文献快讯：Adv. Mater. 多刺激响应智能屋顶：同时感知温度、湿度和阳光，实现全年热舒适与节能50%

【成果掠影 & 研究背景】

全球建筑部门的供暖与制冷能耗占比超过50%，而可再生能源贡献仅17%。利用太阳能和太空冷源是实现绿色供暖与制冷的理想途径。现有静态太阳能吸收体或辐射冷却体虽各有优势，但无法根据季节和昼夜变化切换工作模式，在需要供暖和制冷并存的气候区反而可能增加总能耗。更为关键的是，人体热舒适不仅仅取决于空气温度，还受到湿度、太阳辐照等多种因素影响，而当前的自适应热调节设计几乎只响应温度单一变量，难以真正实现全年人体热舒适。

针对这一缺口，香港科技大学、浙江大学、香港城市大学等机构的研究团队提出了一种以热舒适为导向的多刺激响应热调节器。该设备由Janus致动器阵列（一面为Ti₃C₂Tₓ/纤维素纳米纤维制成的选择性太阳吸收体SSA，另一面为多孔尼龙6/PTFE制成的被动辐射冷却体PRC）和多孔PES/TiO₂/Al₂O₃冷却基底构成。致动器能同时感知环境温度、相对湿度和太阳辐照度并自动弯曲，从而无级调节热输出，加热功率最高可达824 W/m²，冷却功率可达-114 W/m²。在冬季户外现场测试中，装有该屋顶的模型房在白天可维持6小时零能耗热舒适（室内温度稳定在25°C±2°C，PMV在-0.5~0.5之间），而对照的纯SSA房出现过热（PMV>1.7），纯PRC房则过冷（PMV<-1.2）。模拟结果表明，在全球20个代表城市中，该自适应屋顶的全年平均PMV偏差最小，相比标准屋顶可节省15%-50%的建筑能耗。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 首次提出以人体热舒适（PMV）为目标的多刺激响应设计范式，设备同时感知温度、湿度和太阳辐照三种环境参数并做出连续调节，克服了以往仅响应温度的局限性。

• 设计了Ti₃C₂Tₓ/CNF复合材料作为SSA侧，具有高太阳吸收率（85%）和低红外发射率（19%），结合CNF的吸湿膨胀性使致动器获得湿度响应能力，同时CNF的加入还提高了SSA与尼龙基底间的粘附力（从1B提升至4B）和整体机械强度（42 MPa）。

• 利用双层材料的热膨胀系数差异和湿度膨胀差异实现弯曲驱动，建立了包含热应变和湿应变的解析模型（Duhamel-Neumann关系），可精确预测不同温度、湿度下的弯曲角度，为致动器设计提供了理论指导。

• 设备表现出优异的户外耐久性：在9 m/s风速下弯曲角度变化仅13°，经受10,000次机械弯曲循环、96小时水浸泡和相当于3个月的紫外线照射后，光学性能和弯曲行为几乎不变，满足实际应用需求。

• 现场测试验证了设备对单一变量（太阳辐照、湿度）的灵敏响应，以及在真实气候条件下的昼夜和季节适应性：夏季白天屋顶温度远低于SSA房，冬季白天可维持6小时热舒适，全天的室温距舒适温度偏差比SSA房和PRC房分别低1.5°C和1.9°C。

• 建筑能耗模拟表明，在亚热带和温带气候区（如北京、上海、纽约等），该设备相比传统混凝土屋顶、SSA屋顶和PRC屋顶可节约15%-50%的年度供暖制冷能耗，且优于单纯温敏型的T-adaptive系统，显示出广泛的气候适用性。

  
  

  图1. 自适应设备在全球范围内缓解建筑供暖与制冷需求的潜力。(a) 全球供暖与制冷需求及人口密度地图。(b) 用于热舒适的多刺激响应屋顶示意图。(c) 在20个代表城市中，M-adaptive、T-adaptive、PRC和SSA系统在无主动暖通空调条件下的平均PMV偏差。

  
  

  图2. 自适应设备的概念验证。(a) 辐射加热模式：低发射率SSA面朝上。(b) 太阳能加热模式：SSA面暴露于阳光。(c) 辐射冷却模式：Janus致动器完全弯曲，高发射率PRC面朝上。(d) Janus致动器分层结构示意图（Ti₃C₂Tₓ-CNF复合层、尼龙6膜、PTFE膜）。(e) 制备的Janus致动器截面SEM图像。(f) 冷却基底（蜂窝状多孔PES负载TiO₂和Al₂O₃）的截面SEM图像。(g) 致动器的SSA侧和尼龙6侧以及冷却基底的实测吸收率/发射率光谱。(h) 设备在SSA模式和PRC模式下净热流随温度的变化（环境温度25°C）。

  
  

  图3. 热调节器的机械与耐久性能。(a) 尼龙6膜和Janus致动器的拉伸应力-应变曲线。(b) 不同风速下致动器弯曲角度变化。(c) 交叉划格法粘附测试示意图及Ti₃C₂Tₓ/尼龙和Ti₃C₂Tₓ-CNF/尼龙致动器的测试结果。(d) 经过10,000次弯曲循环后的太阳吸收率、热发射率和弯曲角度。(e) 经过96小时水浸泡后的太阳吸收率、热发射率和弯曲角度。(f) 经过3个月紫外线照射后的太阳吸收率、热发射率和弯曲角度。

  
  

  图4. 对多种气象变量的响应。(a) 不同CNF含量的Ti₃C₂Tₓ-CNF/尼龙Janus致动器在不同空气温度下的弯曲角度。(b) 对温度变化的弯曲变形示意图。(c) 不同CNF含量的致动器在不同太阳辐照度下的弯曲角度（环境温度0°C，RH 90%）。(d) 不同CNF含量的致动器在不同相对湿度下的弯曲角度。(e) Ti₃C₂Tₓ-CNF/尼龙致动器在不同湿度和温度下的弯曲角度。(f) 双层结构弯曲行为示意图。

  
  

图5. 装有自适应或非自适应（SSA或PRC）屋顶的模型房现场测试。(a) 三栋模型房与气象站的现场照片。(b) 三栋模型房屋顶俯视照片（SSA房、自适应房、PRC房）。(c) 模型房结构及热电偶布置示意。(d) 2022年12月25日香港24小时房间温度及太阳辐照曲线（插图为自适应屋顶不同时刻弯曲状态照片）。(e) 2022年12月25日三种房屋内PMV对比。(f) 2024年8月5日香港24小时房间温度及太阳辐照曲线。(g) 夜间、白天和全天|T_room-25|对比。(h) 用于节能分析的城市全球分布。(i) 自适应屋顶在不同城市相比混凝土、PRC、SSA屋顶的年节能比例。

【总结 & 原文链接】

本研究展示了一种大面积自适应的太阳能-辐射热调节器，它由Janus致动器阵列和高效冷却基底组成。每个致动器的一面是Ti₃C₂Tₓ/CNF复合材料（SSA面，用于太阳加热），另一面是尼龙6/PTFE多孔膜（PRC面，用于辐射冷却），能够同时感知环境温度、相对湿度和太阳辐照度的变化，通过自动弯曲实现加热与冷却模式之间的无级调节。该设备具有优良的机械强度（42 MPa）、抗风能力（9 m/s下弯曲角波动仅13°）、优越的粘附性（4B级）以及出色的长期耐久性（10,000次弯曲、96小时水浸、3个月紫外照射后性能不变）。现场测试证实，在典型的冬季白天，自适应屋顶可使室内温度稳定在25°C左右长达6小时，PMV维持在人热舒适区间（-0.5至0.5），无需任何主动能耗；夏季则有效避免过热。建筑能耗模拟表明，在亚热带和温带地区，该设备相比传统屋顶可节省15%-50%的供暖制冷能耗，显著优于静态SSA、PRC以及仅温敏的T-adaptive系统。这种多刺激响应的设计范式为绿色建筑、智能纺织品、动态太阳能储存、智能温室以及动态红外伪装等领域提供了新的可能。

原文链接: https://doi.org/10.1002/adma.2026073195

声明：以上内容仅反映作者个人见解，鉴于作者学识所限，若存有不严谨之处，请后台留言指正！

热忱欢迎各位学术界同仁分享或提交关于光-热-电能源利用、表界面化学的相关资讯、研究成果及文章，携手共促领域的繁荣前行：grdn_connect@163.com (推广合作同号)