RSER綜述：建筑圍護結構中的自適應輻射制冷：原理、材料、應用和展望

在全球建筑能耗占比持續攀升的背景下，輻射冷卻（RC）的整合已成為實現建筑節能的極具前景的路徑。然而，傳統RC具有高太陽反射率（Rsol）以及高長波紅外發射率（εLWIR）的典型靜態特性，這往往導致其在寒冷季節出現過冷現象。這會帶來額外的供暖負荷，顯著限制了其全年節能潛力。為解決這一限制，自適應輻射冷卻（SARC）應運而生。通過利用智能材料對溫度和陽光等外部刺激的自主響應，SARC 實現了冷卻（高Rsol /高εLWIR）和加熱（低Rsol/εLWIR）或絕緣（低εLWIR）狀態之間的動態切換。這為全年全天候的建筑熱管理提供了切實有效的解決方案。本綜述首先比較靜態輻射冷卻（SRC）與SARC的性能指標和光譜特性，建立了下一代智能建筑圍護結構的戰略框架。隨后深入探討了SARC材料的基本原理，并根據兩種主要的適應機制進行分類：熱響應機制和光響應機制。這一分類將范圍從熱誘導反應擴展到包括新型光子誘導的激發機制。隨后，概述了屋頂、墻體和窗戶等關鍵建筑構件中的典型集成實例，以展示其實際應用潛力。最后，本綜述指出了SARC領域面臨的關鍵挑戰，并強調潛在的研究方向，為下一代零能耗智能建筑的發展提供理論指導和技術支持。

圖1 SARC技術的示意圖總結

圖2 SARC系統動態制冷機理與能量交換示意圖

在各類節能策略中， RC已成為一項具有變革性的綠色技術。建筑圍護結構長期暴露在強烈的太陽入射輻射（對應~6000 K 黑體溫度）中；然而，受傳統材料光譜特性限制，吸收的熱量無法有效釋放至深空冷源（~3 K）。這種熱失衡會造成顯著的熱量積聚，凸顯了集成輻射制冷技術的重要意義。通過大氣透明窗口將熱量向外輻射，輻射制冷可實現零能耗制冷，為減緩氣候變化提供重要支撐。

早期的研究由被動夜間RC逐漸轉變至被動日間RC，隨后將研究重心聚焦于動態RC。手動翻轉、電致變色等動態調制技術提供了精準的光譜調控，但其額外輸入的能耗限制了其在建筑節能領域中的應用。為破解這一矛盾， SARC近年來應運而生。SARC 利用智能材料對環境刺激（如溫度、光照）的自主響應，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）之間動態切換。這種本征自適應能力使建筑圍護結構能夠兼顧季節矛盾需求，最大化全年節能效率與居住舒適度。

過去幾十年間，面向建筑圍護結構的 SARC 材料與結構取得顯著進展。目前，研究者已對熱致變色材料（TM）、熱響應折疊材料（TFM）等被動動態輻射制冷機制開展廣泛研究，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注 SARC 系統（包括智能窗與涂層），現有文獻通常僅針對單一刺激響應（如僅溫度響應）或單一建筑構件展開，缺乏面向屋頂、墻體、窗戶等整體建筑外立面的系統集成策略綜述。針對這一空白，本文系統闡述熱響應與光響應智能材料的調控機制，并詳細介紹其在非透明（屋頂、墻體）與透明（窗戶）建筑圍護結構中的具體應用。作為一項創新性綜述，本文旨在彌合當前研究碎片化帶來的認知缺口。

主要內容：

圖3 集成熱響應/光響應材料的自適應屋頂設計：(a)多層熱響應自適應輻射制冷系統；(b) 受自然界葉片自適應展開 / 折疊啟發的智能熱管理器件；(c) 受含羞草啟發、由形狀記憶合金驅動的光譜自適應結構；(d) 具有分級結構的仿生光自適應百葉結構

圖4 熱響應型SARC涂層設計：(a) 摻雜樹脂、玻璃微珠與熱致變色微膠囊的復合涂層；(b) 受荷葉啟發、由 P (VDF?HFP)與 SiO2微膠囊構成的分級結構涂層；(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組成的多層結構

圖5 基于光致發光材料（PLM）的SARC系統設計思路：(a) TiO2/SrAl2O4:Eu2?,Dy3?,Yb3?復合涂層；(b) 包含空心玻璃微珠、TiO2與 SrAl2O4:Eu2?,Dy3?的系統；(c) 由碳點 (CDs)與 PEI/Poly (St-co-BA)@CDs 構成的 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計思路：(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構；(b) 含氟化 SiO2納米顆粒超疏水層、PHPS 緩沖層、水合 MAPbI3-xClx鈣鈦礦與玻璃的結構；(c) 基于 [(CnH2n+1)2NSS]@PVP的智能窗；(d) 基于自修復 SPU 的自粘型離子凝膠；(e) 細菌纖維素/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和長波紅外發射率 εLWIR為核心的性能數據對比；(b) 對比熱響應/光響應折疊材料、熱致變色微膠囊、VO2涂層與相變材料 (PCM) 系統的性能雷達圖

圖8 與智能窗集成的SARC系統性能分析：(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的變化關系；(b) 可見光透射率Tlum與長波紅外發射率εLWIR關系圖，箭頭表示低溫態向高溫態的轉變，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的關系曲線，斜率定義為品質因數 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的關系曲線，斜率定義為品質因數 FOMh

本文對當前的SARC技術進行了全面綜述，強調了其在推動建筑圍護結構從靜態隔熱構件向動態零能耗調控系統轉變過程中的關鍵作用。SARC 系統能夠根據環境刺激自主調節太陽反射率Rsol與長波紅外發射率εLWIR，有效緩解傳統靜態輻射制冷在低溫、低太陽輻照條件下固有的過冷問題，從而突破了常規靜態輻射制冷的核心熱力學局限。

對調控機制的分析表明，該領域呈現出從單一刺激響應向多機制協同演進的清晰技術脈絡。以VO2、水凝膠為代表的熱響應體系仍是研究最為廣泛的方向，而光響應策略（特別是基于光致發光材料 PLM 的方案）的出現，為光譜調控引入了全新的光子激勵維度。這種從熱場到光場激勵機制的拓展，顯著拓寬了下一代自適應材料的設計空間，使太陽得熱與可見光透過性之間的精準解耦成為可能。

在建筑集成方面，非透明圍護結構與透明圍護結構呈現出截然不同的設計策略。對于屋頂、墻體等非透明構件，核心挑戰在于平衡高性能調控與系統復雜度。宏觀機械結構（如熱響應折疊材料 TFM、光響應折疊材料 PFM）能夠突破材料本征限制，實現更寬的動態調控范圍，但其實際應用受限于結構復雜性與耐久性。相比之下，基于微觀材料的涂層更易于建筑集成與規模化制備，但目前仍難以實現寬光譜調制帶寬。對于智能窗等透明構件，核心挑戰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控（ΔTsol）方面表現突出，而VO2體系在紅外發射率調控（ΔεLWIR）上更具優勢，但目前尚無單一材料能夠同時滿足高可見光透過率、強太陽輻射調制與建筑美學的多重要求。

綜上，本文證實 SARC 技術已成功從理論概念發展為功能原型。當前該領域已形成多元化技術格局，評價某一 SARC 方案優劣的標準不再僅僅是峰值制冷功率，更在于其對當地氣候條件的適應性，以及在節能效率與居住者視覺舒適度之間的平衡能力。