文獻前沿丨Nano Energy：基于半透明ALPS結構的可持續輻射冷卻策略，實現建筑窗戶透光與節能雙重增效

隨著全球氣溫持續上升，建筑領域的空間冷卻能耗占全球總能耗的比重不斷增大，發展可持續的熱管理技術已成為迫切需求。近年來，建筑設計中玻璃幕墻的使用日益增多，高窗墻比導致太陽能得熱顯著增加，進一步加劇了制冷負擔。輻射冷卻作為一種無需外部能量輸入、通過向太空輻射熱量實現被動降溫的策略，為建筑節能提供了新思路。然而，傳統輻射冷卻材料通常設計為不透明表面，難以應用于需要視覺通透性的窗戶場景。盡管近期研究嘗試在輻射冷卻材料中引入透明性，但普遍面臨一個根本性挑戰：太陽能透過率與冷卻性能之間存在難以調和的權衡關系。如何在保持一定可見光透明度的同時，實現對太陽輻射的有效調控并維持高效的熱輻射，成為透明窗戶輻射冷卻技術發展的關鍵瓶頸。針對上述問題，本研究提出了一種基于鋁片-PDMS夾層（ALPS）結構的半透明輻射冷卻材料。該結構通過嵌入鋁片實現太陽反射率的可調控制，同時利用PDMS層在紅外波段的高發射特性，獨立調控太陽能與熱輻射。實驗與模擬結果表明，該材料可在保持部分透光性的前提下顯著降低冷卻負荷，在不同氣候區均表現出良好的節能潛力。相關工作以A semi-transparent strategy for sustainable radiative cooling為題發表在Nano Energy期刊。

本研究提出了一種基于鋁片-PDMS夾層（ALPS）的半透明輻射冷卻材料，通過獨立調控太陽反射率與熱發射率，實現了建筑窗戶在保持一定透光性的同時顯著降低冷卻負荷。研究首先闡述了ALPS結構的設計理念與光譜調控機制，如圖1所示，該結構采用三層設計（PDMS基底、嵌入式鋁片層、PDMS覆蓋層），可在可見光部分透明的前提下實現太陽反射率的可調控制，并維持高熱發射率（>0.9）。圖2通過理論評估比較了選擇性發射器（SE）與高發射器（HE）在不同溫度條件下的冷卻性能，指出當材料溫度高于環境溫度時，高發射策略更具優勢，為ALPS的設計提供了理論依據。圖3展示了ALPS的制備流程及光學特性：鋁片面積比與鋁質量分數呈線性關系，隨著面積比從0增至63.8%，可見光反射率從0.06升至0.33、透過率從0.93降至0.28，而紅外發射率始終穩定在0.9以上。圖4進一步驗證了ALPS在彩色背景上的顏色保持能力，其在紅、綠、藍基底上仍能保留背景特征色，且在CIE色度圖中呈現向白色點收斂的中性金屬外觀。圖5基于實測光譜數據進行了能量平衡理論分析：當鋁片面積比為60%時，吸收的太陽輻照度較PDMS基準降低26%，凈熱流提高240 W/m2，平衡溫度降低12.7 K。圖6的戶外屋頂實驗證實了降溫效果：在白天太陽輻照下，AR 60%的ALPS樣品可使封閉腔體溫度較PDMS基準降低10.9°C，且可見光透過率與降溫幅度呈線性負相關（每10%透過率對應約1.6°C降溫）。最后，圖7基于EnergyPlus模擬了ALPS在美國不同氣候區的年制冷負荷削減量：AR 60%樣品在德克薩斯州最高可節省84.4 MJ/m2·年，在紐約和Great Falls等溫和地區也可節省約49 MJ/m2·年，表明其在高溫地區（如美國南部及西南部）具有最佳節能潛力。

圖1：ALPS結構的概念與結構表征。(a) ALPS應用于建筑窗戶以實現輻射冷卻的示意圖；(b)在6英寸晶圓上制備的ALPS結構實物照片；(c)嵌入PDMS中的鋁片光學顯微圖像；(d) ALPS的橫截面掃描電鏡圖像；(e)不同鋁片面積比（AR）的ALPS樣品在太陽光譜范圍的反射率與紅外波段發射率譜圖。

圖2：基于選擇性發射器（SE）與高發射器（HE）的輻射冷卻器理論冷卻性能評估。(a)不同材料溫度（Tmat）和環境溫度（Tamb）下的概念場景；(b)理想化的光譜太陽反射率與紅外發射率曲線；(c)不同太陽反射器與紅外發射器組合下凈熱流隨Tmat的變化；(d)平衡溫差（ΔT = THE – TSE）隨環境溫度和太陽透過率的變化關系。

圖3：ALPS結構的制備過程與光學性能。(a) ALPS制備流程示意圖；(b)鋁質量分數與鋁片面積比之間的線性關系；(c, d)不同鋁片面積比樣品在可見光（VIS）和近紅外（NIR）波段的平均反射率與透過率；(e–g) ALPS樣品在可見光與近紅外波段的光譜反射率與透過率曲線。

圖4：ALPS樣品在彩色背景上的顏色保持與視覺外觀。(a–c)分別置于紅、綠、藍色基底上的ALPS樣品實測反射光譜；(d)根據圖4a、4b、4c光譜數據反演得到的感知顏色；(e) ALPS樣品在紅綠藍（RGB）紙張上的實物照片；(f)不同鋁片面積比下的CIE 1931色度圖。

圖5：ALPS樣品的能量平衡理論分析。(a)吸收的太陽輻照度；(b)向外輻射熱流；(c)環境溫度Tamb= 300 K時的向內大氣輻射；(d)環境溫度Tamb= 300 K、熱傳遞系數HTC =10W/m2K條件下凈熱流隨鋁片面積比（AR）的變化關系。

圖6：實驗裝置與輻射冷卻測試結果。(a)室外測試腔體示意圖；(b)屋頂測試裝置實物照片，包含四個相同的測試腔體；(c)實測腔體溫度與太陽輻照度隨時間的變化；(d) ALPS樣品相對于PDMS基準樣品的降溫幅度（ΔT）；(e)可見光透過率與降溫幅度之間的線性關系。

圖7：基于EnergyPlus模擬的ALPS結構氣候適用性分析。(a)美國大陸地表溫度分布；(b)采用AR 60% ALPS時預測的年制冷負荷削減量（MJ/m2）；(c)六個代表性城市在AR 20%、40%和60%條件下的冷卻節能對比。

小結：本研究提出了一種基于鋁片-PDMS夾層（ALPS）的半透明輻射冷卻材料，能夠在保持一定可見光透過率的同時，獨立調控太陽反射率與紅外發射率，顯著降低建筑窗戶的冷卻負荷。該結構由PDMS基底、嵌入式鋁片層和PDMS覆蓋層組成，鋁片面積比（AR）可線性調節太陽反射率（0.05–0.35），同時PDMS確保熱發射率始終高于0.9。戶外實驗表明，AR 60%的ALPS樣品可使腔體溫度較PDMS基準降低10.9 °C，可見光透過率每下降10%約提升降溫幅度1.6 °C。理論分析顯示，AR 60%樣品吸收的太陽輻照度降低26%，凈熱流提高240 W/m2，平衡溫度降低12.7 K。EnergyPlus模擬美國不同氣候區表明，AR 60%樣品在德克薩斯州年制冷負荷削減84.4 MJ/m2，在紐約等溫和地區亦可節省約49 MJ/m2。此外，ALPS在紅、綠、藍背景上能保持原有色彩，滿足窗戶的色彩保真需求。本研究為高窗墻比建筑中實現透光與節能的平衡提供了一種結構簡單、可溶液加工的半透明輻射冷卻新策略，對零能耗建筑和能源可持續發展具有重要意義

論文信息：Chang I, Kim J, Nam J, et al. A semi-transparent strategy for sustainable radiative cooling. Nano Energy. 2026, 112064,. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2026.112064.

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