清華大學李震教授課題組Chem. Eng. J：基于相變材料的溫度適應性閥蓋，用于輻射冷卻熱調節

被動輻射冷卻作為一種無需能耗的降溫方式，已在節能建筑中得到廣泛應用。然而，現有靜態輻射冷卻裝置存在夜間過冷問題，嚴重影響夜間環境舒適度。為解決這一難題，清華大學李震教授課題組提出將相變材料（PCM）與輻射冷卻器耦合，并將其置于輻射冷卻器與天空之間。作為溫度自適應閥蓋（TVC）的核心組件，PCM通過利用其在不同溫度下光學特性的變化，實現對輻射冷卻器的溫度自適應調節。研究表明，雖然TVC會略微削弱輻射冷卻器的日間降溫效果，但能有效延緩溫度下降速度。相較于靜態輻射冷卻器，TVC耦合輻射冷卻器通過PCM持續散熱，可長時間維持高于環境溫度的恒溫狀態。實驗數據顯示，日落后4小時內TVC耦合輻射冷卻器的平均溫度比靜態輻射冷卻裝置高出6.2 ℃。本研究部分克服了傳統輻射冷卻夜間過冷的局限性，拓展了自適應輻射冷卻系統的應用范圍，并為節能冷卻技術的發展提供了新思路。相關工作以Temperature-adaptive valve cover based on phase-change material for radiative cooling thermal regulation為題發表在Chemical Engineering Journal期刊。

本文從傳統被動式輻射制冷技術存在夜間過度冷卻、現有動態調控方案（如二氧化釩基系統、電致變色器件）存在毒性或依賴電能的問題出發，設計了如圖 1 所示的輻射制冷原理結構（通過 8-13μm 大氣窗口將熱能輻射至宇宙背景實現降溫），進而提出溫度自適應閥蓋（TVC）與輻射制冷器（RC）耦合的雙層結構（TVCRC），制備了以聚乙二醇 800（PEG800）為相變核心、聚乙烯（PE）薄膜為封裝層的 TVC 材料，以及以二氧化硅為填料、聚二甲基硅氧烷（PDMS）為基體的輻射制冷涂層材料。

研究測量了相關材料的光譜特性：PE 薄膜在太陽光譜（0.3-2.5μm）中，0.5μm 波長處透光率約 90%、1.5μm 波長處約 92%，在 8-13μm 大氣窗口平均透光率約 88%；輻射制冷涂層在太陽光譜的反射率約 0.90，在 8-13μm 大氣窗口的紅外發射率約 0.97；TVC 材料中，液態PEG800（50℃）狀態下，1mm 厚 TVC（TVC1）在 0.5μm 波長透光率達 86.8%，固態PEG800（10℃）狀態下，TVC1 在 0.5μm 波長透光率降至 63.1%，且不同厚度 TVC 在 8-13μm 波段透光率均較低（如 50℃時 TVC1 在 10μm 波長透光率僅 5.7%）。

研究進一步探討了 TVC 材料的規模化制備（PE與 PEG800 均為商用材料，通過真空熱封機 150-180℃熱壓封裝，可通過控制 PEG800 填充量調節 TVC 厚度，制備了 1mm、2mm、4mm 三種厚度樣品）、TVCRC 的降溫能力和實際應用效果，如圖 2 所示（圖 2a 為輻射制冷涂層制備流程、圖 2b 為 TVC 制備及結構示意圖）。在降溫能力方面，峰值太陽輻照強度 796W/m2（13:00）時，TVCRC最大亞環境降溫 3℃，傳統 RC 為 3.9℃；夜間 23:30 時，環境溫度 18.9℃，傳統 RC 溫度13.2℃（亞環境 5.6℃），TVCRC 溫度 19.7℃（超環境 0.8℃）。在實際應用效果上，北京戶外實驗顯示，日落 4 小時內 TVCRC 平均溫度比傳統 RC 高6.2℃，且TVC 厚度越大夜間保溫效果越持久（19:00-24:00時段，4mm 厚 TVC 系統平均溫度 18.0℃，1mm 厚系統為 17.0℃），可應用于溫帶 / 干旱地區建筑屋頂及輻射制冷輔助溫室。

圖1.輻射冷卻原理示意圖。

圖2. (a)輻射冷卻涂層制備工藝示意圖；(b)TVC制備工藝示意圖及結構；(c)TVC在不同溫度下的光學圖像；(d)TVC的橫截面示意圖。

圖3.輻射冷卻涂層的光學特性。

圖4. (a) PE薄膜在太陽光譜中的光學透射率；(b) PE薄膜在大氣窗口中的光學透射率；(c)太陽光譜下50℃的TVC的光學透射率；(d)50℃大氣窗口下的TVC的光學透射率；(e)太陽光譜下10℃的TVC的光學透射率；(f)10℃大氣窗口下的TVC的光學透射率。

圖5. (a)室外溫度測量裝置照片；(b)全天實驗溫度測試數據；(c)全天本地相對濕度和溫度數據；(d)全天TVC1RC、RC與環境溫度差。

圖6. (a)全天實驗溫度測試數據；(b)全天TVC1RC、TVC2RC、TVC4RC與環境溫度差值；(c)全天本地相對濕度和溫度數據。

圖7.用作溫度自適應閥蓋的輻射冷卻的TVC原理示意圖。

小結：該研究針對傳統被動式輻射制冷夜間過冷、現有調控方案（如二氧化釩基系統、電致變色器件）有毒或依賴電能的問題，提出將相變材料（PEG800）與輻射制冷器耦合，設計溫度自適應閥蓋（TVC），形成 TVCRC 雙層結構。制備了 PE 膜封裝的 TVC及含二氧化硅的PDMS基輻射制冷涂層，并測試其光譜特性（太陽反射率～0.90、大氣窗口發射率～0.97）。北京戶外實驗顯示，峰值日照時 TVCRC 降溫 3℃（傳統 RC 降 3.9℃），夜間 TVCRC 超環境0.8℃（傳統 RC 低 5.6℃），日落 4 小時內 TVCRC 平均溫度比傳統RC 高 6.2℃，可應用于溫帶/干旱地區建筑屋頂及輻射制冷輔助溫室。

論文信息：Yuan, K., Nie, S., Wang, L., Chen, L., Wang, X., Zhang, B., Xu, T., Li, H., Ran, H., Li, Z., 2025. Temperature-adaptive valve cover based on phase-change material for radiative cooling thermal regulation. Chemical Engineering Journal 167351. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167351

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