随着全球气温上升对人类文明构成基本的经济、健康和安全风险，维持可居住的建筑环境已成为我们这个时代最重要的挑战之一。目前，建筑物的冷却和供暖消耗了全球12%的能源，预计到2050年，特别是用于冷却的能源消耗将大幅增长。不幸的是，流行的热管理方法，如空调和加热器消耗大量电力和燃料并产生自身热量，导致了直接和间接的温室气体排放。此外，在城市地区，空调产生的净热量导致了局部加热的加剧。事实上，主动温度调节方法可能会加剧气候变化和由此产生的冷却需求。因此，它们不是建筑环境中大规模热管理的可持续解决方案。

随着全球气温的升高，维护适宜居住的建筑物已成为一项全球性挑战，建筑物以辐射的形式与周围环境交换大部分热量，通过调整其外壳的光学特性以利用辐射在环境中的行为方式，可以通过新颖且有效的方式控制建筑物中的热量。

希腊圣托里尼岛

通过使屋顶和墙壁反射阳光来冷却建筑物已经实践了几个世纪，例如希腊的圣托里尼岛或印度的焦特布尔等历史名城。近年来，人们对反射阳光的凉爽屋顶涂料产生了浓厚的兴趣，但冷却墙壁和窗户是一个更加微妙和复杂的挑战。

减少主动冷却和供暖需求的一个核心机制是控制建筑物内外辐射热流的进出。为此，数十年的研究探索了通过建筑物的不同组成部分（如屋顶、墙壁和窗户）控制太阳热增益的策略。材料和光学设计的创新使得能够针对太阳光谱的不同波段（紫外线、可见光和近红外波长）进行定制响应。然而，建筑环境还通过热红外（TIR）波长（λ~2.5–40 μm）与其周围环境辐射和吸收热量。这种无处不在的热量交换在很大程度上尚未被利用来提高建筑物的效率。

一个重要的例外是面向天空的建筑物立面的辐射冷却，它涉及通过长波长红外（LWIR；λ~8–13 μm）大气传输窗口将热量辐射到外太空。由于地球的温度（~290 K）高于外太空（~3 K），如果面向天空的表面在LWIR波长下具有高发射率（εLWIR），则辐射热损失可能很大。如果它还具有足够高的太阳反射率（Rsolar），则即使在阳光下也能失去热量并辐射冷却至低于环境温度。辐射冷却的被动性质和净冷却效果使其成为主动冷却系统的可持续替代方案。该领域的研究产生了一系列面向天空的设计，如传统白色涂料、多孔聚合物、银背多层薄膜、聚合物、电介质以及聚合物-电介质复合材料。这些设计既包括可以实现深亚环境温度的选择性LWIR发射材料，也包括适合在或接近环境温度下运行的宽带热发射材料。其他工作还确定了针对不同天气和气候条件调整辐射冷却的策略。

虽然针对水平、面向天空的表面，辐射冷却已得到深入研究，但典型建筑物的大部分表面积可能是垂直的。控制垂直立面的温度更具挑战性，因为它们不仅面向寒冷的天空，还面向地面环境，地面环境在夏季变暖、在冬季变冷；这种现象在夏季会大大降低甚至逆转辐射冷却效果，而在冬季其逆转则会导致过冷。据我们所知，先前的研究中并未考虑垂直表面季节变化的地面辐照度的影响。因此，确定一种能够被动调节面向阳光的建筑垂直立面的被动机制仍是一个重要且尚未解决的挑战。

全新被动热调节机制

普林斯顿大学和加州大学洛杉矶分校的研究人员发明了一种新的被动气候控制技术，使用普通材料选择性地管理辐射热，提供了一种可持续的方式来显著提高建筑物的能源效率和舒适度。从而在夏天给建筑物降温，在冬天给建筑物供暖。

热图像显示了建筑物散发的热量。图片来源：普林斯顿大学

在最近发表在《细胞报告物理科学，Cell Reports Physical Science》杂志上的一篇文章中，他们报告说，通过将建筑物与其环境之间的辐射热流限制在特定波长，由普通材料制成的涂层可以实现节能和热舒适度，这超出了传统建筑围护结构所能实现的水平。

辐射热由电磁波携带，无处不在——当阳光温暖我们的皮肤，或者当电线圈加热房间时，我们都能感受到它。通过控制辐射热来调节建筑物温度是一种常见的做法。大多数建筑物使用窗帘遮挡阳光，许多建筑物将屋顶和墙壁漆成白色以反射阳光。

建筑物墙壁和屋顶的热图像。图片来源：普林斯顿大学

屋顶通常可以看到天空。这使得凉爽的屋顶涂层可以反射阳光，并将长波热量辐射到天空，最终辐射到太空。另一方面，墙壁和窗户大多可以看到地面和邻近的建筑物。在炎热的天气里，它们被炎热的街道、人行道和附近建筑物散发的热量加热。这意味着，即使墙壁和窗户向天空散发热量，它们也会被地球加热得更多。在寒冷的天气里，陆地环境变得更冷，从墙壁和窗户中吸收热量。

垂直建筑立面观测到的季节性热环境

(A) 位于美国坦佩、普林斯顿、塞多纳以及孟加拉国吉大港的地点全景长波红外热像图，从垂直墙面的视角展示了不同气候区的乡村和城市位置。更多示例见图S1和S13。颜色条代表假设环境发射率(ε)为1时的有效辐射温度（见注释S1）。在坦佩、塞多纳和吉大港的夏季，地面和其他地面特征在白天成为相当温暖的热辐射体，而天空则根据大气中的总可降水(TPW)量，表现出不同的冷长波红外温度。因此，在夏季白天，地面特征可能会加热其视野内的物体，如墙壁和人类。在冬季，地面环境成为建筑物的冷热汇，如图中普林斯顿的热像图所示。图S1和S13展示了更多此类环境。

(B) 示意图展示了垂直墙壁与其视野内的地面和天空之间的辐射热传递。

(C) 在环境温度为32°C时，完美宽带发射材料的辐射功率(Iemitter)以及来自地面(Iearth，辐射温度为55°C（热）和26°C（冷））和通过大气观测到的天空(Isky)的半球辐照度（见图S3）。展示了两种不同湿度（低TPW值为10.5 mm和高TPW值为58.6 mm）的情况。阴影区域显示了在全视野下可能向天空散失的热量（蓝色）以及从地面获得/散失的热量（红色/蓝色）。

研究人员意识到解决这个问题的方法在于热量在建筑物和地面区域之间移动的方式与在建筑物和天空之间移动的方式不同。辐射热在红外光谱的狭窄部分（称为大气传输窗口）中从建筑物移动到天空，因此研究人员称之为窄带。在地面，辐射热在整个红外光谱中移动，研究人员称之为宽带。

通过在墙壁和窗户上涂上只在大气窗口辐射或吸收热量的材料，可以减少夏季地面的宽带热量增加和冬季的损失，同时保持天空的冷却效果。研究人员认为这个想法是史无前例的，超出了传统屋顶和墙壁围护结构所能实现的范围。

对建筑物的影响——节能模型

长波红外发射材料在垂直建筑立面上的热调节能力可以显著节省能源。确切的数量取决于地理位置、景观（例如，城市与农村）以及大气和陆地光谱辐照度的季节性和昼夜变化等因素。作为同类产品中的第一个尝试，研究人员将光谱模型与Anand和Sailor开发的先前验证的传热模型集成在一起估算建筑原材料节能。模型假设室内温度恒定为25°C，室外环境昼夜随季节变化，由不同的垂直墙壁/窗户隔开。考虑到发展中国家和发达国家的情况，研究团队选择了四种全球流行的立面类型——具有 R13 绝缘层的木墙（在大多数美国气候区推荐）、砖墙（在南亚和东南亚很常见）、单窗格玻璃（最常见的透明立面）和波纹金属板（用于资源匮乏的环境）。

潜在应用模式及计算得出的节能效果

(A) 选择性长波红外发射材料在不同材料制成的垂直立面上的潜在应用方式。

(B) 在干旱和非常潮湿的地区，与理想宽带发射材料相比，理想选择性长波红外发射材料在不同应用模式（如图A所示）下在夏季和冬季高峰时段所能实现的节能效果。

(C和D) 西向立面上理想选择性长波红外发射材料和宽带发射材料（太阳能反射率Rsolar约为0.8，或对于透明设计，太阳能吸收率αsolar约为0.2）的类似情况（C），以及西向立面上长波红外发射性PMP（图7A）与典型建筑围护结构（宽带发射率εbroadband约为0.9）的比较，假设两者的太阳能反射率Rsolar都约为0.88，或太阳能吸收率αsolar都约为0.12（D）。模型详情见注释S6和S7、图S14–S19以及表S3–S5。注意：虽然干旱地区的典型大气总可降水（TPW）水平为10.5 mm，但热带地区的TPW异常高（58.6 mm），尤其是冬季（图S23）。因此，热带地区的典型节能效果可能更高，特别是在冬季。虚线表示根据Baniassadi等人在凤凰城（沙漠地区）和迈阿密（热带地区）的研究数据得出的单户住宅白色屋顶在夏季和冬季高峰时段的节能效果。

模型表明，在夏季高峰期，在代表干燥到极度潮湿条件的地方，理想的选择性长波红外发射材料可以减少建筑物的热量流入 ∼0.01–0.13 kWh m−2日−1对于墙壁，取决于绝缘材料;∼0.18–0.27 千瓦时−2日−1对于窗户;和 ∼0.23–0.32 kWh m−2日−1用于金属板（图6B）。

在冬季，理想的选择性长波红外发射材料可以减少∼0–0.06 kWh m的热量流出−2日−1墙面，∼0.13–0.17 kWh m−2日−1用于窗户，∼0.11–0.16 kWh m−2日−1用于金属板（图B）。

研究团队在这里注意到，窗户的节省被低估了，因为玻璃窗的宽带发射率比想象的要低。图 B-D 中的虚线表示在类似的干旱（凤凰城）和潮湿（迈阿密）地区将住宅建筑的深色屋顶涂成白色时，单位面积的节能效果，对应于 ∼175 kg/年的 CO 减少2排放量和 ∼56 美元/年可节省 ∼110 米2屋顶。按单位面积计算，展示的节能效果相当或高出数倍。如果还考虑到建筑物的墙面与屋顶面积之比为 ∼2-10，那么，假设典型的屋顶尺寸 （∼100–1,000 m）2），可以保守估计，对于中小型建筑，新方法可以每年减少 0.1-5 吨二氧化碳排放，每年节省 50-1,000 美元。在缺乏暖通空调控制和高绝缘的资源匮乏环境中，温度调节效应可以通过减少温度波动和减少极端天气带来的健康风险，从而带来更适合居住的生活环境。

用于辐射体温调节的长波红外发射材料

鉴于这种新型辐射体温调节效应在建筑层面上的节能意义，进一步激励研究团队去探索可用于垂直立面的选择性长波红外（LWIR）发射材料。当前全球对建筑温度调节低能耗技术需求强烈，特别是在资源匮乏的环境中，因此重点不在于材料创新，而在于那些可预见的、在不久的将来能够在建筑上大规模部署的已知或尚未探索的选择性LWIR发射材料。因此，研究团队调查了一系列潜在可用于建筑的选择性LWIR发射材料，包括塑料、聚合物树脂和陶瓷。

上图展示了一些示例，它们要么由常见材料制成，要么已经商业化

该研究团队提出的材料可能是目前可用的最具可扩展性的选择性发射材料之一，如上A中方便创建或获取的样品（1/4至1平方英尺大小）所示。PMP和PVF已经大规模生产，后者还以金属化形式用于建筑立面。基于PMMA和PDMS的涂料树脂因其在建筑立面上的长期使用而广为人知，并可能对建筑产生直接影响。

在展示的新材料中，PP和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）是世界上第二和第六大广泛使用的塑料，54它们以金属化形式每年生产超过10^8平方米，且足够常见，可以从塑料废物中回收。上图A中PP的光谱是从一个废弃的食品容器中获得的，这为我们提供了一个有趣的可能性，即通过将其重新用作建筑围护结构来延长废弃塑料的使用寿命。氧化铝是一种常用的陶瓷材料，可以通过常规技术制成适合辐射冷却的商用瓦片。值得注意的是，其中一些材料长期以来一直作为辐射冷却器使用，并且最近被用作大规模宽带发射设计的组件。

在应用性和美观性方面，提出的材料可以以银色、白色（对于氧化铝和透明导电聚合物背衬的情况）和透明变体出现（图7、S24和S25）。这使得这些设计适合各种建筑立面，如墙壁和窗户（注释S8；图S20和S21）。对于墙壁上的白色或银色设计，可能的应用方式包括银色或白色“壁纸”（例如，金属化PMP、PVF、PP、Mylar及其白色多孔或聚乙烯涂层变体）和白色瓦片。金属立面本质上具有宽带反射性，可以在其上层压PVF等塑料58或涂覆PDMS/PMMA。图中展示的材料本身具有0.90–0.99的太阳反射率。但由于新方法适用于一系列太阳反射率值（直接照射表面≳0.50，漫反射表面较低），因此设计可以通过使用红外透明染料和颜料进行着色，以扩大其美观吸引力。40在墙壁太阳反射成为问题的特定情况下，可以使用逆反射45或较暗的变体。

对于透明立面，潜在的设计包括将透明聚合物层压或涂覆在含有红外反射金属或氧化物薄膜的低发射率（低ε）玻璃上，或者在低发射率玻璃上气相沉积SiOxNy15（图S25）或Al2O3。对于Al2O3，它本身在不需要金属的情况下反射λ>13 μm的光（图S25），因此普通玻璃就足够了。另一种可能性是使用广泛可用的半透明金属化Mylar和PP薄膜，其中一些变体已经作为太阳反射窗贴膜使用。

综上所述，研究团队提出的设计结合了高可扩展性、低成本和现成可用性，以及应用和外观的多样性。此外，PP的高εLWIR和η，以及墙壁用白色Al2O3瓦片和窗户用透明Al2O3的无金属选择性发射率，为已知材料提供了重要机会。由于研究团队的设计可以预见地应用于世界各地的垂直建筑立面，并实现重大的未开发节能效果，因此它们可能对建筑设计和相关材料行业产生重大影响，并特别有利于不使用绝缘材料的资源匮乏环境。此外，选择性LWIR发射材料的温度调节能力可能激励未来设计和优化接近理想εLWIR和η的高度可扩展LWIR发射材料。

小结

普林斯顿大学和加州大学洛杉矶分校的研究表明，垂直建筑立面上的选择性LWIR发射材料可以利用大气对天空和地面物体之间透射率的差异，实现比传统宽带发射材料更高的夏季冷却和冬季加热效果。这种新颖且被动的体温调节的影响与将深色屋顶涂成白色相当，并且可以通过新颖和常见的材料实现。这个发现为从建筑物到人体的各种实体的材料设计和尚未开发的体温调节提供了更新更显著的机会。

该研究结果的影响意义重大，原因有两个。首先，研究人员在文章中表明，许多常见的低成本建筑材料在窄带中辐射热量并阻挡宽带热量。已经用作壁板材料的聚氟乙烯等材料可以适应这一目的，甚至更常见的塑料也可以适应这一目的。

当研究人员发现像聚丙烯这样的材料在大气窗口中选择性地辐射或吸收热量时，他们很兴奋。这些材料近乎平凡，但同样的可扩展性使它们变得常见，这也意味着可以在不久的将来看到它们用于调节建筑物温度。

第二个原因是，其对建筑规模的潜在能源影响是巨大的。研究人员指出，采用他们的机制，季节性节能效果可与将深色屋顶涂成白色的效果相媲美。随着全球空调成本和与高温相关的伤亡人数继续飙升，这可能很有用。

研究人员提出的机制是完全被动的，这使得它成为一种可持续的方式，可以随着季节变化对建筑物进行冷却和加热，并产生尚未开发的能源节约。事实上，这种机制和材料对全球南方建筑的好处最大。因此，这可能是资源匮乏社区更公平的解决方案。

编译自《细胞报告物理科学，Cell Reports Physical Science》