港中文/浙大合作Science子刊：新型動態蒸發輻射冷卻器件實現全年高效節能

建筑能耗約占全球能源消耗的40%，在能源可持續發展和氣候變化緩解的迫切需求下，無需電力驅動的輻射冷卻技術因其能將外層空間作為冷源而受到廣泛關注。然而，傳統輻射冷卻技術在夏季的冷卻功率受到大氣窗口固有約束的嚴重限制，其上限僅約150 W/m2，而在四季分明的地區，其在冬季的負面影響更會抵消全年的節能收益。同時，蒸發冷卻技術雖具有顯著的冷卻功率密度，但也面臨同樣的問題——在冬季會無意中增加供暖能耗。如何在炎熱的夏季最大化冷卻功率、同時在寒冷冬季避免能量損失，實現全年動態熱管理，成為該領域亟待突破的關鍵挑戰。

針對上述難題，香港中文大學龍祎教授、浙江大學譚剛教授合作開發了一種動態蒸發輻射冷卻（DERC）器件，能夠在高溫環境下實現高效的太陽反射（0.918）、寬帶熱發射（0.916）和水蒸發（50°C下達0.696 kg m?2 hour?1），而在低溫環境下則切換為低太陽反射（0.048）、低熱發射（0.291）和幾乎為零的蒸發狀態，實現了顯著的太陽輻射調制（ΔAsol= 87%）和熱輻射調制（ΔEBroadband = 63%）。理論計算與實時實驗均證明，該器件較現有動態輻射冷卻技術具有更優的能效表現，相較于動態輻射冷卻器件可實現超過40%的一次能源節約和二氧化碳減排。相關論文以“Dynamic evaporative and radiative cooling for efficient year-round energy savings ”為題，發表在 Science Advances 上。

器件設計與工作機制

該DERC器件由多層結構組成，自上而下分別為PEDOT:PSS/乙基纖維素致動層、分級多孔PVDF層和Li-PAAm水凝膠層（圖1E）。其中，PEDOT:PSS與乙基纖維素的組合兼具輻射加熱層和溫敏致動器的雙重功能。在高溫環境下，致動層自動卷曲，暴露出下層分級多孔PVDF表面，實現高太陽反射和高寬帶熱發射，同時打開水蒸氣通道促進高效蒸發，從而實現最小太陽吸收及最大蒸發和輻射熱損失（圖1A）；在低溫環境下，致動層自動展開并完全覆蓋PVDF表面，關閉蒸發路徑抑制蒸發冷卻，同時展現出PEDOT:PSS/乙基纖維素固有的低太陽反射和低熱發射特性，以實現最大能量輸入（圖1B、D）。理論熱平衡計算表明，在理想情況下，1#純輻射冷卻材料、2#蒸發輻射冷卻材料、3#動態輻射冷卻材料和4#DERC材料四種方案中，DERC器件在夏季可實現高達1077 W/m2的凈冷卻功率，在冬季可實現1000 W/m2的正加熱功率，遠優于其他三類材料，首次實現了真正意義上的全年最高建筑能效（圖1C）。

圖1. DERC的概念與設計原理。 （A）炎熱夏季DERC冷卻模式示意圖，需要高Rsol、高εBroadband和高Evap以實現最小Psolar及最大Pevap和Prad。（B）寒冷冬季DERC加熱模式示意圖，需要低Rsol、低εBroadband和低Evap以實現最大能量輸入。給出了理想的Psolar、Pevap和Prad功率密度作為參考。示意圖在Autodesk 3ds Max中構建并在KeyShot中渲染（圖片來源：Z.Z.）。（C）四種不同類型節能材料在寒冷冬季和炎熱夏季的理想加熱與冷卻功率計算。四種熱管理材料分別為：1#輻射冷卻材料，2#蒸發輻射冷卻材料，3#動態輻射冷卻材料，4#DERC（本工作）材料。（D）所提出的DERC器件示意圖，可在高溫環境切換至冷卻模式，低溫環境切換至加熱模式。（E）DERC器件結構示意圖，自上而下依次為PEDOT:PSS、乙基纖維素、分級多孔PVDF和Li-PAAm水凝膠。

DERC器件可在加熱與冷卻模式間進行切換（圖2A）。在光學性能方面，DERC器件在冷卻模式下展現出約0.918的太陽反射率，在加熱模式下太陽反射率降至約0.05，相當于約95%的太陽吸收；在紅外波段，冷卻模式下的寬帶反射率約為0.084（對應發射率0.916），加熱模式下寬帶反射率升至約0.709（對應發射率0.291），ΔεBroadband達約0.625（圖2B）。這一優異的調制能力得益于超薄PEDOT:PSS層的近紅外等離子體波長特性（約1.19 μm）。分級多孔PVDF薄膜包含兩種尺寸的氣孔——平均約0.54 μm的納米孔和約5.5 μm的微米孔（圖2C），有限元模擬表明納米孔主要散射可見光，微米孔主要散射近紅外光，二者協同實現寬光譜強散射（圖2D、E）。同時，該多孔結構的氣孔尺寸超過了水蒸氣分子的平均自由程，可有效減少分子碰撞，確保高效蒸發。水接觸角測試顯示PVDF表面具有強疏水性（約128°），有無分級多孔PVDF覆蓋層對Li-PAAm水凝膠的濕氣解吸影響不大，證實了該薄膜優異的水蒸氣傳輸能力，水蒸氣或液態水不會影響其高太陽反射性能，表面污染物可通過簡單水洗去除，保障長期運行的穩定性（圖2F）。

在蒸發性能方面，DERC器件在低溫環境下蒸發可忽略不計，遠低于自由水；而當環境溫度超過臨界溫度后，蒸發速率迅速提升，50°C時達0.696 kg m?2 hour?1，接近自由水的蒸發水平（圖2G中紅色虛線為自由水失重速率，藍色虛線為無蒸發失重情況）。其蒸發速率調制能力ΔEvap高達約96%，相較于現有動態輻射冷卻技術具有顯著優勢，而ΔAsolar（87%）和ΔEBroadband（63%）也保持在同類最佳系統相當的水平（圖2H）。作為水來源的Li-PAAm水凝膠在40°C下連續暴露超過9小時后仍保持34%的水分，展現出連續穩定的蒸發性能；同時，由于LiBr的摻入，水凝膠可在22°C、70%濕度條件下以約0.09 kg m?2 hour?1的速率被動吸收大氣濕氣，實現夜間自補充。LiBr的引入還將凝固點降至-52.2°C（純PAAm水凝膠為-13.7°C），賦予器件優異的抗凍性能。研究還指出，LiCl和CaCl?等替代吸濕劑同樣可實現類似性能，而長期部署中需在水凝膠基質中加入抗菌劑以保持功能完整性。

圖2. DERC器件的表征。 （A）DERC器件在加熱與冷卻模式間切換的示意圖。（B）DERC器件在冷卻和加熱模式下的光譜反射率，疊加了歸一化AM1.5太陽光譜和光譜半球大氣輻照度。（C）分級多孔PVDF薄膜表面的掃描電鏡圖像，突出其作為太陽散射體和蒸氣通道的作用。（D和E）納米孔和微米孔在0.3至2.5 μm波長范圍內的散射效率模擬。（D）孔徑0.2至1 μm變化的納米孔在該范圍內的散射效率。（E）孔徑4至8 μm變化的微米孔在該范圍內的散射效率。（F）有無分級多孔PVDF覆蓋層的Li-PAAm水凝膠的濕氣解吸曲線，插圖為分級PVDF表面的接觸角測量值。（G）DERC器件在0°至50°C變溫條件下的失重速率。紅色虛線表示自由水的失重速率，藍色虛線表示無蒸發的失重。（H）與最新熱管理材料的性能對比（文獻17、23）。蒸發速率調制能力（ΔE???）定義為高溫與低溫蒸發速率之差，以低溫無蒸發、高溫蒸發速率與自由水相同的情況進行歸一化。與近期最新研究的全面對比見表S1。

熱管理性能驗證

致動器的彎曲角度隨環境溫度變化表現出靈敏響應：低于23°C時彎曲角為0°，28°C時增至近45°，33°C時超過90°（圖3A）。有限元模擬揭示這一彎曲行為源于PEDOT:PSS活性層熱膨脹系數的顯著失配引起的內部應力變化（圖3B），且在加熱/冷卻循環中未觀察到明顯滯后，展現出良好的可逆性（圖3C）。在實際熱管理測試中，研究團隊將PEDOT:PSS/乙基纖維素/PVDF復合材料作為動態輻射冷卻對比樣品（圖3D）。在加熱模式下，由于DERC加熱模式與動態輻射冷卻加熱模式具有相同的光譜，二者的理論加熱功率曲線重合，且均優于Zhang等人2022年報道的雙模式輻射熱管理器件（文獻23）（圖3E）。在冷環境模擬中（20°C至-20°C梯度降溫），DERC加熱模式比動態輻射冷卻加熱模式表現出更小的溫度下降，這得益于水-rich水凝膠的高比熱容帶來的高熱阻。COMSOL模擬與實驗數據高度吻合（圖3F），進一步分析表明水凝膠的熱質量貢獻了約70 W/m2的等效保溫功率密度，而PEDOT致動器低中紅外發射率對輻射熱損失的抑制額外貢獻了約45 W/m2的功率密度。

在熱環境測試中，DERC冷卻模式在整個30°C至50°C溫度范圍內均表現出比動態輻射冷卻冷卻模式更高的冷卻功率，同樣優于Zhang等人2022年報道的雙模式輻射熱管理器件（圖3G）。新加坡戶外屋頂實測（2023年3月21日下午3時）顯示，兩種樣品溫度均低于環境溫度，證實了顯著的亞環境冷卻性能；DERC冷卻模式相較于DRC-C（動態輻射冷卻冷卻模式）樣品實現了最高約6.3°C、平均3.7°C的額外降溫，模擬結果與實驗趨勢一致（圖3H），DERC冷卻模式的冷卻功率是動態輻射冷卻冷卻模式的4.7倍以上。在裸Li-PAAm水凝膠、動態輻射冷卻和DERC三種樣品中，DERC器件在冷卻模式下憑借輻射冷卻、蒸發冷卻和水凝膠高熱阻的協同效應，維持了最低的溫度。

圖3. DERC器件的熱管理性能。 （A）PEDOT:PSS/乙基纖維素致動器在加熱下的自折疊行為，比例尺1 cm。（B）致動器自折疊行為的模擬，展示了三種模擬應力云圖。（C）致動器彎曲形變隨環境溫度的變化。（D）用于評估冷熱環境下兩種樣品熱管理性能的照片，樣品包括動態輻射冷卻材料（PEDOT:PSS/乙基纖維素/PVDF）和DERC材料（本工作），比例尺2 cm。（E）四種不同樣品在加熱模式下的理論加熱功率。黃色和藍色虛線因動態輻射冷卻與DERC在加熱模式下光譜相同而重合。所用參考光譜來自已報道結果（文獻23）。（F）冷環境下梯度降溫測得的樣品溫度及模擬溫度。（G）不同樣品在冷卻模式下的理論冷卻功率。（H）新加坡屋頂實測及模擬的各樣品溫度。

美學設計與節能評估

為滿足美學需求，透明的乙基纖維素被動層可通過添加各種顏料呈現不同顏色（紅、黃、藍、黑等），且不影響DERC器件的基本性能（圖4A、B）。基于EnergyPlus的全年建筑能耗模擬涵蓋了從氣候區0至8的31個城市，DERC器件在所有氣候區均展現出顯著的節能潛力，其中氣候區8（極寒地區）節能最高，達14.65 MJ m?2（各氣候區具體數值見圖4C、D）。以阿布扎比為例的逐月能耗模擬表明，DERC器件全年各月能耗均低于動態輻射冷卻器件，8月份節能最為顯著（218.93 MJ），得益于蒸發冷卻的增強效應（圖4E）。與商用靜態屋頂材料相比，DERC和動態輻射冷卻器件的年供暖/制冷節能分別為13.2和10.2 MJ m?2，對應節能百分比8.66%和6.49%（圖4F）。若將現場節電轉換為一次能源消耗，DERC器件（11.61 kWh m?2）較動態輻射冷卻器件（8.23 kWh m?2）提升顯著，相應CO?減排量分別為7.62 kg m?2和5.4 kg m?2（圖4G）。關于水消耗問題，研究指出在濕潤地區（如香港），1000 m2屋頂面積的日耗水量約6.5千升，可通過自然降水和夜間大氣集水被動補充；而在干旱地區（如新德里和鳳凰城），日耗水量分別達17.4和57千升，需結合主動外部補水系統。

圖4. DERC材料的美學設計與節能評估。 （A）四種顏色（紅、黃、藍、黑）致動器的實物照片。（B）四種彩色致動器的太陽反射率測量值。（C）氣候區0至8的全球供暖/制冷節能模擬，插圖為模擬所用建筑模型。（D）DERC材料實現的全年供暖/制冷節能地圖。（E）阿布扎比（阿聯酋）DERC材料與動態輻射冷卻材料的逐月能耗對比。（F）DERC材料與動態輻射冷卻材料的年節能及百分比。（G）DERC材料與動態輻射冷卻材料的一次能源節約和CO?減排計算。

總結與展望

綜上所述，該DERC器件成功實現了蒸發冷卻與輻射冷卻的動態協同調控，在太陽輻射調制（87%）、熱輻射調制（63%）和蒸發調制（96%）方面均表現優異，理論計算與實時實驗共同證實了其相較于現有技術的能效優勢。建筑能耗模擬進一步表明，該器件可顯著提升一次能源節約并降低CO?排放，為全球碳中和與環境可持續發展提供了全新路徑。該DERC器件標志著熱管理領域的重要概念突破，盡管在致動器長期耐久性和水凝膠系統穩定性方面仍需進一步優化以縮小實驗室與產業化之間的差距，但其為全球建筑節能和減排開辟了富有前景的新方向。