近日，制冷与低温工程研究所ITEWA团队李廷贤研究员提出了一种集成辐射制冷、辐射制热与冷/热能量储存于一体的零能耗全季节智能热管理方法，为构建新一代零能耗全季节热管理技术提供了新思路。研究成果“Self-Adaptive Radiative Cooling/Heating Film with Energy Storage for All-Season Smart Thermoregulation”发表在ACS Energy Letters上。博士研究生王思齐为论文第一作者，李廷贤研究员为通讯作者，ITEWA团队负责人王如竹提供指导。
在国家“双碳”目标和全球能源危机的背景下，如何以更低能耗实现制热和制冷已成为能源领域的前沿热点研究。统计显示，冷/热能消耗约占全球终端能源使用的40%，其中建筑、工业、交通等领域的温控需求是最大耗能来源。利用宇宙冷源和太阳热源的辐射制冷/制热技术，是实现零碳热管理的重要途径。然而，传统辐射制冷/制热材料具有固定的单模式光谱响应特性，难以同时兼顾不同季节的制冷和制热需求。辐射制冷/制热面临跨季节能量供需矛盾、功率密度低、天气高度敏感、冷热获取波动大等问题。近年来出现的热致变色、电致变色、机械切换等可调辐射材料，也存在光谱调节幅度有限、需要外部能耗或系统结构复杂等不足。因此，“零能耗、全季节、自适应”的智能热调节仍面临挑战。
针对上述瓶颈，团队提出了一种集成辐射制冷（RC）、辐射制热（RH）与冷/热储能于一体的零能耗全季节自适应智能热管理方法。研究团队采用层层组装工艺将各功能层集成为柔性薄膜，制备了自适应辐射制冷/制热多功能薄膜（SRCHF）。该薄膜通过温度响应形状记忆聚合物（SMP），可根据夏季和冬季环境温度变化实现制冷模式和制热模式之间的自动切换，同时通过高焓值相变材料（PCM）实现冷/热能量的储存与稳定输出，从而在不消耗额外能源的前提下，实现了全季节智能调温。
研究团队在光谱与热性能方面对RC层与RH层分别进行了特殊设计：RC采用多孔微结构，增强了对太阳光的多重散射，使太阳反射率为0.96，ATSW发射率高达0.95；RH层则展示约0.96的高太阳吸收率和0.75的ATSW发射率，在保证强光照下快速升温的同时抑制红外散热，适合冬季辐射制热采暖。PCM层采用化学交联复合结构，使其具有良好防渗漏能力和柔性，储能材料相变焓为157 kJ kg-1、相变温度约32 ℃。得益于自适应辐射制冷/制热器件的薄型设计、优良柔性与拉伸强度，PCM层在弯折与形变过程中保持结构稳定。
研究团队采用建筑模拟设备验证和评估了SRCHF的实际应用前景。夏季测试中，当环境温度升至SMP冷获取模式触发温度以上时，SRCHF自动进入辐射制冷能量获取模式；在未激活PCM相变时，SRCHF建筑相较环境温度可实现平均2.58 ℃的亚环境降温，最高约5 ℃，室内温度平均比传统对照建筑低5.12 ℃，最高差值约9 ℃，峰值制冷功率约95 W m-2；在更炎热天气中，当环境温度超过PCM相变温度时，PCM通过固液相变吸收热量并释放储存的冷量，装配SRCHF的建筑其亚环境温降进一步提升至8.2 ℃，峰值制冷功率提升至141 W m-2。冬季测试中，当温度降至热获取模式触发点附近时，SRCHF自动切换为辐射制热能量获取模式，SRCHF建筑最高可实现较环境温度高约14 ℃的室内升温，峰值制热功率密度达到565 W m-2，对应光热转换效率约87%。研究团队对SRCHF在全球不同局域气候带的节能潜力进行了评估，结果表明SRCHF在多种气候区均可实现显著的全年节能，表现出广阔的应用前景。
本研究提出了一种集成辐射制冷、辐射制热与冷/热能量储存于一体的零能耗全季节自适应智能热管理方法。与近年来发展迅速的各类辐射调温技术相比，SRCHF具有制冷功率高、光热转换效率高、零能耗自适应智能切换等显著优势，为构建新一代零能耗、全季节、智能化辐射调温技术提供了新思路。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c00059
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