近日，上海交通大学“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA (Innovative Team for Energy, Water & Air) 在国际期刊ACS Energy Letters上发表题为“Self-Adaptive Radiative Cooling/Heating Film with Energy Storage for All-Season Smart Thermoregulation” 的研究论文。该研究团队提出了一种集成辐射制冷、辐射制热与冷/热能量储存于一体的零能耗全季节智能热管理方法，该方法的核心创新在于能量获取与能量存储的双机制协同，跨季节能量获取模式调控：通过温度响应形状记忆聚合物根据夏季和冬季环境温度变化，在制冷模式和制热模式之间实现自动切换；相变储冷/储热能量动态调控：通过高焓值相变材料实现冷/热能量的储存与稳定输出，相关工作为构建新一代零能耗全季节热管理技术提供了新思路。
【研究背景】
国家"双碳"目标和全球能源危机双重压力下，如何以更低能耗实现制热和制冷已成为能源领域的国际热点研究前沿。统计显示，冷/热能消耗约占全球终端能源使用的40%，其中建筑、工业、交通等领域的温控需求是最大耗能来源。相比依赖电力驱动的传统空调系统，辐射制冷和辐射制热技术可利用宇宙冷源和太阳热源实现制冷和制热，是实现零碳热管理的重要途径。然而，传统辐射制冷和辐射制热材料具有固定的单模式光谱响应特性，适合夏季制冷的材料往往难以在冬季制热供暖，而适合冬季制热材料的又难以在夏季实现制冷。辐射制冷和辐射制热面临全年跨季节能量供需矛盾、功率密度低、且对天气高度敏感、冷热获取波动大等共性瓶颈问题，单一辐射器件很难兼顾"冬暖夏凉"的供能需求和全年稳定供能。尽管近年来出现了热致变色、电致变色、机械切换等可调辐射材料，但普遍存在光谱调节幅度有限、需要外部能耗或系统结构复杂等不足。因此，要实现"零能耗、全季节、自适应"的智能热调节仍然面临巨大挑战，亟需开发能够根据环境温度自主切换工作模式的新型辐射热管理材料和器件。
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针对上述瓶颈，上海交通大学 ITEWA 团队李廷贤课题组提出了一种集成辐射制冷（RC）、辐射制热（RH）与冷/热储能于一体的零能耗全季节自适应智能热管理方法， 设计并制备了自适应辐射制冷/制热多功能薄膜（SRCHF）。该薄膜通过温度响应形状记忆聚合物（SMP），可根据夏季和冬季环境温度变化实现制冷模式和制热模式之间的自动切换，同时通过高焓值相变材料（PCM）实现冷/热能量的储存与稳定输出，自适应辐射制冷/制热多功能薄膜SRCHF在不消耗额外能源的前提下，实现了全季节智能调温。
1．自适应辐射制冷/制热薄膜的工作原理
本文提出了自适应辐射制冷/制热技术解决传统辐射器件光谱固定、难以兼顾冬夏不同供能需求的问题。冬季需要高太阳吸收率和低大气透明窗口发射率以实现制热，夏季需要低太阳吸收率和高发射率以实现制冷（图1a）。提出的自适应辐射制冷/制热多功能薄膜SRCHF采用四层结构设计，包括负责夏季制冷的辐射制冷RC层，冷量存储PCM层，对温度敏感驱动薄膜翻转实现模式切换的SMP层，以及冬季制热辐射制热RH层（图1b）。夏季高温时，SMP收缩使RC朝外面向太空进入制冷模式，PCM储存冗余冷量并在高负荷时释放；冬季低温时，薄膜翻转使RH朝向太阳能辐射进入制热模式，PCM通过储热/放热缓冲日照波动（图1c）。SRCHF无需外接电源或机械驱动，可根据冬季和夏季环境温度的变化在制热和制冷两种模式间自动切换，实现真正的自适应辐射调温。
图1. 自适应辐射制冷/制热SRCHF 实现全季节智能辐射调温的基本原理。(a) 冬季辐射制热与夏季辐射制冷在理想状态下的太阳吸收率和大气透明窗口发射率示意。(b) 夏季由 RC 层主导的冷能获取机理与冬季由 RH 层主导的热能获取机理示意。 (c) SRCHF 在冷能获取模式与热能获取模式之间的温度诱导切换机制示意。
2．自适应辐射制冷/制热薄膜结构设计及切换验证
为实现自适应形变与高效能量管理，研究团队采用层层组装工艺将各功能层集成为柔性薄膜（图 2a）。SMP层通过双程温度响应形状记忆设计实现约-6℃的热获取模式触发切换点和约25-26℃的冷获取模式触发切换点，编程后可实现9.6 cm到11.5 cm之间的可逆伸缩（图 2b）。PCM采用石蜡为相变储能核心，通过OBC@SEBS材料化学交联制得柔性定形相变储能层，与SMP层形成双层结构，切换时通过二者温度响应长度变化差在界面产生内应力驱动薄膜弯曲翻转。RC层采用静电纺丝制备多孔PVDF微纤网，利用经典贴附力贴合于PCM层上。随后翻转材料将多孔碳纳米管涂层涂覆在PCM层反面形成RH层。一体化粘结工艺和良好的界面结合使SRCHF具备良好机械完整性和规模化制备潜力。即便在风扰等外界扰动下，SRCHF仍保持稳定可逆的双向切换行为（图 2c）。循环测试显示，在接近温度触发点时薄膜弯曲角急剧变化，实现制热模式与制冷模式自适应切换,并展示出良好的全季节智能调温服役潜力（图 2d, 2e）。
图2. SRCHF层层组装一体化制备流程与形状记忆驱动机制。(a) 基于逐层组装工艺制备 SRCHF 的示意图。(b) SMP层对温度变化产生响应时的形变机理示意。(c) 加热与冷却过程中 SRCHF 器件的宏观结构形变过程照片。(d) SRCHF 的弯曲形变行为曲线，其中正弯曲角对应热能获取模式，负弯曲角对应冷能获取模式。 (e) SRCHF 在冷能获取模式与热能获取模式之间循环切换的可逆稳定性，体现其长期循环工作的可靠性。
3．辐射制冷/制热能量获取与相变储能层功能测试
在光谱与热性能优化方面，研究团队对RC层与RH层分别进行了针对性特殊设计。RC采用多孔微纤结构，增强了对太阳光的多重散射，使材料太阳反射率约为0.96，同时ATSW发射率高达0.95，在多种气候条件下都能实现高效辐射制冷散热（图 3a,3b）。RH层则展示约0.96的高太阳吸收率和0.75的ATSW发射率，在保证强光照下快速升温的同时抑制红外散热，适合冬季辐射制热采暖（图 3b,3c）。在RH层的光热转换测试中，研究团队以制热层涂覆的PCM片为样本，在500-1500W m-2条件下考察光热转换与相变行为，光热转换效率从低辐照下的约46%提升至最高约95.15%，PCM温度曲线表现出典型的平台行为，表明相变材料在相变温度附近能有效缓冲温度波动（图 3d,3e）。PCM层采用化学交联复合结构，使其具有良好防渗漏能力和柔性（图 3f）。DSC测试结果显示储能材料相变焓为157 kJ kg-1、相变温度约32 ℃（图 3g）。得益于自适应辐射制冷/制热器件的薄型设计、优良柔性与拉伸强度，PCM层在弯折与形变过程中依然保持结构稳定，为SRCHF的长期自适应运行提供了材料基础（图 3h）。
图3. SRCHF 各功能层的光谱与热物性表征。(a) RC 层的实物照片及SEM图像，展示其清晰的微纤维网络结构。(b) 双功能器件在热能获取模式与冷能获取模式下的光谱吸收率/发射率曲线，对比其选择性响应。(c) RH 层的实物照片及 SEM 图像。(d) 在不同太阳辐照强度下，复合材料样品的温度–时间演化曲线。(e) SRCHF 在不同太阳辐照强度下的光热转换效率分析。(f) PCM 层的实物照片。(g) PCM 与纯石蜡在加热与冷却过程中的DSC曲线。(h) RC 层与 PCM 层的应力–应变曲线，表征其力学性能与延展性。
4．自适应辐射制冷/制热SRCHF的建筑场景实证及全季节性能
为评估SRCHF的实际应用前景，研究团队构建了实验室层级建筑模拟设备进行了验证。夏季测试中，当环境温度升至SMP冷获取模式触发温度以上时，SRCHF自动进入辐射制冷能量获取模式（图 4a）。在未激活PCM相变时，SRCHF建筑相较环境温度可实现平均2.58 ℃的亚环境降温，最高约5 ℃，室内温度平均比传统对照建筑低5.12 ℃，最高差值约9 ℃，峰值制冷功率约95 W m-2（图 4b）。在更炎热天气中，当环境温度超过PCM相变温度时， PCM通过固液相变吸收热量并释放储存的冷量，装配SRCHF的建筑其亚环境温降进一步提升至8.2 ℃，峰值制冷功率提升至141 W m-2。冬季测试中，当温度降至热获取模式触发点附近时，SRCHF自动切换为辐射制热能量获取模式。实验结果显示SRCHF建筑最高可实现较环境温度高约14 ℃的室内升温，室内温度普遍比传统对照建筑高约10 ℃，峰值制热功率密度达到565 W m-2，对应光热转换效率约87%（图 4c）。依托历史气象数据，研究团队对SRCHF在全球不同局域气候带的节能潜力进行了评估。以太阳吸收率0.5、大气透明窗口发射率0.7的常规建筑围护结构为参照，结果表明SRCHF在多种气候区均可实现显著的全年节能，最大年节能潜力可达约3192 MJ m-2，显示出自适应辐射制冷/制热SRCHF在建筑节能领域广阔的应用前景（图 4d）。
与近年来发展迅速的各类辐射调温技术相比，SRCHF具有多项突出优势（图 4e）。制冷模式下，SRCHF的峰值制冷功率高达141 W m-2，高于当前大多数静态和可切换辐射制冷材料的制冷水平（通常100-130 W m-2）。制热模式下，SRCHF最高95.15%的光热转换效率同样领先于一系列典型辐射取热材料的光热转换效率（通常50%-94%）。SRCHF辐射制热模式和辐射制冷模式的自适应切换均由形状记忆聚合物与相变材料的耦合驱动，无需外部电能、机械驱动或复杂控制系统，与传统切换技术相比该技术实现了零能耗的自适应智能切换。另外，SRCHF的一体化层状结构避免了传统分体式器件在界面结合、施工装配和环境耐久性上的诸多隐患，有利于大面积推广应用。通过辐射材料和器件层面热设计的系列创新，研发的自适应辐射制冷/制热SRCHF实现了辐射制冷和辐射制热性能指标的突破，更重要的是在设计理念上实现了从材料光谱调节向器件冷/热储能的能质调控与自适应结构的跨越，为后续发展多功能、智能化的辐射调温器件提供了新范式。
图4. SRCHF 在建筑屋顶上的全季节实验验证及全球节能潜力。(a) SRCHF 阵列部署于建筑屋顶的概念图。(b) 夏季冷能获取模式下，覆盖 SRCHF 的模型建筑与传统对照建筑的温度演化及制冷功率曲线。(c) 冬季热能获取模式下，SRCHF 建筑与传统对照建筑的温度演化及制热功率曲线。(d) 基于历史气象数据评估的全球全年节能潜力分布图，采用 SRCHF 器件替代常规围护结构时在不同气候区的单位面积年节能量。(e) 本研究提出的智能 SRCHF 在制冷功率与光热转换效率与当前代表性研究工作的对比图，涵盖单模式辐射制冷/制热材料以及多种可切换辐射系统（包括自适应、光学、电学和机械切换等）。
【总结】
本研究提出了一种集成辐射制冷、辐射制热与冷/热能量储存于一体的零能耗全季节自适应智能热管理方法，设计并制备了自适应辐射制冷/制热多功能薄膜SRCHF，进而构建了可实现夏季辐射制冷、冬季辐射制热的零能耗综合能源系统。SRCHF的核心创新在于双机制协同：（1）跨季节能量获取模式调控，通过温度响应形状记忆聚合物（SMP）实现夏季制冷模式和冬季制热模式之间的自动切换；（2）相变储冷/储热能量动态调控，通过高焓值相变材料（PCM）实现冷/热能量的储存与稳定输出；上述设计使得SRCHF在无外部能耗的前提下即可根据环境温度自动切换冷热获取模式，并显著提升昼夜与全年运行的稳定性和功率密度。性能测试表明，SRCHF实现了141 W m-2的峰值制冷功率与565 W m-2的峰值制热功率，分别达到8.2 ℃亚环境降温与14 ℃超环境升温；依托相变储能实现了全天候冷热能量缓冲与调节，有效缓解了传统辐射系统对气候条件和昼夜变化的敏感性；全球尺度模拟显示，其建筑年度节能潜力高达3192 MJ m-2。
该工作为构建新一代零能耗、全季节、智能化辐射调温技术提供了新思路，为后续将辐射光谱调控、相变储能、形状记忆材料相耦合的跨学科交叉研究奠定了重要基础。随着辐射材料体系的进一步优化、辐射器件热设计技术的发展以及工程化集成的推进，SRCHF有望在建筑节能、绿色交通、户外设施以及人体热舒适等多个领域实现广泛应用。
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