吉林大学曹宁宁副教授与北科大王存海副教授受DeCarbon期刊邀请撰文Highlight动态调控建筑节能材料

在全球建筑能耗持续增长和“双碳”目标加快推进的大背景下，如何在夏季高效散热、冬季减少热损，是建筑围护结构面临的核心挑战。鉴于此，吉林大学曹宁宁副教授联合北京科技大学王存海副教授受邀在期刊DeCarbon上撰文Highlight了龙祎教授和谭刚教授近期发表于Science Advances的一项研究成果——一种温度响应型动态蒸发与辐射冷却（DERC）装置。该装置通过热致动器调节表面光谱与蒸发路径，高温下开启辐射与蒸发双重散热，低温下抑制热损失并强化太阳能吸收，从而在同一屋顶上实现“高温冷却、低温保温”的双模式切换，有效避免了传统静态辐射冷却器在采暖季造成的负面热损失。户外实验与跨气候区模拟均验证了其优异的全年节能潜力，一次能源节省和碳排放减少均超过40%。该工作将辐射冷却、蒸发冷却与太阳能利用集成于一个被动可切换系统，为下一代自适应建筑热管理提供了重要范例，同时也展示了先进热管理从“最大化单一散热途径”向“智能化决定散热或保温路径”转变的趋势。相关工作以“One roof, two thermal modes”为题发表在DeCarbon期刊。

传统辐射冷却通常依赖静态的高反射表面，虽在炎热季节实现降温，却会在寒冷季节持续向天空辐射热量，增加供暖负担。针对这一局限，龙祎教授等人提出了一种温度响应型动态蒸发与辐射冷却（DERC）装置，将辐射散热与蒸发散热在单一屋顶结构中实现动态协同调控。DERC装置主要由以下功能层构成：PEDOT:PSS/Ethyl cellulose双层膜驱动器、分级多孔PVDF薄膜和LiBr-PAAm水凝胶储水层。当温度升高时（>23.0 °C），PEDOT:PSS/Ethyl cellulose双层膜驱动器发生自主弯曲，暴露出下层多孔PVDF膜，此时该DERC装置呈现出高太阳反射率（0.918）和高红外热发射率（0.916）；同时，表现出高的水蒸发速率（0.696 kg m⁻2 h⁻1），实现了辐射与蒸发双重冷却。而当温度降低时（<23.0 °C），上述双层膜驱动器回卷覆盖PVDF膜，太阳吸收率升高至0.950，发射率降至0.291，并抑制蒸发，转为保温模式。该几何重构同时控制光谱与水汽输运，突破了传统静态辐射冷却仅能实现单向散热的局限。

图1 DERC装置的物理架构、动态驱动、光谱切换和季节性工作原理。(a) DERC装置结构组成示意图。多层结构包括：PEDOT:PSS/Ethyl cellulose双层膜驱动器、分级多孔PVDF膜和LiBr-PAAm水凝胶储水层。(b) PEDOT:PSS/Ethyl cellulose双层膜驱动器受热后发生自主弯曲照片和有限元模拟。比例尺：l cm。(c) DERC装置在极端冷却和受热模式下对应的光谱响应图。图1c表示极限端点光谱，它仅代表DERC装置的极端情况，而不是部分打开状态的有效光谱性质。(d) DERC装置分别在高温和低温环境下的工作示意图。

小结：DERC装置的核心价值在于将辐射冷却、蒸发冷却与太阳能利用统一到一个动态可切换的被动系统中，打破了传统辐射冷却仅可“单向散热”的功能局限。然而，其工程化部署仍需克服若干关键瓶颈：一是水资源可持续性，1000 m2屋顶日耗水量在凤凰城可达57 kL，干旱地区难以负担；二是长期耐久性，盐迁移、驱动器疲劳、光学性能衰减及浓度依赖的失效路径需要系统性验证；三是气候适应性，23 °C的切换温度并非普适最优值，需要结合当地气象与建筑负荷动态优化。未来，自适应热管理将向“预测型”界面发展，动态分配辐射、蒸发、蓄热与太阳能增益；同时探索被动优先、主动补充的混合模式，例如电热蒸发和可控焦耳加热等，但需注意高发射夏季辐射散热与冬季低发射保温间的功能冲突，需通过空间分离或时序门控加以动态协调。最终，评价体系应从单一性能指标转向气候约束的全年净节能、碳排放和水资源消耗的综合评估，为不同气候区绘制适用性地图，推动节能材料从实验室走向真正可持续的建筑脱碳实践，并支持可持续发展目标SDG7 (i.e., Affordable and Clean Energy)与SDG13 (i.e., Climate Action) 等的实现。

论文信息: Ningning Cao, Changqing Ye, Yifan Zhang, Xudong Xiang, TingShi, Cunhai Wang. One roof, two thermal modes. DeCarbon, 2026, 100191.

https://doi.org/10.1016/j.decarb.2026.100191

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近年来，团队在国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委等资助下，锚定热辐射前沿，在调控机制、调控方法和热管理技术开发应用等方面取得了一系列成果，在Advanced Materials (2篇)、Progress in Materials Science, Advanced Functional Materials, Nano-Micro Letters, ACS Energy Letters, Nano Letters, Innovation, Matter (3篇), Device (2篇)等发表多篇研究论文。相关研究在能源利用、资源获取、安全防护等领域具有广阔的应用前景。

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