文獻前沿丨Adv. Mater.：面向人體熱舒適的自適應太陽-輻射熱調節器

隨著全球建筑供暖與制冷需求持續增加，以及人體熱舒適對動態環境適應性的要求不斷提升，單一被動輻射冷卻或單一太陽能加熱材料難以滿足不同季節和晝夜條件下的全年熱調節需求?，F有自適應輻射熱管理器件雖然可以根據環境溫度實現冷卻與加熱切換，但大多僅受溫度刺激響應，難以同時適應太陽輻照、濕度和熱舒適需求的共同變化。為此，本文提出了一種面向人體熱舒適的多刺激響應的自適應太陽輻射熱調節器。該器件由Janus致動器和輻射冷卻基底組成，其中Janus致動器一側為Ti?C?T?-CNF選擇性太陽吸收層，另一側為nylon 6/PTFE被動輻射冷卻層，冷卻基底則由蜂窩狀多孔PES、TiO?和Al?O?納米顆粒構成。性能測試表明，Ti?C?T?-CNF側具有約85%的太陽吸收率和19%的紅外發射率，可提供824 W m?2的加熱能力。冷卻基底具有97%的太陽反射率和92%的大氣窗口紅外發射率，使器件在輻射冷卻模式下實現?114 W m?2的凈冷卻功率。隨著環境溫度升高、相對濕度降低和太陽輻照增強，Janus致動器逐漸彎曲并暴露冷卻側，從而實現由輻射保溫、太陽加熱到輻射冷卻的連續調節。戶外模型屋測試進一步表明，自適應屋頂可在冬季白天將室內溫度維持在約25 ℃。全球能耗模擬顯示，該器件在不同氣候區域具有約15%–50%的建筑節能潛力。該研究為綠色建筑、智能紡織品和自適應熱管理材料提供了新的設計思路。相關工作以Toward Human Thermal Comfort: An Adaptive Solar-Radiative Thermoregulator為題發表在Advanced Materials期刊。

本文提出了一種由Janus致動器和輻射冷卻基底組成的多刺激響應太陽輻射熱調節器。本文首先通過全球PMV偏差模擬說明，相比輻射冷卻、太陽吸收和單溫度響應系統，多刺激響應器件更有利于維持全年熱舒適(圖1)。隨后，本文構建了由Ti?C?T?-CNF選擇性太陽吸收層、nylon 6/PTFE被動輻射冷卻層和PES-TiO?-Al?O?冷卻基底組成的熱調節器。實驗結果顯示，該器件具有從824 W m?2加熱到?114 W m?2 制冷的連續熱調控潛力(圖2)。力學、抗風、粘附、彎曲循環、浸水和紫外測試進一步證明了器件的戶外可靠性(圖3)。多氣象變量響應測試表明，溫度、太陽輻照度和相對濕度可共同調節致動器彎曲角，使器件在加熱和冷卻模式之間自動切換(圖4)。戶外模型屋測試和全球能耗模擬表明，該自適應屋頂可在冬季白天維持接近25 ℃的室內溫度，并在多種氣候下展現出較好的節能潛力(圖5)。該研究為面向熱舒適的自適應建筑熱管理和智能熱調節材料提供了新的設計思路。

圖1自適應器件在緩解全球建筑供暖與制冷需求方面的潛力。(a)全球供暖和制冷需求分布圖，并疊加人口密度信息。陰影區域表示同時需要空調制冷和空間供暖的地區。(b)用于熱舒適調控的多刺激響應屋。(c)在無主動HVAC條件下，M-adaptive、T-adaptive、PRC和SSA系統在全球二十個代表性城市中的平均PMV偏差。

圖2自適應器件的概念驗證。(a)器件處于輻射保溫模式。當溫度很低、相對濕度很高且太陽輻照為零時，低發射率的SSA面朝上。冷卻基底中每個致動器的平面尺寸為7×7 cm2。(b)太陽加熱模式。當溫度較低、相對濕度下降且太陽升起時，SSA面暴露在陽光下。(c)輻射冷卻模式。當溫度較高、相對濕度較低且太陽輻照較強時，Janus驅動器完全向上彎曲，白色高發射率PRC面朝上。(d)由層壓Ti?C?T?-CNF復合層、nylon 6膜和PTFE膜組成的Janus驅動器結構示意圖。(e)制備得到的Janus驅動器截面SEM圖像，比例尺為10 μm；插圖為層壓Ti?C?T?-CNF復合層的截面SEM圖像，比例尺為200 nm。(f)由蜂窩狀多孔PES、TiO?和Al?O?納米顆粒構成的制冷基底截面SEM圖像，比例尺為2 μm。(g) Janus驅動器的Ti?C?T?-CNF面、nylon 6面以及制冷基底的實測吸收率/發射率光譜。(h)環境溫度為25 °C時，器件分別在SSA模式和PRC模式下工作時的凈熱通量隨器件溫度的變化關系。

圖3熱調節器件的力學性能與耐久性。(a) nylon 6膜和Janus驅動器在拉伸測試中的應力–應變曲線。(b) Ti?C?T?-CNF/nylon Janus驅動器在不同風速下的彎曲角變化，風速最高約為9 m/s。(c)橫向切割粘合試驗示意圖，以及Ti?C?T?/nylon驅動器和Ti?C?T?-CNF/nylon驅動器的測試結果。(d)在環境溫度為23 °C、相對濕度為40%條件下，經過最高10,000次機械彎曲循環后，器件的太陽吸收率、熱發射率和彎曲角變化。(e) Ti?C?T?-CNF/nylon驅動器在經96 h浸水處理后的太陽吸收率、熱發射率和彎曲角變化。(f)不同顏色織物的CIE 1931色度坐標。(g)不同顏色織物的中紅外發射率曲線。插圖為彩色冷卻側微褶皺結構的SEM圖像。(h) Ti?C?T?-CNF/nylon驅動器經紫外線照射3個月后的太陽吸收率、熱發射率及彎曲角度。

圖4對多種氣象變量的響應。(a)不同CNF含量的Ti?C?T?-CNF/nylon Janus驅動器在不同溫度下的彎曲角。(b)溫度變化引起彎曲變形的示意圖。(c)在環境溫度固定為0 °C、相對濕度為90%條件下，，不同CNF含量的Ti?C?T?-CNF/nylon Janus驅動器在不同太陽輻照度下的彎曲角。(d)不同CNF含量的Ti?C?T?-CNF/nylon Janus驅動器在不同相對濕度下的彎曲角。(e) Ti?C?T?-CNF/nylon Janus驅動器在不同相對濕度和驅動器溫度下的彎曲角。(f)雙層結構彎曲行為示意圖。

圖5 .對配備自適應或非自適應（SSA或PRC）屋頂的模型房屋進行現場測試。(a)現場測試期間，三座模型房屋及氣象站的實拍圖。(b)分別帶有SSA屋頂（標記為SSA房屋）、自適應屋頂（標記為adaptive房屋）和PRC屋頂（標記為PRC房屋）的三座模型房屋的俯視圖。(c)三座模型房屋的示意圖及其內部熱電偶的分布。Troom和Troof分別對應每棟房屋的室內溫度和屋頂溫度。(d) 2022年12月25日香港三棟模型房屋的24小時室內溫度曲線（Troom）、環境溫度曲線以及太陽輻照曲線（橙色填充區域）。插圖為不同時間點自適應屋頂彎曲狀態的實拍圖。(e) 2022年12月25日香港地區配備SSA屋頂、多適應性屋頂及PRC屋頂的住宅內人員PMV值。(f) J2024年8月5日香港地區24小時室內溫度曲線、環境空氣溫度以及太陽輻射曲線。(g)三種模型房屋在夜間（00:00–06:00和18:00–24:00）、白天（06:00–18:00）及全天（00:00–24:00）的|Troom-25|對比。(h)顯示節能分析所選城市的全球地圖。(i)在圖5h所示城市中，為維持熱舒適度而運行暖通空調系統時，M自適應裝置與傳統混凝土、預應力混凝土（PRC）及自支撐結構（SSA）技術相比所實現的年度節能量。

小結：本文制備了一種大面積自適應熱調節器件，該器件由Janus致動器和冷卻基底組成。每個Janus致動器具有兩面，一面是由Ti3C2Tx和纖維素納米纖維復合材料構成的選擇性太陽輻射吸收面，另一面是由nylon 6多孔薄膜制成的被動輻射冷卻面。該智能器件能夠適應環境溫度、太陽輻照強度和相對濕度等多種氣象變量的變化，從而解決了輻射冷卻器作為屋頂材料時的過冷，以及太陽吸收器作為屋頂材料時的過熱問題。該器件具有優異的粘附強度、機械強度，以及抗風雨能力，確保了長期戶外使用的可靠性。戶外測試表明，盡管環境條件變化較大，自適應模型屋仍能在白天大部分時間保持25°C的恒定室溫。全天來看，其室溫比太陽能吸收屋和輻射冷卻屋分別更接近舒適溫度1.5°C和1.9°C。與當前被動式溫控技術相比，有助于降低空間制冷或供暖的空調能耗。此外，在典型冬季日間的大部分時間里，該自適應裝置能維持人體熱舒適度（?0.5

論文信息：Li Y, Zhang Z, Liu S, et al. Toward Human Thermal Comfort: An Adaptive Solar‐Radiative Thermoregulator. Advanced Materials, 2026: e21765. https://doi.org/10.1002/adma.202521765

都看到這里了，關注一下吧^_^

聲明：本文部分素材源自網絡，版權歸原作者所有。分享旨在促進信息傳遞與學術交流，不代表本公眾號立場，如有不當，請聯系我們處理。歡迎從事【太陽能綜合利用/輻射制冷/微納尺度傳熱】等相關領域學者分享您最新的研究工作，我們將竭誠為您免費推送，投稿郵箱：wangcunhai@ustb.edu.cn