RSER綜述：建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的自適應(yīng)輻射制冷：原理、材料、應(yīng)用和展望

在全球建筑能耗占比持續(xù)攀升的背景下，輻射冷卻（RC）的整合已成為實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的極具前景的路徑。然而，傳統(tǒng)RC具有高太陽反射率（Rsol）以及高長(zhǎng)波紅外發(fā)射率（εLWIR）的典型靜態(tài)特性，這往往導(dǎo)致其在寒冷季節(jié)出現(xiàn)過冷現(xiàn)象。這會(huì)帶來額外的供暖負(fù)荷，顯著限制了其全年節(jié)能潛力。為解決這一限制，自適應(yīng)輻射冷卻（SARC）應(yīng)運(yùn)而生。通過利用智能材料對(duì)溫度和陽光等外部刺激的自主響應(yīng)，SARC 實(shí)現(xiàn)了冷卻（高Rsol /高εLWIR）和加熱（低Rsol/εLWIR）或絕緣（低εLWIR）狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)切換。這為全年全天候的建筑熱管理提供了切實(shí)有效的解決方案。本綜述首先比較靜態(tài)輻射冷卻（SRC）與SARC的性能指標(biāo)和光譜特性，建立了下一代智能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略框架。隨后深入探討了SARC材料的基本原理，并根據(jù)兩種主要的適應(yīng)機(jī)制進(jìn)行分類：熱響應(yīng)機(jī)制和光響應(yīng)機(jī)制。這一分類將范圍從熱誘導(dǎo)反應(yīng)擴(kuò)展到包括新型光子誘導(dǎo)的激發(fā)機(jī)制。隨后，概述了屋頂、墻體和窗戶等關(guān)鍵建筑構(gòu)件中的典型集成實(shí)例，以展示其實(shí)際應(yīng)用潛力。最后，本綜述指出了SARC領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并強(qiáng)調(diào)潛在的研究方向，為下一代零能耗智能建筑的發(fā)展提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

圖1 SARC技術(shù)的示意圖總結(jié)

圖2 SARC系統(tǒng)動(dòng)態(tài)制冷機(jī)理與能量交換示意圖

在各類節(jié)能策略中， RC已成為一項(xiàng)具有變革性的綠色技術(shù)。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在強(qiáng)烈的太陽入射輻射（對(duì)應(yīng)~6000 K 黑體溫度）中；然而，受傳統(tǒng)材料光譜特性限制，吸收的熱量無法有效釋放至深空冷源（~3 K）。這種熱失衡會(huì)造成顯著的熱量積聚，凸顯了集成輻射制冷技術(shù)的重要意義。通過大氣透明窗口將熱量向外輻射，輻射制冷可實(shí)現(xiàn)零能耗制冷，為減緩氣候變化提供重要支撐。

早期的研究由被動(dòng)夜間RC逐漸轉(zhuǎn)變至被動(dòng)日間RC，隨后將研究重心聚焦于動(dòng)態(tài)RC。手動(dòng)翻轉(zhuǎn)、電致變色等動(dòng)態(tài)調(diào)制技術(shù)提供了精準(zhǔn)的光譜調(diào)控，但其額外輸入的能耗限制了其在建筑節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用。為破解這一矛盾， SARC近年來應(yīng)運(yùn)而生。SARC 利用智能材料對(duì)環(huán)境刺激（如溫度、光照）的自主響應(yīng)，在輻射制冷模式（高Rsol、高εLWIR）與太陽加熱模式（高Asol、低εLWIR）或隔熱模式（低εLWIR）之間動(dòng)態(tài)切換。這種本征自適應(yīng)能力使建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠兼顧季節(jié)矛盾需求，最大化全年節(jié)能效率與居住舒適度。

過去幾十年間，面向建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的 SARC 材料與結(jié)構(gòu)取得顯著進(jìn)展。目前，研究者已對(duì)熱致變色材料（TM）、熱響應(yīng)折疊材料（TFM）等被動(dòng)動(dòng)態(tài)輻射制冷機(jī)制開展廣泛研究，并在建筑外立面集成方面取得重要突破。盡管已有多篇綜述關(guān)注 SARC 系統(tǒng)（包括智能窗與涂層），現(xiàn)有文獻(xiàn)通常僅針對(duì)單一刺激響應(yīng)（如僅溫度響應(yīng)）或單一建筑構(gòu)件展開，缺乏面向屋頂、墻體、窗戶等整體建筑外立面的系統(tǒng)集成策略綜述。針對(duì)這一空白，本文系統(tǒng)闡述熱響應(yīng)與光響應(yīng)智能材料的調(diào)控機(jī)制，并詳細(xì)介紹其在非透明（屋頂、墻體）與透明（窗戶）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用。作為一項(xiàng)創(chuàng)新性綜述，本文旨在彌合當(dāng)前研究碎片化帶來的認(rèn)知缺口。

主要內(nèi)容：

圖3 集成熱響應(yīng)/光響應(yīng)材料的自適應(yīng)屋頂設(shè)計(jì)：(a)多層熱響應(yīng)自適應(yīng)輻射制冷系統(tǒng)；(b) 受自然界葉片自適應(yīng)展開 / 折疊啟發(fā)的智能熱管理器件；(c) 受含羞草啟發(fā)、由形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的光譜自適應(yīng)結(jié)構(gòu)；(d) 具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的仿生光自適應(yīng)百葉結(jié)構(gòu)

圖4 熱響應(yīng)型SARC涂層設(shè)計(jì)：(a) 摻雜樹脂、玻璃微珠與熱致變色微膠囊的復(fù)合涂層；(b) 受荷葉啟發(fā)、由 P (VDF?HFP)與 SiO2微膠囊構(gòu)成的分級(jí)結(jié)構(gòu)涂層；(c)基于 WxV1-xO2納米陣列、BaF2、熱致變色絕緣體與 Ag 基底的 SARC涂層；(d)由 PE 包覆的 WxV1-xO2、Al 與 PET組成的多層結(jié)構(gòu)

圖5 基于光致發(fā)光材料（PLM）的SARC系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：(a) TiO2/SrAl2O4:Eu2?,Dy3?,Yb3?復(fù)合涂層；(b) 包含空心玻璃微珠、TiO2與 SrAl2O4:Eu2?,Dy3?的系統(tǒng)；(c) 由碳點(diǎn) (CDs)與 PEI/Poly (St-co-BA)@CDs 構(gòu)成的 SARC 涂層；(d) 多種熒光粉組分，包括 (Ba,Sr)2SiO4:Eu (綠色)、Y3(Gd,Al)5O11:Ce（黃色）與 (Sr,Ca) AlSiN3:Eu (紅色)

圖6 基于鈣鈦礦、離子液體、離子凝膠與液晶的智能窗設(shè)計(jì)思路：(a)由 CWO 納米顆粒涂層、玻璃、低輻射層與 MAPbI3-xClx鈣鈦礦組成的多層結(jié)構(gòu)；(b) 含氟化 SiO2納米顆粒超疏水層、PHPS 緩沖層、水合 MAPbI3-xClx鈣鈦礦與玻璃的結(jié)構(gòu)；(c) 基于 [(CnH2n+1)2NSS]@PVP的智能窗；(d) 基于自修復(fù) SPU 的自粘型離子凝膠；(e) 細(xì)菌纖維素/液晶智能熱管理薄膜

圖7 屋頂/墻體集成式SARC系統(tǒng)性能分析：(a) 低溫/低太陽輻照與高溫/高太陽輻照條件下，以太陽反射率Rsol和長(zhǎng)波紅外發(fā)射率 εLWIR為核心的性能數(shù)據(jù)對(duì)比；(b) 對(duì)比熱響應(yīng)/光響應(yīng)折疊材料、熱致變色微膠囊、VO2涂層與相變材料 (PCM) 系統(tǒng)的性能雷達(dá)圖

圖8 與智能窗集成的SARC系統(tǒng)性能分析：(a) 低溫與低太陽輻照條件下，太陽透射率差值 ΔTsol隨可見光透射率Tlum,l的變化關(guān)系；(b) 可見光透射率Tlum與長(zhǎng)波紅外發(fā)射率εLWIR關(guān)系圖，箭頭表示低溫態(tài)向高溫態(tài)的轉(zhuǎn)變，球體大小與 ΔTsol成正比；(c) 低溫與低太陽輻照條件下，太陽透射率Tsol,l與可見光透射率Tlum,l的關(guān)系曲線，斜率定義為品質(zhì)因數(shù) FOMl；(d) 高溫與高太陽輻照條件下，太陽透射率Tsol,h與可見光透射率Tlum,h的關(guān)系曲線，斜率定義為品質(zhì)因數(shù) FOMh

本文對(duì)當(dāng)前的SARC技術(shù)進(jìn)行了全面綜述，強(qiáng)調(diào)了其在推動(dòng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)從靜態(tài)隔熱構(gòu)件向動(dòng)態(tài)零能耗調(diào)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的關(guān)鍵作用。SARC 系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境刺激自主調(diào)節(jié)太陽反射率Rsol與長(zhǎng)波紅外發(fā)射率εLWIR，有效緩解傳統(tǒng)靜態(tài)輻射制冷在低溫、低太陽輻照條件下固有的過冷問題，從而突破了常規(guī)靜態(tài)輻射制冷的核心熱力學(xué)局限。

對(duì)調(diào)控機(jī)制的分析表明，該領(lǐng)域呈現(xiàn)出從單一刺激響應(yīng)向多機(jī)制協(xié)同演進(jìn)的清晰技術(shù)脈絡(luò)。以VO2、水凝膠為代表的熱響應(yīng)體系仍是研究最為廣泛的方向，而光響應(yīng)策略（特別是基于光致發(fā)光材料 PLM 的方案）的出現(xiàn)，為光譜調(diào)控引入了全新的光子激勵(lì)維度。這種從熱場(chǎng)到光場(chǎng)激勵(lì)機(jī)制的拓展，顯著拓寬了下一代自適應(yīng)材料的設(shè)計(jì)空間，使太陽得熱與可見光透過性之間的精準(zhǔn)解耦成為可能。

在建筑集成方面，非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)與透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出截然不同的設(shè)計(jì)策略。對(duì)于屋頂、墻體等非透明構(gòu)件，核心挑戰(zhàn)在于平衡高性能調(diào)控與系統(tǒng)復(fù)雜度。宏觀機(jī)械結(jié)構(gòu)（如熱響應(yīng)折疊材料 TFM、光響應(yīng)折疊材料 PFM）能夠突破材料本征限制，實(shí)現(xiàn)更寬的動(dòng)態(tài)調(diào)控范圍，但其實(shí)際應(yīng)用受限于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與耐久性。相比之下，基于微觀材料的涂層更易于建筑集成與規(guī)模化制備，但目前仍難以實(shí)現(xiàn)寬光譜調(diào)制帶寬。對(duì)于智能窗等透明構(gòu)件，核心挑戰(zhàn)依然是有效解耦透光與得熱。綜述表明，水凝膠在太陽透射率調(diào)控（ΔTsol）方面表現(xiàn)突出，而VO2體系在紅外發(fā)射率調(diào)控（ΔεLWIR）上更具優(yōu)勢(shì)，但目前尚無單一材料能夠同時(shí)滿足高可見光透過率、強(qiáng)太陽輻射調(diào)制與建筑美學(xué)的多重要求。

綜上，本文證實(shí) SARC 技術(shù)已成功從理論概念發(fā)展為功能原型。當(dāng)前該領(lǐng)域已形成多元化技術(shù)格局，評(píng)價(jià)某一 SARC 方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)不再僅僅是峰值制冷功率，更在于其對(duì)當(dāng)?shù)貧夂驐l件的適應(yīng)性，以及在節(jié)能效率與居住者視覺舒適度之間的平衡能力。