第一作者：赵思名
通讯作者：张如范
通讯单位：清华大学化工系
论文DOI：DOI:10.1039/D6MH00614K
1、全文速览：
发展可作为窗户基材的可见光透明的辐射制冷材料对开发新一代节能窗，实现建筑室内热管理具有重要意义。针对建筑能耗中窗户作为热环境薄弱环节、传统透明辐射制冷材料难以兼顾采光与复杂热环境下高效散热及隔热的核心问题，本研究提出了多波段选择性调控的设计策略。该策略将中红外光谱解耦为大气窗口与非窗口波段，赋予其差异化的发射与反射特性，同时在太阳辐射波段实现可见光透过与近红外阻隔，从而协同满足对外太空散热、抵御环境热辐射以及室内采光与蔽热的多重需求。基于此策略，采用简单可放大的刮涂工艺，成功制备出多层复合辐射制冷玻璃。户外实验与能耗模拟表明，该材料在实际垂直安装及环境热干扰条件下仍保持优异的降温效果，兼具良好的耐久性和疏水性，在不同气候区（尤其是炎热地区）展现出显著的建筑节能潜力。
2、背景介绍：
建筑能耗约占全球总能耗的16%，其中暖通空调系统能耗约占建筑能耗的30%。窗户作为建筑围护结构中的薄弱环节，其高太阳光透过率与高热导率导致室内热环境不稳定，是建筑暖通空调能耗的重要来源。辐射制冷材料可以通过太阳辐射和热辐射的有效调控实现零能耗的高效降温效果。因此，发展可作为窗户基材的可见光透明的辐射制冷材料对开发新一代节能窗，实现建筑室内热管理具有重要意义。然而目前的透明辐射制冷材料未考虑现实中复杂的热环境导致其性能大大折扣。此外，理想的透明辐射制冷材料还需兼具高可见光透过率以满足采光需求，以及高近红外阻隔率以减少太阳辐射得热。因此，从实际热环境需求出发，进行材料光谱的理性设计与性能优化，并发展简单、低成本的制备技术，是推动辐射制冷技术走向实用化的关键。
对于垂直安装环境下的窗户所需的热辐射和太阳辐射的光谱性质需求进行分析，采用材料复合以及可规模放大的制备方法完成相关材料的制备。并采用实验与模拟结合的手段说明与探究相关材料的实际应用潜力与相关科学规律。
4、图文解析：
首先通过深入分析传统建筑窗户在实际应用时的辐射传热过程，提出了多波段选择性调控的设计策略。通过将中红外光谱解耦为大气窗口与非窗口两个功能波段，并分别赋予其高发射与高反射的差异化光学特性，同时实现了窗户对外太空散热与周围环境隔热的要求，并通过在太阳辐射波段中的可见与近红外波段的选择性透过，实现室内采光与蔽热的双重需求。采用基于一维稳态传热的理论计算与多物理耦合的模拟仿真进一步验证了该策略的优越性。
图1. 多波段选择性调控辐射制冷玻璃的原理设计图
依据上述策略，通过材料分子筛选与微纳结构协同设计，采用简单、可放大的刮涂工艺，成功制备了多层复合的多波段选择性调控的辐射制冷玻璃。以高红外反射的ITO玻璃为基底，依次集成了CsWOx近红外阻隔层与PDMS/SiO2选择性发射功能层。基于米氏散射理论与分子振动吸收原理，通过精细调控PDMS厚度、SiO2微球粒径与掺杂浓度，最终使材料实现了优异且均衡的全波段光谱特性：85%的可见光透过率保障自然采光，72%的近红外阻隔率有效抑制太阳热增益，87%的大气窗口发射率确保高效辐射散热，而60%的非窗口波段反射率则构筑抵御环境热辐射的屏障。
图2. 多波段选择性调控辐射制冷玻璃的光谱性质
在实现多波段选择性调控辐射制冷玻璃的制备后，采用系统的户外实验验证了该设计策略的有效性以及材料的优越性能。在水平安装时表现出优异的辐射降温能力；在实际的垂直安装条件下，相较于全发射型的透明辐射制冷材料，能有效抵抗环境热干扰，并保持较好的降温效果。在模拟周围环境加热的场景下仍能实现较好的温降，并且该材料也兼具一定的冬季保温潜力。
图3. 基于多波段选择性调控辐射制冷玻璃的户外测试
耐久性测试表明，材料具备较低的导热率，可提升建筑内部的温度稳定性，具有良好的抗紫外老化能力、强疏水性、耐雨水冲刷能力以及与涂层结合力，满足户外耐久性的要求。EnergyPlus能耗模拟结果表明，配有多波段选择性调控的辐射制冷玻璃的建筑，在全国乃至全球多个气候区均能实现显著的建筑节能，在炎热地区效果尤其突出。
图4. 基于多波段选择性调控辐射制冷玻璃的节能潜力模拟
图5. 基于多波段选择性调控辐射制冷玻璃的耐用性测试
5、总结与展望：
本研究分析了传统建筑窗户在实际应用时的辐射传热过程，提出了多波段选择性调控的设计策略。通过将中红外光谱解耦为大气窗口与非窗口两个功能波段，并分别赋予其高发射与高反射的差异化光学特性，同时实现了窗户对外太空散热与周围环境隔热的要求，并通过在太阳辐射波段中的可见与近红外波段的选择性透过，实现室内采光与蔽热的双重需求。采用基于一维稳态传热的理论计算与多物理耦合的模拟仿真进一步验证了该策略的优越性。
6、通讯作者介绍：
张如范 清华大学化工系长聘副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国化工学会专业会员、中国能源学会专家委员会委员，Coatings编委、SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology及Exploration青年编委。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文150篇。申请发明专利27项；撰写学术专著7部。曾获青山科技奖（2025）、中国颗粒学会自然科学奖一等奖（2024）、中国纺织工业联合会自然科学二等奖（2024）、中国石油与化学工业联合会青年创新奖（2024）、全球华人化工学者学会未来化工学者（2024）、侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、2018年《麻省理工科技评论》中国区 “35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、SusMat青年编委杰出贡献奖（2022）、教育部自然科学一等奖（2016）、清华之友-刘述礼育才奖（2021）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励。
