被动式日间辐射制冷是一种零能耗的制冷技术，它利用物体自身的发射特性将地球上的热量通过“大气窗口”辐射至极寒的外太空，同时通过反射绝大部分太阳辐射，能够在强烈的太阳光直射下将物体温度降至环境温度以下。近日，清华大学张如范课题组发表综述文章，对近年来被动式日间辐射制冷技术的原理、光谱设计以及应用进行了系统介绍。该综述根据具体的应用场景，包括建筑热管理、人体热管理、淡水收集、光伏电池等，对光谱设计做了着重讨论，对被动式日间辐射制冷材料在不同场景中实际应用需拥有的性质进行了系统总结，同时根据响应机制介绍了自适应可切换辐射制冷材料。此外，作者还对被动式日间辐射制冷材料当前面临的挑战和未来发展方向做了讨论，为被动式日间辐射制冷材料进一步迈向实用化与产业化提供了指导。该综述以Progress in Passive Daytime Radiative Cooling from Spectral Design to Real Application为题发表在Carbon Future上。

图文导读

Research Summary

全球变暖引发了频繁的高温极端天气大大提升了对制冷的需求。热浪严重威胁着公众安全，约有350000例死亡案例与高温天气有关。同时，包括人体热管理、建筑热管理、冷链运输、食物保鲜等的领域对制冷的需求不断增加。然而，传统的制冷方式（例如空调等）花费了全世界约10%的电力总额，从而排放了巨量的二氧化碳加剧了温室效应。因此，开发一种新型的低能耗、低碳排放的制冷技术迫在眉睫。

图1. 被动式日间辐射制冷技术的发展历程

被动式日间辐射制冷（Passive daytime radiative cooling, PDRC）是一种在强烈日光下仍可以实现亚环境（低于环境温度）制冷的零能耗制冷技术，它基于地球（~300 K）和外太空（~3 K）之间的温差，利用热辐射将热量源源不断地以电磁波的方式通过“大气窗口”（Atmospheric transparent window, ATW, 8-13μm）传递至外太空；同时通过合理的光子结构设计，反射绝大部分太阳辐射从而实现日间制冷效果。事实上，早在20世纪70年代，辐射制冷这一现象就被广泛研究，然而如何实现白天辐射制冷一直是一个难题。这是由于太阳的辐射功率（~1000 W m^-2）远高于理论辐射制冷功率（~160 W m^-2），吸收过量的太阳辐射会导致物体表面温度上升。2014年，斯坦福大学的范汕洄教授等人通过交叠的光子晶体首次报道了被动式日间辐射制冷，之后的十年中，PDRC领域不断发展，并拓展到了包括建筑热管理、人体热管理、光伏、淡水收集等多个领域。

1. 建筑热管理

建筑热管理是PDRC材料应用的主要领域之一。建筑在碳排放中扮演了重要角色，据统计2022年中国的建筑全环节碳排放约为50.08亿吨，其中一半用于加热、通风与制冷系统。因此，PDRC在减少建筑能耗方面表现出极大的应用潜力。根据其光谱特性，它们主要可分为三类：即发射型PDRC材料、反射型PDRC材质和可见光透射型PDRC材料，分别可以用在屋顶、外墙与窗户中。根据发射体在“大气窗口”的选择性，还可分为非选择性发射体、单选择性发射体与双选择性发射体。然而在实际应用中，建筑场景也对PDRC材料提出了更高的要求。

耐久性：日间辐射制冷实现的重要指标之一为高的太阳反射率，然而太阳光反射率极易衰减，导致材料被太阳加热。当PDRC材料用于建筑上时，自然因素的影响，例如紫外照射、雨水冲刷、灰尘污染等，会导致太阳光反射率的下降。这要求对PDRC材料进行功能性设计，以实现长期稳定高效制冷。

美学兼容性：为了实现高的太阳光反射率，传统的PDRC材料均为白色。然而在实际建筑场景中，对色彩的要求较为多元。因此需要在不影响辐射制冷性能的前提下，对辐射制冷材料施加色彩，例如添加顶层颜色层，添加结构色或者混入荧光颜料等。

传热性质：物体传热的方式有三种：包括热传导、热辐射与热对流。对PDRC材料来说，除了热辐射之外，热传导性质也影响着最终的降温效果。当物体温度大于环境温度时，应采用导热系数高的PDRC材料增强散热；当物体温度小于环境温度时，应采用隔热材料避免外界环境进一步加热。

图2. 三种不同光谱辐射制冷材料用于建筑热管理的示意图。a，发射型材料用于屋顶；b，反射型材料用于外墙；c，可见光透射型材料用于窗户。

2. 人体热管理

高温天气威胁着人类生命安全，尤其是老弱人群和长期户外工作人群，这使得人体热管理成为热点话题。但是目前仍缺乏在炎热天气下的有效防护手段，PDRC技术与织物结合成为了解决该问题的有效策略，这是由于人体散热量更小且热辐射占散射量的40-60%，展示了其在个人热管理方面的巨大应用潜力。在过去的十年里，研究者开发了各种PDRC纺织品，根据其制冷机制可分为透射型辐射制冷织物，发射型辐射制冷织物和混合型辐射制冷织物。同时PDRC织物除了需要具备高的辐射制冷性能之外，还需要满足以下要求：

符合织物评估指标：PDRC织物除了满足高的辐射制冷性能之外，还需要符合工业对辐射制冷衣物的要求，例如可穿戴性、透气性、柔性、机械强度高、疏水性、水蒸气透过性等。这些指标提高了PDRC织物进入工业生产过程并成为现实生活应用的一部分的可能性，也展示了其潜在商业价值。

符合工业生产和应用要求：PDRC纺织品的应符合工业化和应用的要求，这有助于实现大规模生产并融入人们的日常生活。此外，其还需要满足各种功能，例如多色彩、导汗性、静电屏蔽等。

图2

图3. 三种不同光谱辐射制冷材料用于人体热管理的示意图。a，透射型辐射制冷织物；b，发射型辐射制冷织物；c，混合型辐射制冷织物。

3. 其他应用：淡水收集与光伏电池

PDRC零能耗的特性使其可以被用在任何需要制冷的场景中。淡水收集是PDRC应用的重要场景之一，由于全球变暖和水源污染，淡水储存已成为最紧迫的全球挑战之一。PDRC技术可以将材料的表面和内部温度降到露点以下促进空气中的水分冷凝实现淡水收集。光伏电池可以以清洁的方式将太阳能直接转化为电能，成为解决世界能源问题最有前景的清洁解决方案之一。然而，其过高的太阳能吸收率使得光伏板工作温度超过40 ℃，降低了光电转换效率。将PDRC材料与光伏电池集成可以通过增强中远红外发射显著降低光伏温度，从而提高能源效率和寿命。

4. 自适应PDRC材料

具有单一光谱的PDRC材料可以在夏季降低制冷能耗，然而其静态的光谱响应难以调节，在冬季或寒冷的夜晚会增加制冷能耗。为了适应复杂的环境，研究人员开发了一系列具有动态切换加热/制冷功能的辐射制冷材料（即自适应PDRC材料）。自适应材料显著提高了PDRC材料的实用性和可持续性，特别是在四季分明或昼夜温度差异较大的地区。

图4. 被动日间辐射制冷技术的总结与展望。

5. 总结和展望

本篇综述从光谱设计和实际应用的角度总结了PDRC材料的最新进展，根据PDRC材料在中远红外波长范围内的光谱响应主要可分为发射型、透射型、反射型和混合型，根据其在可见光波长范围内的光谱响应，可分为可见光不透射型和可见光透射型，为全球变暖提供了零能耗制冷方案。尽管如此，PDRC材料仍面临着许多问题与挑战：

1) 缺乏标准的评估方法。尽管目前的报道中对PDRC材料的实际降温性能进行了广泛测试，但是测试方法不尽相同，这使得降温幅度这一重要指标失去参考意义。

2) 受限的实际冷却效率。PDRC材料的理论辐射制冷效率约为180 W m−2，制冷能力有限。因此，研究人员试图将PDRC技术整合到大型冷却系统中，例如热电冷却系统、水冷系统、蒸发系统或放大系统等，以提高实际冷却能力。

3) 受限的应用场景和功能性。有效的降温和冷却在各种日常场景中至关重要，需要根据场景量身定制PDRC材料的光谱曲线与其他性能，并采用相应的微纳结构设计和分子设计实现目标。

4) 合成和制造成本高。复杂的合成过程与制造成本阻碍了PDRC的实际应用，PDRC材料必须在成本与性能之间取得平衡。

文章信息：

Zhuojing Zhao, Siming Zhao, Jiaqi Xu, Xueke Wu, Zhenyu Guo, Ya Huang, Rufan Zhang*, Progress in passive daytime radiative cooling from spectral design to real application, Carbon Future 2025, 2, 9200033.

https://doi.org/10.26599/CF.2025.9200033

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