两种主要的适应机制进行分类：热响应机制和光响应机制。这一分类将范围从热诱导反应扩展到包括新型光子诱导的激发机制。随后，概述了屋顶、墙体和窗户等关键建筑构件中的典型集成实例，以展示其实际应用潜力。最后，本综述指出了SARC领域面临的关键挑战，并强调潜在的研究方向，为下一代零能耗智能建筑的发展提供理论指导和技术支持。

图1 SARC技术的示意图总结

图2 SARC系统动态制冷机理与能量交换示意图

在各类节能策略中， RC已成为一项具有变革性的绿色技术。建筑围护结构长期暴露在强烈的太阳入射辐射（对应~6000 K 黑体温度）中；然而，受传统材料光谱特性限制，吸收的热量无法有效释放至深空冷源（~3 K）。这种热失衡会造成显著的热量积聚，凸显了集成辐射制冷技术的重要意义。通过大气透明窗口将热量向外辐射，辐射制冷可实现零能耗制冷，为减缓气候变化提供重要支撑。

早期的研究由被动夜间RC逐渐转变至被动日间RC，随后将研究重心聚焦于动态RC。手动翻转、电致变色等动态调制技术提供了精准的光谱调控，但其额外输入的能耗限制了其在建筑节能领域中的应用。为破解这一矛盾， SARC近年来应运而生。SARC 利用智能材料对环境刺激（如温度、光照）的自主响应，在辐射制冷模式（高Rsol、高εLWIR）与太阳加热模式（高Asol、低εLWIR）或隔热模式（低εLWIR）之间动态切换。这种本征自适应能力使建筑围护结构能够兼顾季节矛盾需求，最大化全年节能效率与居住舒适度。

过去几十年间，面向建筑围护结构的 SARC 材料与结构取得显著进展。目前，研究者已对热致变色材料（TM）、热响应折叠材料（TFM）等被动动态辐射制冷机制开展广泛研究，并在建筑外立面集成方面取得重要突破。尽管已有多篇综述关注 SARC 系统（包括智能窗与涂层），现有文献通常仅针对单一刺激响应（如仅温度响应）或单一建筑构件展开，缺乏面向屋顶、墙体、窗户等整体建筑外立面的系统集成策略综述。针对这一空白，本文系统阐述热响应与光响应智能材料的调控机制，并详细介绍其在非透明（屋顶、墙体）与透明（窗户）建筑围护结构中的具体应用。作为一项创新性综述，本文旨在弥合当前研究碎片化带来的认知缺口。

主要内容：

图3 集成热响应/光响应材料的自适应屋顶设计：(a)多层热响应自适应辐射制冷系统；(b) 受自然界叶片自适应展开 / 折叠启发的智能热管理器件；(c) 受含羞草启发、由形状记忆合金驱动的光谱自适应结构；(d) 具有分级结构的仿生光自适应百叶结构

图4 热响应型SARC涂层设计：(a) 掺杂树脂、玻璃微珠与热致变色微胶囊的复合涂层；(b) 受荷叶启发、由 P (VDF‑HFP)与 SiO2微胶囊构成的分级结构涂层；(c)基于 WxV1-xO2纳米阵列、BaF2、热致变色绝缘体与 Ag 基底的 SARC涂层；(d)由 PE 包覆的 WxV1-xO2、Al 与 PET组成的多层结构

图5 基于光致发光材料（PLM）的SARC系统设计思路：(a) TiO2/SrAl2O4:Eu2⁺,Dy3⁺,Yb3⁺复合涂层；(b) 包含空心玻璃微珠、TiO2与 SrAl2O4:Eu2⁺,Dy3⁺的系统；(c) 由碳点 (CDs)与 PEI/Poly (St-co-BA)@CDs 构成的 SARC 涂层；(d) 多种荧光粉组分，包括 (Ba,Sr)2SiO4:Eu (绿色)、Y3(Gd,Al)5O11:Ce（黄色）与 (Sr,Ca) AlSiN3:Eu (红色)

图6 基于钙钛矿、离子液体、离子凝胶与液晶的智能窗设计思路：(a)由 CWO 纳米颗粒涂层、玻璃、低辐射层与 MAPbI3-xClx钙钛矿组成的多层结构；(b) 含氟化 SiO2纳米颗粒超疏水层、PHPS 缓冲层、水合 MAPbI3-xClx钙钛矿与玻璃的结构；(c) 基于 [(CnH2n+1)2NSS]@PVP的智能窗；(d) 基于自修复 SPU 的自粘型离子凝胶；(e) 细菌纤维素/液晶智能热管理薄膜

图7 屋顶/墙体集成式SARC系统性能分析：(a) 低温/低太阳辐照与高温/高太阳辐照条件下，以太阳反射率Rsol和长波红外发射率 εLWIR为核心的性能数据对比；(b) 对比热响应/光响应折叠材料、热致变色微胶囊、VO2涂层与相变材料 (PCM) 系统的性能雷达图

图8 与智能窗集成的SARC系统性能分析：(a) 低温与低太阳辐照条件下，太阳透射率差值 ΔTsol随可见光透射率Tlum,l的变化关系；(b) 可见光透射率Tlum与长波红外发射率εLWIR关系图，箭头表示低温态向高温态的转变，球体大小与 ΔTsol成正比；(c) 低温与低太阳辐照条件下，太阳透射率Tsol,l与可见光透射率Tlum,l的关系曲线，斜率定义为品质因数 FOMl；(d) 高温与高太阳辐照条件下，太阳透射率Tsol,h与可见光透射率Tlum,h的关系曲线，斜率定义为品质因数 FOMh

本文对当前的SARC技术进行了全面综述，强调了其在推动建筑围护结构从静态隔热构件向动态零能耗调控系统转变过程中的关键作用。SARC 系统能够根据环境刺激自主调节太阳反射率Rsol与长波红外发射率εLWIR，有效缓解传统静态辐射制冷在低温、低太阳辐照条件下固有的过冷问题，从而突破了常规静态辐射制冷的核心热力学局限。

对调控机制的分析表明，该领域呈现出从单一刺激响应向多机制协同演进的清晰技术脉络。以VO2、水凝胶为代表的热响应体系仍是研究最为广泛的方向，而光响应策略（特别是基于光致发光材料 PLM 的方案）的出现，为光谱调控引入了全新的光子激励维度。这种从热场到光场激励机制的拓展，显著拓宽了下一代自适应材料的设计空间，使太阳得热与可见光透过性之间的精准解耦成为可能。

在建筑集成方面，非透明围护结构与透明围护结构呈现出截然不同的设计策略。对于屋顶、墙体等非透明构件，核心挑战在于平衡高性能调控与系统复杂度。宏观机械结构（如热响应折叠材料 TFM、光响应折叠材料 PFM）能够突破材料本征限制，实现更宽的动态调控范围，但其实际应用受限于结构复杂性与耐久性。相比之下，基于微观材料的涂层更易于建筑集成与规模化制备，但目前仍难以实现宽光谱调制带宽。对于智能窗等透明构件，核心挑战依然是有效解耦透光与得热。综述表明，水凝胶在太阳透射率调控（ΔTsol）方面表现突出，而VO2体系在红外发射率调控（ΔεLWIR）上更具优势，但目前尚无单一材料能够同时满足高可见光透过率、强太阳辐射调制与建筑美学的多重要求。

综上，本文证实 SARC 技术已成功从理论概念发展为功能原型。当前该领域已形成多元化技术格局，评价某一 SARC 方案优劣的标准不再仅仅是峰值制冷功率，更在于其对当地气候条件的适应性，以及在节能效率与居住者视觉舒适度之间的平衡能力。