香港城市大学曹之胤/西安交通大学何雅玲EES：红外透明辐射制冷气凝胶解耦太阳反射与红外热发射，实现深度亚环境辐射制冷

随着全球气候变暖与建筑空调能耗的快速增长，被动辐射制冷技术通过反射太阳光、并向寒冷外太空发射热辐射，有望大幅降低建筑制冷能耗。然而，现有日间亚环境辐射制冷（Subambient Daytime Radiative Cooling, SDRC）材料将高太阳反射与高热发射耦合于同一裸露表面，表面一旦低于环境温度，对流等寄生热增益便会大幅限制其制冷潜力。针对这一难题，香港城市大学曹之胤教授团队联合西安交通大学何雅玲院士团队，开发出一种“视觉白色但红外透明”的气凝胶（visually white yet infrared-transparent aerogel, WITA），通过将太阳反射、隔热与热发射在空间上解耦，让普通建筑表面即可实现超越现有SDRC材料的深度亚环境降温：大气窗口红外透过率高达94.5%、热导率低于0.035 W·m⁻¹·K⁻¹；户外实测中，WITA可让普通屋顶实现超越SDRC材料的亚环境降温，并使SDRC材料的降温幅度再提升最高5.2 ℃；建筑能耗模拟显示，在炎热气候下WITA可将SDRC屋顶的年制冷节能提升约55%。该气凝胶还兼具疏水自清洁、耐紫外老化、阻燃与多彩外观等特性，展现出广阔的规模化建筑应用前景。

相关研究成果以“Decoupling solar reflection and thermal emission enables deep subambient radiative cooling for building energy savings”为题，发表于《Energy & Environmental Science》。香港城市大学曹之胤讲座教授、林凯昕研究助理教授与西安交通大学何雅玲院士为共同通讯作者，香港城市大学王文奇博士与付洋博士（现东南大学研究员）为共同第一作者。此外，香港城市大学、东南大学与西安交通大学的多位研究人员也参与了该工作。

【背景】被动辐射制冷与“寄生热”难题

被动辐射制冷通过大气透明窗口（8-13 µm）将建筑表面的热量以热辐射形式直接排放到寒冷的外太空，无需任何能源输入，在未来建筑节能中极具应用前景。自2014年以来，SDRC材料快速发展，最先进材料的太阳反射率与红外发射率已分别达到99.6%和96.5%。然而，现有SDRC材料将“太阳光反射”与“红外热辐射”耦合在同一个裸露表面上：当表面被冷却至环境温度以下，环境热空气会持续向表面注入热量，形成寄生热增益。以香港为例（典型湿热气候，年均风速约3.1 m/s），寄生热增益超过70 W/m²，接近理想SDRC理论净制冷功率（约150 W/m²）的一半。抑制寄生热增益，成为释放被动辐射制冷潜力的关键。传统解决方案中，刚性中红外透明窗口（如ZnSe、ZnS、BaF₂）配合真空间隙几乎可消除对流，但成本高昂（直径200 mm、厚10 mm的ZnSe玻璃售价超过9000美元），难以用于大面积建筑；聚乙烯（PE）薄膜成本低，但主要只能抑制风致强制对流，还需维持空气间隙，长期安装复杂。亟需一种更集成、更实用的解决方案。

图1 WITA设计理念及与现有SDRC屋顶和传统屋顶的对比

【研究思路】“白色但红外透明”气凝胶解耦太阳反射与红外热发射

针对上述难题，团队提出白色红外透明气凝胶（WITA）方案，将太阳反射与红外热发射在空间上解耦：WITA覆盖在建筑表面或SDRC材料之上，其多孔结构既反射太阳光、又作为隔热层抑制寄生热增益，同时允许底层表面辐射的热量穿过气凝胶发射到外太空。设计上，WITA引入尺寸与太阳光波长相当的微米级孔隙，通过Mie散射增强太阳反射；孔隙尺寸远小于中红外波长、散射微弱，从而保持红外透明；高孔隙率（>90%）则带来极低热导率。在红外透明候选材料（ZnS、BaF₂、PE）中，团队选择本征热导率最低的聚乙烯（PE）作为基体，并开发出简化的“一步溶剂置换”制备工艺：以石蜡（熔点48-55 ℃）为稀释剂，在150 ℃下熔融分散超高分子量聚乙烯（UHMWPE）；冰水浴冷却使UHMWPE与石蜡发生热致相分离（TIPS），形成多孔UHMWPE网络；随后用环己烷一步溶解去除石蜡，再经冷冻干燥升华环己烷，即可获得富含微米级空气孔隙的WITA。由于石蜡在常温下为固态，残留石蜡易于观察，可方便地验证溶剂置换是否彻底。得益于超长分子链的高缠结密度，WITA柔软可弯曲，并可切割成各种形状。系统表征表明：随UHMWPE含量在0.4-1 wt%内变化，WITA太阳反射率从92.3%增至96.6%，6.5 mm厚度下大气窗口透过率从94.5%降至74.8%，所有样品热导率均低于0.035 W·m⁻¹·K⁻¹。值得注意的是，大量亚微米小孔赋予材料强烈的紫外反射，预示其优异的抗紫外老化能力。

图2 WITA的一步溶剂置换制备与光学、热学表征

【多尺度模型】光-热跨尺度模型指导浓度-厚度协同优化

由于UHMWPE浓度以不同趋势影响太阳反射率、热导率与红外透过率，且厚度同样耦合影响隔热能力与红外透过，WITA的优化是一个多参数问题，而非单一性能的取舍。为此，团队建立了跨尺度光学-热学模型：在微米尺度，将不规则多孔结构均质化为等效规则结构，结合UHMWPE本征光学性质，用Mie理论计算散射与吸收特性；在毫米尺度，将上述特性代入蒙特卡洛光线追踪模型计算红外透过率（与实验测量吻合良好）；在米尺度，依据比尔-朗伯定律将红外透过率折算为等效吸收系数，代入传热模型预测亚环境制冷性能，预测温度与实测结果一致。基于该模型，团队系统绘制了厚度（2-20 mm）与UHMWPE含量对制冷性能的联合影响图谱：白天随厚度增大，制冷性能先升后降——厚度增加先强化隔热、抑制寄生热增益，过厚则显著削弱红外透过率，最优厚度因此出现在8-16 mm区间；夜晚无太阳辐照时，更厚的WITA单调提升制冷性能。这一最优设计规律在湿热（香港）与干热（吐鲁番）气候中保持一致，说明最优厚度与配方不依赖于特定气候，而是一条普适的设计准则。进一步选取典型炎热气候城市的最热日进行评估，在10 mm厚度、1 wt% UHMWPE配方下，WITA在全部气候中均实现了优于SDRC材料的亚环境温降，且在干燥气候下优势更为显著。

图3 多尺度光-热模型与WITA的优化设计指导

【户外实测与全年节能评估】72小时实测验证，年制冷节能提升约55%

在香港的户外实验中，团队首先用三个屋顶模型（传统屋顶、SDRC涂层屋顶、WITA覆盖屋顶）进行红外热像对比，WITA屋顶表面温度最低。随后开展72小时连续户外监测：在太阳辐照超过750 W/m²的强日照下，普通商用白色涂层（CW）表面温度高于环境3.7 ℃，覆盖WITA后（WITA-CW）降至环境以下3.6 ℃，改善幅度达7.3 ℃；对于高性能的SDRC涂层，仅实现1.1 ℃亚环境降温，覆盖WITA后达到3.8 ℃，再提升2.7 ℃。72小时内，SDRC、WITA-CW与WITA-SDRC的平均/最大亚环境温降分别为2.4/5.7 ℃、4.0/7.2 ℃与3.9/7.8 ℃。由于WITA同时抑制强制对流与自然对流，其效果优于PE薄膜覆盖方案。更重要的是，WITA的降温优势在强风下依然保持：香港风速高达4.2 m/s的实测中，WITA覆盖的SDRC实现最大9.4 ℃亚环境温降，较SDRC再提升5.2 ℃。为验证气候普适性，团队还在极端干热的阿布扎比进行了32小时连续监测：上午9-11时，WITA覆盖的SDRC平均亚环境温降达5 ℃，SDRC仅为2 ℃。建筑能耗模拟进一步表明：在炎热气候城市，SDRC屋顶较传统屋顶可显著降低年能耗，WITA屋顶则在此基础上进一步降低；以阿布扎比为例，SDRC屋顶较传统屋顶年节电14.6 GJ，WITA屋顶可再额外节约8 GJ，将SDRC的年制冷节能提升约55%。

图4 户外制冷性能实测与建筑节能潜力分析

【多功能性与耐久性】耐候、阻燃、疏水与多彩外观

面向实际建筑应用，团队全面评估了WITA的综合性能。耐紫外方面，在UV老化箱（40 ℃、340 nm辐照度0.89 W·m⁻²·nm⁻¹）中连续暴露75天（约相当于香港两年户外紫外剂量），太阳反射率与大气窗口透过率几乎不变，这得益于气凝胶近乎完美的紫外反射以及光稳定剂的引入。疏水自清洁方面，在一步溶剂置换过程中引入硅烷疏水剂即可获得约120°的水接触角，有效抵御雨水污染。阻燃方面，虽然纯UHMWPE易燃，但WITA制备工艺可与商用阻燃剂兼容，阻燃处理后遇明火仅体积收缩而不被点燃；更重要的是，其孔隙率>90%、可燃聚合物含量极低，热释放速率峰值（pHRR）有限，综合火灾危险性低于现有有机SDRC材料。多彩外观方面，通过在石蜡中加入可溶颜料，成功制备红、黄、蓝三色WITA，大气窗口透过率峰值仍达75%；得益于多孔Mie散射，彩色WITA的太阳反射率高于同色的商用彩色涂料。户外对比实验中，正午时段（11:00-13:00）红、黄、蓝三色WITA覆盖的白瓷砖较商用彩色漆瓷砖表面温度分别低12.5 ℃、8.7 ℃和12.7 ℃。

图5 WITA的耐久性、阻燃性、疏水性与彩色化展示

【总结】

综上所述，该研究提出了一种视觉白色但红外透明的气凝胶WITA，打破了现有SDRC材料太阳反射与热发射在同一表面耦合的限制，实现了深度亚环境辐射制冷。通过简化的“一步溶剂置换”工艺，WITA可便捷制备，太阳反射率达92.3-96.6%，6.5 mm厚度下大气窗口透过率74.8-94.5%，热导率低于0.035 W·m⁻¹·K⁻¹。团队开发的多尺度光学-热学模型能够从配方参数出发直接预测制冷性能，为不同基底、不同气候下的前瞻性设计提供了工具。户外实测表明，WITA让普通建筑表面实现了超越SDRC材料的亚环境降温，并可将现有SDRC材料的降温幅度再提升最高5.2 ℃。结合疏水、阻燃、多彩等实用属性，WITA为建筑节能与户外热管理开辟了新路径，推动WITA辅助辐射制冷从“原理验证”走向“应用导向设计”。

原文链接：https://doi.org/10.1039/d6ee03588d