双碳背景下，辐射制冷如何重塑节能新范式

原文发表于《科技导报》2026 年第 8期《辐射制冷能否成为“双碳”目标的关键节能技术？》

全球气候变暖导致极端高温天气频发，建筑与设备制冷能耗持续上升，制冷用电已成为电网负荷增长的重要驱动因素之一。辐射制冷作为一种基于地−宇宙红外辐射交换的被动冷却技术，因其无额外能耗、零碳排放的优势而备受关注。《科技导报》邀请上海交通大学高分子科学与工程系、上海市电气绝缘与热老化重点实验室、聚烯烃催化技术与高性能材料全国重点实验室、上海交通大学电气工程学院黄兴溢教授团队撰写文章，基于典型案例与实测数据，分析了辐射制冷在不同气候条件下及应用场景中的适用性与局限性，并探讨了关于光学性能测试、实际降温效果等相关争议。提出未来，辐射制冷的发展需突破单一材料优化的局限，推动跨学科协作。

近年来，全球气候变暖加剧，极端高温天气多发频发，人类社会对制冷的需求显著增长。相关统计显示，全球建筑空调能耗约占年度总用电量的10%。现阶段，碳排放屡创新高，加剧气候变化并形成恶性循环（图1（a））。若不采取有效措施，预计2050年空间冷却能源需求将增长2倍以上，增速远超其他终端用能领域（图1（b））。在全球气候治理关键节点，开发高效且低能耗的新型冷却技术是满足不断增长的冷却需求，推动《巴黎协定》提出的1.5℃全球温升控制目标和“3060”目标的关键举措。

图1 CO2排放变化趋势和建筑冷却能耗增长预测

在这一背景下，辐射制冷被视为潜力突出的新兴技术。它能够依托材料的光学特性，将热量以红外辐射的形式直接散向低温外层空间，实现零能耗的被动冷却。如图2所示，Web of Science数据库中“辐射制冷”主题的论文发表量及被引频次均呈快速增长趋势，且该技术已被公认为最具潜力的被动冷却方案之一。然而，该技术的工程化前景仍面临关键质疑。我们的研究将围绕以下3个核心问题展开讨论：一是辐射制冷在建筑与设备散热中展现出的降温能力如何；二是从实验室材料走向工程应用，最大阻碍不仅在于材料性能本身，还涉及规模化工艺、长期耐候性与成本可控性；三是性能评价方法与测试标准缺失，导致结果可比性差，阻碍技术迭代。通过对典型案例、实际数据和争议观点的梳理，尝试为辐射制冷的发展路径提供跨学科的视角与理性判断。

图2 “辐射制冷”主题论文发表量及被引频次变化趋势

1 辐射制冷基本原理

地表常温物体的辐射峰值位于8~13 μm大气透明窗口波段，该波段辐射可穿透大气层直达温度约3 K的宇宙空间。根据斯特藩−玻尔兹曼定律计算，由于大气向下热辐射的存在，地表物体在环境温度下的辐射冷却功率上限约为150 W·m−2。然而，地表日间太阳辐射（0.25~2.5 μm波段）功率可达1000 W·m−2。这种能量失衡导致无外部能量输入时，大多数物体因吸收太阳辐射而难以维持低于环境温度的稳态。简而言之，在大气透明窗口波段具有高发射率，而在阳光辐射波段具有高反射率是辐射制冷材料实现制冷效果的基本要求。图3展示了地表物体的热辐射传输过程。

图3 地表物体热辐射过程示意

2 辐射制冷在建筑与设备应用中展现出的降温能力

图4统计了近10年发表于《Science》和《Nature》的辐射制冷研究论文的主题，显示出该领域的蓬勃发展。通过分析各类材料的设计原理与性能特征，梳理技术发展路径，评估各类材料的制冷效果。

图4 近10年发表于《Science》和《Nature》的辐射制冷研究论文的主题

2.1 有序结构

除材料固有光学特性外，微纳结构设计可进一步调控光与物质的相互作用，实现宽光谱范围内的精确光学调控。通过优化结构的几何参数（如形状、尺寸及周期），可独立调节材料在不同波段的反射、透射及发射特性，从而同时实现高太阳反射率与高红外发射率。例如，斯坦福大学范汕洄团队于2014年通过多层干涉结构实现了日间辐射制冷。该设计中，多层干涉结构与底部银层的高反射率共同作用，使材料在太阳光谱范围内的反射率提升至97%。

除光谱调控外，高度有序结构还可实现热辐射的角度选择性。考虑到建筑物、车辆及纺织品等实际应用场景中，多数外表面为垂直方向，难以通过红外热发射实现有效冷却，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李炜团队提出了一种分层设计选择性热发射器，其角度不对称特性实现了垂直表面的亚环境日间辐射制冷。

人工智能与机器学习的发展为有序结构辐射制冷材料的设计提供了高效工具，有望成为该领域的未来研究方向。上海交通大学周涵团队提出了一种基于机器学习的优化范式，利用稀疏数据实现多参数协同设计，可生成超宽带或选择性热发射器（图5（a））。该框架的核心包括：（1）构建涵盖三维结构基元及其空间排列的数据库；（2）筛选具有合适带隙、折射率及化学/热稳定性的材料；（3）通过几何与材料组合实现灵活的光谱定制（图5（b））。该研究为三维纳米光子材料的全局优化提供了通用设计方法，通过扩展几何自由度与材料数据库推动了高性能辐射制冷材料的开发。

图5 机器学习辅助辐射制冷材料设计与开发

2.2 随机多孔结构

随机多孔结构不具备有序性，其高阳光反射率的原理是：孔径匹配时，孔隙对阳光产生米氏散射效果，厚度较高且孔隙率较高时，随机多孔结构可有效阻挡阳光透过。

由于随机多孔结构不具有波段或角度选择性的发射特性，其红外发射光谱取决于基体材料。例如，哥伦比亚大学杨远团队采用相反转法制备分层多孔聚合物。干燥过程中，丙酮快速挥发导致 P（VdF−HFP）发生相分离，最终形成随机多孔薄膜或涂层（图6（a））。此外，该方法兼容刷涂、浸涂、喷涂等工艺，适用于多种基底，并具备优异的耐候性。

香港城市大学曹之胤团队受白金龟甲虫（Cyphochilus）鳞片结构启发，采用烧结工艺制备多孔氧化铝辐射制冷陶瓷（图6（b））。氧化铝具有较高折射率及宽带隙，在太阳波段吸收率低，并能与孔隙产生强散射效应。同时，Al—O化学键的振动模式使其在大气透明窗口内形成高消光峰。这类材料更适用于建筑、仓储等领域。

图6 随机多孔结构辐射制冷材料

2.3 复合材料体系

通过在基体中引入尺寸与形态适宜的无机介电颗粒，可构建具有随机结构的复合材料。该类材料凭借丰富的介电颗粒−聚合物界面，能够对太阳光产生显著的米氏散射效应。

科罗拉多大学博尔德分校尹晓波团队采用微米级SiO2球体随机分散于聚甲基戊烯（TPX）基体的方法，成功制备出具有辐射制冷功能的复合材料（图7（a））。

实现复合材料辐射制冷性能的关键在于无机介电颗粒的选择。为实现高太阳光反射率，应优先选择具有高折射率与宽带隙特性的颗粒（图7（a））。上海交通大学李鹏里等研究表明，将六方氮化硼（h−BN）随机分散于硅橡胶聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体中时，h−BN凭借其高折射率与独特的二维结构，可产生更强的后向散射效应，使复合材料实现98%的太阳光反射率（图7（b））。

除聚合物外，部分无机材料也可作为复合材料的基体。马里兰大学胡良兵团队采用低熔点磷酸盐玻璃颗粒（多种介电氧化物的共晶混合物）作为冷却涂层基体，并以Al2O3颗粒作为散射体（图7（c））。其太阳反射率可达96.1%，同时展现出优于传统聚合物复合材料的环境稳定性。

图7 辐射制冷复合材料

2.4 混合式被动散热材料

吸附式蒸发冷却技术利用水的高蒸发焓（约2400 kJ·kg−1），在可持续热管理领域展现出显著优势。混合被动冷却技术通过协同辐射冷却与蒸发冷却效应，实现了高效的零能耗散热，既能有效抑制太阳辐射加热，又可利用蒸发与热辐射双重机制强化散热。上海交通大学刘翔宇等采用静电纺丝技术将金属有机框架MOF−801（Zr）与聚偏氟乙烯复合，制备出具有混合散热功能的织物（图8（a））。MOF−801（Zr）不仅能够吸附大气水分并通过脱附过程实现蒸发冷却，还具有较低的太阳辐射吸收率。

新加坡南洋理工大学李红团队开发了一种基于水泥−无机介电颗粒−吸湿盐体系的混合散热涂料（图8（b））。该体系以水泥为基体，通过水化反应固定硫酸钡颗粒和氯化锂，形成稳定的涂层材料。

图8 混合式被动散热材料

3 从实验室走向工程应用

辐射制冷材料的研究已经从单纯关注实验室降温性能，逐渐转向针对具体场景的工程化验证。工程应用更强调成本可控、耐候性、系统兼容性以及实际节能效益。本章讨论辐射制冷材料的优势、局限和当前行业痛点，并进一步拓展至生态保护与农业增产等新兴应用领域，以展示辐射制冷在工程化转化中的多样化前景（图9）。

图9 辐射制冷材料的应用领域

3.1 建筑节能

将辐射制冷材料应用于建筑外表面，可有效反射太阳辐射并增强热辐射散热，从而降低室内温度，减少空调制冷能耗。例如，香港城市大学曹之胤团队开发的多孔陶瓷材料应用于建筑屋顶时，可使屋顶表面温度较商用瓦屋顶降低近5℃，进而使室内温度最高下降2.5℃。尽管建筑节能仍是最具规模化潜力的应用场景，但其工程化收益与环境条件强相关，当前宣传中存在一定“理想化”的成分。

3.2 设备散热

输变电设备、储能系统、电气柜等广泛存在局部过热问题，导致绝缘老化、能效下降甚至故障停运。辐射制冷材料可直接使用在设备外壳，有效降低自发热设备的工作温度，避免因高温导致的性能下降或安全隐患。例如，上海交通大学刘翔宇等开发的混合散热材料应用于油浸式变压器表面时，可使油温降低15℃以上。

目前，适用于电力设备的辐射制冷体系较少，其原因可能包括：（1）用于电力设备的材料普遍需要长时间可行性验证；（2）辐射制冷材料与电力设备表面的结合性研究较少，对各种复杂表面未得到系统性验证。

3.3 其他应用

在人体热管理领域，理想的辐射制冷材料需具备定制化的发射率。清华大学张如范团队开发的聚甲醛（POM）纳米纺织品在2.5~25 μm宽红外波段内精准匹配人体热管理需求，其室外与室内应用场景下拥有优于传统织物的降温效果。

光伏电池降温是另一重要应用方向。适用于光伏的辐射制冷材料需满足3重光谱特性：（1）在0.4~1.1 μm光电转换波段保持高透射率；（2）在1.1~2.5 μm近红外波段实现高反射率以减少发热；（3）在8~13 μm大气透明窗口具备高发射率以强化辐射散热。此外，材料还需兼具耐候性与疏水性以保护光伏组件。

有效的热管理对于卫星、航天器、望远镜或探测器等太空应用至关重要。上海交通大学范同祥团队开发了新型聚酰亚胺分子，显著降低了可见光和紫外线的吸收，同时在红外光谱中保持了优异的热辐射性能。太空应用对材料提出严苛要求，需同时应对太阳辐照、原子氧侵蚀及极端温度波动等挑战。

基于吸附的大气集水（SAWH）技术能够在很宽的相对湿度范围内使用吸附剂材料提取水蒸气，为解决世界上2/3人口面临的水资源短缺问题开辟了新途径。上海交通大学李廷贤团队提出利用白天的辐射冷却来降低SAWH装置的水冷凝温度，从而增强吸附剂中的水释放和水冷凝。利用夜间辐射冷却来冷却吸附剂或实现基于露水的直接大气水收集。

近年来，辐射制冷技术开始在生态保护与农业领域展现潜力。例如，南京大学朱嘉团队开发了基于丰富且环保的醋酸纤维素分子的分层设计辐射冷却膜，可在阳光下为各种形式/规模的冰提供有效和被动的保护。团队在实地使用该材料，证明了辐射冷却膜可以有效减缓冰川融化。该团队还开发了一种光合作用活性辐射冷却薄膜，可通过辐射制冷降低环境空气温度，减少水分蒸发，并选择性透过具有光合作用活性的阳光，增强干旱植物的光合作用。

辐射制冷技术从实验室迈向工程应用仍存在多重挑战。目前研究主要集中在材料验证阶段，示范场景与实际需求存在明显脱节。此外，技术路径的冲突进一步制约了该技术的推广。

材料成本与性能的矛盾仍是辐射制冷规模化应用的核心障碍。此外，辐射制冷的美观性问题也限制了其实际应用。大面积铺设白色高反射涂层易引发视觉与光污染争议；彩色辐射制冷方案在可见−近红外波段的选择性调控效率较低，难以同时优化色度与制冷性能，故仍处于实验室探索阶段，短期内无法替代传统白色材料。

4 辐射制冷材料测试标准

辐射制冷材料的性能评价目前主要依赖于实验室或小规模户外测试，缺乏统一的测试标准，导致不同研究的数据可比性较差。一方面，不同研究团队的测试条件存在显著差异，这些因素会显著影响材料在实际应用中的降温效果。另一方面，测量方法的不一致性进一步加剧了数据不可比的问题。此外，当前研究中大部分辐射制冷材料未表征附着力、耐腐蚀、耐老化等实用指标，或表征手段未遵循现有国际、国内标准。这种标准缺失不仅导致研究成果呈现碎片化，也在工程化推广中造成困扰，甚至可能引发过度宣传。

当前，一些工作已聚集于辐射制冷测试标准的讨论。上海交通大学鲍华团队概述了评估冷却性能测量的一般考虑因素，包括光学表征和户外热测量，提供了关于正确报告测量设置和结果的指导方针。为推动辐射制冷技术的规模化应用，亟需建立跨学科、跨机构的标准评价体系，包括统一的测试场景要求、标准参考材料以及长期稳定性评估等关键要素。

5 结论与展望

我们围绕辐射制冷技术的3个核心问题展开讨论：（1）其在建筑与设备散热中的实际降温能力；（2）从实验室材料迈向工程应用的转化路径；（3）性能评价方法与测试标准。现就上述问题总结如下。

1）实际工程效益评估需审慎，降温能力受环境制约显著。实际应用中，复杂的外部对流与辐射热交换将削弱其降温效果，导致实际降温能力低于实验室测试值。因此，当前辐射制冷技术的实际工程效益可能存在被高估的风险。

2）实验室研究迈向产业化面临多重障碍。首先，现有研究对材料关键实用性能关注不足；其次，现有示范场景与实际工程需求存在脱节；最后，材料成本与性能之间的矛盾是制约其规模化应用的核心瓶颈。

3）标准化体系缺位制约市场推广。目前，辐射制冷领域尚缺乏统一的标准化体系，致使产品开发与推广中缺乏客观评价依据，也难以获得市场与投资者的充分认可。

综上所述，评估辐射制冷技术在“双碳”目标下的定位需权衡其潜力与约束。一方面，该技术在建筑节能、光伏降温和能源设备散热等高能耗场景中具有明确的节能效益，为建筑与能源系统的低碳化提供了新的技术路径。另一方面，其工程化应用仍受制于环境依赖性强、耐候性不足、标准体系缺位以及材料成本尚未稳定等因素，短期内难以完全承担“关键节能技术”的角色。为促进该技术的持续发展，未来主要研究方向应包括以下4个方面。

1）开发低成本、环保的制造工艺是实现辐射制冷材料从实验室向规模化转移的关键。

2）在性能优化方面，为进一步提升冷却效率，可采用气凝胶等隔热材料减少非辐射热交换，并结合蒸发冷却技术以应对非理想环境或自发热场景的挑战。

3）辐射制冷材料的实际应用需考虑与其他系统（如建筑、太阳能电池等）的集成和兼容性。

4）开发适用于不同季节和区域的动态可调辐射冷却器。

本文作者：刘翔宇、李鹏里、黄兴溢

作者简介：刘翔宇，上海交通大学高分子科学与工程系、上海市电气绝缘与热老化重点实验室、聚烯烃催化技术与高性能材料全国重点实验室，博士研究生，研究方向为被动散热材料；黄兴溢（通信作者），上海交通大学高分子科学与工程系、上海市电气绝缘与热老化重点实验室、聚烯烃催化技术与高性能材料全国重点实验室、上海交通大学电气工程学院，教授，研究方向为先进电工材料。

文章来 源 ： 刘翔宇, 李鹏里, 黄兴溢. 辐射制冷能否成为“双碳”目标的关键节能技术？[J]. 科技导报, 2026, 44(8): 34−45.

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