据统计，2021年中国建筑运行能耗占全国能源能耗的21%,CO2排放量占全国总排放量的19%[1]。其中，暖通空调系统的能耗最大[2],而建筑围护结构的热工性能对其影响显著[3]。因此，将新型节能材料与建筑围护结构结合是降低建筑能耗的重要措施。目前，辐射制冷材料(RCM)与相变材料(PCM)已逐步应用于建筑围护结构中，显著降低了建筑能耗[4-7]。RCM通过“大气窗口”向低温宇宙发射红外辐射，从而实现降温[8]。相比传统制冷技术，这种天空辐射制冷技术具有零能耗和零排放的优势[9-10]。PCM通过其相变潜热来提高建筑围护结构的储热性能，从而达到建筑节能的效果[11-12]。然而，单独使用RCM或PCM时均存在一些弊端：天空辐射制冷技术的制冷效率通常较低，且冬季仍会进行辐射制冷，增加建筑的供暖成本；而PCM在强烈的太阳辐射下，可能导致相变时间缩短，夜间放热不完全等问题。因此，基于两种材料的特性，在建筑围护结构中将相变材料与辐射制冷材料进行耦合，可以结合二者的优势，弥补单一材料的不足，进一步降低建筑能耗。

1、辐射制冷材料

1.1 辐射制冷材料的分类

国内外学者对RCM进行了广泛研究。早期的研究主要集中于夜间辐射制冷，后逐步发展出具有日间超高辐射性能的材料[13]。根据材料的组成，RCM可分为高聚物类、着色涂料类、纳米材料类和多孔材料类等。RCM分类及优缺点见表1。

表1 RCM分类及优缺点

高聚物类辐射制冷材料包括聚氟乙烯(Tedlar)、聚氯乙烯(PCV)和聚甲基戊烯(TPX)等。Granqvist等[17]对这3种高聚物塑料薄膜的光透率进行了研究，结果发现它们虽然在中等红外选择性范围内表现出一定的透过率，但在大气窗口外的透射率却很低。这表明高聚物类辐射制冷材料在日间的辐射制冷效果较差。Wang等[18]利用聚偏氟乙烯/正硅酸四乙酯纤维制备了一种高性能柔性混合膜辐射器(FHMR),结果发现厚度为300μm的FHMR平均红外发射率>0.96,太阳反射率约为0.97,并且FHMR还具有极好的柔韧性和较高的强度。在太阳辐射强度为1000W/m2下，该装置的平均辐射冷却功率为61W/m2,温度下降高达6℃。

着色涂料是一种以二氧化钛或硫酸钡等材料为主要成分的光谱选择性辐射制冷涂料。Michell等[19]在镀锌钢板表面涂上二氧化钛涂料，制造出一种波长大于3μm的“黑体”辐射制冷材料。当散热面温度为5℃时，有效冷却功率为22W/m2。Li等[20]采用60%(体积分数)的BaSO4填料与丙烯酸混合，制备了复合辐射制冷涂料，实现了0.981的太阳反射率和0.95的大气窗口发射率。此外，BaSO4薄膜使表面温度保持在环境温度之下4.5℃,平均制冷功率达117W/m2。

纳米材料通过共振增强反射率和吸收率。Cai等[21]用氧化锌纳米粒子嵌入多孔聚乙烯材料，开发出了一种光谱选择性的纳米复合纺织品。实验表明，相比传统纺织品，该材料在模拟皮肤实验中可实现超过10℃的降温效果，对应的冷却功率超过200W/m2。Xu等[22]采用天然深层共晶溶剂制备了具有纳米粒子(NPs/NADES@PAAm/PVA)的聚丙烯酰胺/聚乙烯醇水凝胶。测得其太阳反射率约为0.95,大气窗口发射率约为0.92。在户外实验中，NPs/NADES@PAAm/PVA在不同处理条件下分别实现了2.9℃、6.2℃和3.6℃的降温效果。Zhai等[23]将谐振极性介电微球(SiO2粒子)随机嵌入聚甲基戊烯中，得到了一种新型纳米辐射制冷材料。该材料对太阳光谱完全透明，同时在整个大气窗口的红外发射率大于0.93的。经过镀银处理后，在阳光直射下，其辐射冷却功率可达93W/m2。

多孔类辐射制冷材料通过多孔结构对特定波长电磁波的散射作用，提高了太阳反射率和红外发射率。Xiang等[16]设计了一种基于三维多孔纤维素乙酸酯(3DPCA)薄膜与单侧自动沉积SiO2微球的新型复合材料。实验表明，富集SiO2侧的3DPCA/SiO2薄膜表现出96%的平均太阳反射率和95%的平均红外发射率，夜间降温效果约为8.6℃,日间约为6.2℃。Mandal等[24]将聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物[P(VdF-HFP)]与水和丙酮混合，通过相分离形成多孔结构，制备了多孔聚合物涂层。该涂料在太阳光谱的反射率达到了96%,通过非致密空腔增强了化学键原子的振动，使大气窗口波段的发射率高达97%。在太阳辐射强度为890W/m2和750W/m2时，可实现低于环境温度约6℃,制冷功率分别达到了96W/m2和83W/m2。

1.2 辐射制冷材料在建筑围护结构的应用

将RCM应用于建筑围护结构上，可以显著降低建筑能耗。这项技术的工作原理是利用高太阳反射率的RCM来反射太阳光，从而减少建筑围护结构吸收的太阳热量；同时，高“大气窗口”发射率能够将聚集在建筑围护结构表面的热量以长波辐射的形式迅速地释放到外太空[13],因此，散热量大于得热量，制冷功率为正，从而实现建筑降温效果。

近年来，国内外学者对RCM在建筑中的应用进行了广泛研究，证明了其在建筑节能中的巨大潜力。例如，Tang等[25]开发了一种辐射制冷玻璃复合结构窗户(RCG),实验表明，使用RCG的室内温度比普通玻璃低26.43℃,夜间温度可低于环境温度8.03℃,显著改善了室内热环境。Xuan等[26]用金红石型TiO2纳米颗粒和玻璃微球作为功能填料，以聚苯乙烯乳液为基体材料，制备了一种辐射制冷涂层(RCC),并通过对照实验验证了其效果。实验显示，涂覆RCC的集装箱办公室屋顶表面温度和室内空气温度显著降低，空调系统的电力消耗降也比对照办公室减少了23.5%。

此外，Tang等[27]开发了一种基于WxV1-xO2材料的机械柔性涂层，通过光子共振放大效应实现了热辐射率的自动切换。当环境温度低于15℃时，热辐射率约为0.20;当温度高于30℃时，自动切换至0.90。将这种涂层应用于建筑屋顶，在气候温差较大的地区展现出显著的节能效果。Xue等[28]提出了一种结合粒子散射、阳光激发荧光和中红外宽带辐射的通用方法，用于升级常规建筑涂料，从而实现自适应的亚环境日间辐射冷却效果。实验结果表明，该涂层在铝板上可实现6℃的亚环境温度下降，日间冷却功率为84.2W/m2。张玉海[29]研究了不同反射率的涂料与墙体朝向对墙体降温的影响，结果显示，随着反射率的增大，墙体降温幅度也增加。然而，当反射率增大到一定程度时，其对墙体传热的影响变得不再显著。同时，在冬季，高反射率涂料减少了建筑太阳辐射得热，同时增加了建筑散热，会导致供暖能耗增加。

由此可见，辐射制冷技术是一种极具潜力的建筑节能手段，将其与建筑围护结构结合能够有效降低建筑能耗。然而，辐射制冷技术仍存在制冷功率较低、易受天空云量影响、以及在寒冷冬季或夜晚可能导致过度制冷等问题。

2、相变材料

2.1 相变材料的分类

相变材料(PCM)种类繁多，其中固-液PCM因其能量密度高、体积变化小、可获得性好、环境友好、成本低等特点，在建筑领域中得到了广泛的应用[30]。固-液PCM可分为3种类型：有机PCM、无机PCM和共晶PCM[31-33]。有机PCM包括石蜡类和非石蜡类。石蜡类PCM是饱和碳氢化合物，其相变温度在-10～100℃之间[34]。非石蜡类PCM主要包括脂肪酸和脂肪醇等，其稳定性比石蜡类强。有机PCM具有化学稳定性好、储能密度大、无腐蚀无毒性、凝固时过冷度小以及成核率高等优点，因此在建筑中被广泛使用[35-38]。无机PCM包括盐类水合物、金属合金和无机盐，其相变温度范围在-100～1000℃之间。与有机PCM相比，无机PCM具有更高的单位质量熔融热和更低的成本，但存在过冷相分离、缺乏热稳定性、腐蚀和分解等问题[39]。共晶PCM是由两种及两种以上的PCM复合而成的，主要分为有机-有机PCM、有机-无机PCM和无机-无机PCM这3种。

2.2 相变材料在建筑围护结构的应用

在建筑围护结构中，常用的PCM储能方式为被动式相变储能。这种方式利用太阳能或外界环境温度的变化，实现能量存储，既能提高人体舒适度又能降低建筑能耗[40]。

Sarı等[41]使用癸酸(CA)和肉豆蔻酸(MA)的共晶混合物，通过真空嵌入法将其吸收到水泥中，开发了一种相变泥浆(Cb-CPCM)。实验结果显示，Cb-CPCM的室内温度与普通泥浆相比平均低0.78℃,且其熔化和凝固温度(21.13℃/17.9℃)适宜，具备较高的潜热储存与释放能力。然而，在强烈的太阳辐射下，其温度上升过快，储热量会迅速消耗殆尽。Hawes等[42]通过直接浸泡和渗入的方法，将25%～30%的PCM浸渍在石膏墙板中，结果表明这种材料比传统石膏板质量增加22%,但混凝土块的储能能力提升200%～230%。此外，这种储能装置还能减少峰值能源需求，这将为电力、天然气和区域供热公用事业产生更均匀的系统负荷特性，从而节省发电传输和分配费用。樊智轩[43]采用导热系数较低的膨胀珍珠岩(EP)作为多孔吸附材料，通过真空吸附法制备了膨胀珍珠岩基复合相变材料，并搭建了3个实验台，分别使用普通墙体(房间1),相变墙体(房间2)和相变通风墙体(房间3)。实验发现，房间2和房间3的西墙内表面最高温度分别比房间1低3.6℃和5.0℃。由此可见，将PCM嵌入墙板中可以有效提高储热能力，减少室内空气温度波动。Karim等[44]通过在空心混凝土楼板的圆柱孔中插入PCM,改善了楼板的热惯性。实验显示，白天部分太阳辐射热量通过PCM的熔化过程吸收；夜间则通过PCM的凝固释放。此方法提高了楼板的热惯性，增强热存储和延迟释放能力，从而改善室内温度稳定性。Royon等[45]将PCM嵌入含有8个圆柱形孔的地板中，并研究了6种不同体积分数的PCM环形配置对地板温度变化的影响。研究发现，当PCM浓度为50%时，地板温度波动最小，表面温度最低。这表明在地板上填充PCM可显著减少地板表面温度波动，提高房屋的热舒适性和热惯性。

PCM在相变过程中能够吸收和释放大量热量，与建筑围护结构结合后，可以增强建筑的储热能力，减少室内温度的波动。然而，单独使用PCM可能会导致夜间放热不完全的问题。此外，在夏季高太阳辐射下，一层PCM难以抵御强烈的太阳辐射热，其储热量可能迅速消耗殆尽。

3、建筑围护结构中辐射制冷材料与相变材料的耦合应用

RCM与建筑围护结构结合能够有效降低建筑能耗，但在寒冷的冬季或夜晚，RCM的降温效果可能增加建筑的供暖成本。PCM凭借其优异的储热性能在建筑领域得到了广泛应用，但单独使用时，PCM可能难以抵御强烈的热流。将PCM与RCM耦合可以弥补各自的不足，使建筑物具备优异的隔热和储热能力，从而最大程度降低空调能耗[46]。在白天，最外层的RCM可以反射一部分太阳辐射，使PCM不易过早融化，从而充分发挥其储热特性；在夜晚，RCM可以加快PCM的放热过程，有效解决PCM夜间放热不完全的问题。近年来，已有学者对屋顶和墙体中RCM与PCM的耦合应用进行了研究。

Yang等[47]在房屋屋顶中结合PCM,并在屋面表层涂上一层反射率为0.47的白色水漆，开发了一种PCM冷却屋顶。研究表明，在冬季、过渡季节和夏季，使用PCM冷却屋顶的房间屋顶表面温度分别降低了2.5℃、4.7℃和5.7℃,显示出这种屋顶在各季节都能有效降低表面温度，并且在首尔的气候下表现良好。Lu等[48]使用ZS-221型涂料，设计了一种结合PCM与RCM的新型节能屋顶。实验结果显示，与单独使用RCM的屋顶相比，新型节能屋顶通过屋顶进入室内的热量平均减少了10.62%,最大减少量达到14.68%。与单独使用PCM的屋顶相比，新型节能屋顶房间的热流峰值降低了2.85W/m2。Liu等[49]制作了一种新型辐射冷却相变屋顶(RC-PCR),并搭建了普通屋顶(OR)、相变屋顶(PCR)和辐射冷却相变屋顶(RC-PCR)这3个实验模型。结果表明：在夏季，RC-PCR的室内表面温度峰值较PCR降低了4.6℃,室内空气温度峰值降低了3.1℃;在冬季，表面温度峰值降低了2.2℃,室内空气温度峰值降低了1.7℃。由此可见，在夏季，RC-PCR的热性能明显优于OR和PCR,但在冬季有轻微负面影响。张怡雪[50]搭建了传统屋顶、冷屋顶、PCM屋顶和相变冷屋顶这4种不同类型的屋顶，模拟宁夏夏季气候条件，研究了它们的隔热性能和节能效果。结果表明：相较于传统屋顶，其他3种屋顶均有效地减小了室内温度波动，尤其是相变冷屋顶，其能降低室内峰值温度6.6℃,节能率达到52.9%。这表明将PCM与RCM耦合应用于屋顶可以有效控制室内温度并减少建筑能耗。

余才锐等[51]提出了一种集PCM、微槽道热管、丙烯酸树脂辐射制冷板的新型节能墙体。实验中，3个房间的南墙分别使用砖墙、相变砖墙、相变-辐射砖墙。结果显示，相变-辐射砖墙房间的得热量较砖墙房间和相变砖墙房间分别低41.4%和21.3%,其室内日平均温度比相变砖墙房间低0.4℃,表现出较好的节能效果。Zhang等[52]将具有高潜热蓄热能力和等温相变特性的PCM应用于建筑墙体的辐射制冷涂层中，设计了一个小房间，南墙内部有一层厚度20～50mm的PCM,最外层覆盖辐射制冷涂层。结果表明，这种PCM-RC墙体可以使外部温度低于环境温度，最大降低墙体外温度13.63℃,显示出辐射制冷和潜热蓄热的双重效果节能效果。Tao等[53]提出了一种由选择性超疏水辐射冷却发射极(SRCE)和相变材料(PCM)组成的动态辐射冷却材料(PCM@NF@SRCE)。在室外测试中，PCM@NF@SRCE在炎热天气下较SRCE具有更好的亚环境冷却效果，在寒冷天气下可保持更高的温度。利用Designbuilder软件进行建筑能耗模拟，模拟墙体使用了PCM@NF@SRCE,考虑不同地区的天气条件，结果显示，在大多数气候区域，安装PCM@NF@SRCE的建筑都比安装裸SRCE的建筑更节能，年平均节约7.7kWh。

此外，PCM的温度、位置和厚度都会对建筑内环境产生一定的影响。例如，Piselli等[54]利用高反射率的冷却膜和PCM,制作了辐射冷却相变屋顶，并模拟了地中海气候(罗马)和沙漠气候(阿布扎比)条件下的性能，分别选择了相变温度为25℃、35℃、45℃、55℃的4种PCM进行研究。结果表明，最佳PCM熔点随气候条件和季节变化而不同：在地中海气候(罗马),冷却膜配置PCM熔点为25℃时效果最佳；在沙漠气候(阿布扎比)中，35℃的PCM效果最好。Zhang等[55]制作了一种冷相变屋顶，探讨了PCM位置和厚度对热惯性的影响。研究表明，PCM位于水泥内层时冷却效果最佳，厚度从0mm增加到5mm可以显著降低室内温度，但进一步增加到10mm和15mm时，温度降低幅度减小。由此可见，PCM的位置对冷却性能有显著影响，增加PCM厚度可以增强屋顶的热存储能力。因此，在应用PCM与RCM耦合技术时，应根据当地的气候条件选择适合的相变温度和厚度。

综上所述，在将PCM与RCM耦合应用于建筑围护结构中是一种非常有效的被动式建筑节能手段。与单一使用RCM或PCM相比，二者的耦合可以弥补各自的不足，进一步降低建筑能耗。此外，在选择PCM时，其相变温度、位置和厚度会显著影响冷却性能，因此需要根据当地气候条件确定最佳的PCM与RCM组合。

4、结语与展望

全球二氧化碳排放不断增加导致全球气温不断上升，建筑节能对于当今的能源形势至关重要。将RCM与PCM耦合并应用于建筑围护结构可以显著降低建筑能耗。这种耦合技术无论是在冬季提供室内保温，还是在夏季进行辐射制冷方面，均表现出优于单独使用RCM或RCM的效果。然而，目前RCM与PCM耦合技术仍面临一些挑战。以下简要总结了这些挑战，并为未来的研究方向提出了建议。

(1)气候适应性：

目前的大量研究文献都在特定气候条件下分析了PCM与RCM在建筑中的热性能。然而，PCM和RCM的性能在不同地理位置和气候条件下可能存在显著差异。这种差异会影响材料的使用效果，因此未来的研究应综合考虑风速、湿度、地理位置等因素对材料选择的影响。

(2)居住舒适度：

大多数研究在探讨RCM与PCM耦合技术时，忽略了居住者的舒适度问题。这些研究多集中在实验室条件下的小规模建筑模型上，而这些模型往往无法反映实际居住环境的复杂性。未来的研究应考虑实际建筑物，并评估这种耦合技术对居住者舒适度的影响。

(3)力学性能影响：

在一些应用中，PCM被直接封装到建筑材料内部，或者直接将建筑材料浸泡在PCM中。然而，这可能对建筑材料的力学性能产生潜在影响，尚需进一步研究以确定这些材料在长期使用中是否会影响建筑结构的安全性和稳定性。

(4)材料耐久性：

RCM与PCM的耐久性也是一个值得关注的问题。这两种材料的性能是否能够在建筑的整个使用寿命期间保持稳定性，以及它们在长期使用之后是否还能维持有效的保温和制冷性能，都是未来研究的关键领域。

参考文献:

[1]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报2023(城市能源系统专题)[M]北京:中国建筑工业出版社,2023.

[2]靳爱民,程薇.EIA预测2010—2040年世界能源需求变化趋势[J].石油炼制与化工,2013,44(11):23.

[3]王烨,孙鹏宝,付银安,等.不同建筑热工分区办公建筑外围护结构负荷指标影响因素权重[J].土木建筑与环境工程,2017,39(1):7-12.

[4]俞铁军,俞唯一,魏亦宁,等.辐射制冷涂层系统及其在建筑隔热保温工程中的应用[J].建设科技,2023(23):43-46.

[9]郑伟栋,肖紫宣,王磊,等.天空辐射制冷对轻质围护结构建筑能耗的影响研究[J].制冷与空调,2024,24(7):32-38.

[10]朱亚著.天空辐射制冷性能影响因素及在我国资源分布规律研究[D].南京:东南大学,2021.

[11]马超,万保清,吴渝,等.相变材料在建筑领域中的应用[J].中国建材科技,2020,29(6):27-30.

[12]杨玉清.相变储热技术在绿色建筑中的实践与应用[J].储能科学与技术,2023,12(12):3886-3888.

[15]刘扬,潘登,陈文,等.纳米光学辐射传热:从热辐射增强理论到辐射制冷应用[J].物理学报,2020,69(3):1-18.

[29]张玉海.热反射涂料对建筑能耗影响的理论分析与实验研究[D].济南:山东建筑大学,2022.

[32]娄淑琴,易俊,成文,等.相变材料在建筑热管理中的应用[J].生物化工,2023,9(6):140-151.

[33]王迎斌,张海峰,贺行洋,等.相变材料的研究进展及应用[J].建材世界,2020,41(2):6-8.

[40]赵合瑾,万贤,路佳慧,等.相变储能材料在建筑领域的发展和应用[J].中国塑料,2023,37(11):46-61.

基金资助:江西省自然科学基金项目(20242BAB25281);赣鄱俊才支持计划-急需紧缺海外人才引进项目(20242BCE50075);江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ2200817);江西理工大学高层次人才资助项目(205200100620);

文章来源:赖蔓崎,王艳,曹雄金,等.建筑围护结构中辐射制冷材料与相变材料耦合应用的研究进展[J].化工新型材料,2024,52(S2):332-337+344.