中国建筑技术中心张卫东《AM》：建筑节能黑科技——制冷功能涂料

涂料在其发展初期，主要是涂布于物体表面，起保护、装饰或掩饰部分缺陷的作用。随着社会的发展和进步，能源、环境与材料成为具有时代特征的三大课题，最基本的防护和装饰功能已经无法满足现代工业发展的需求，涂料的研究逐渐功能化方向发展，热反射涂料、自清洁涂料、保温涂料、防腐涂料、空气净化涂料等新的涂料产品和技术不断涌现。

为何称之为“黑科技”？我们知道太阳一直在源源不断地向地球上的物体提供能量，阳光照射下的物体不断吸收太阳热，引起自身温度的升高。而这种添加了核心功能填料的制冷涂料却恰恰相反，在阳光的直射下，它表面的温度不升反降，甚至比气温还要低，就如同安装了一个小功率空调，“制冷涂料”因此得名。听起来似乎有些违反常规，它的工作原理到底是怎样的呢？

最近的理论和实验证明，亚环境日间辐射冷却（SDRC）是实现被动式日间冷却（PDRC，Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aat9513）方面的突破。其中，PDRC是一种通过反射太阳光[波长（λ）~0.3-2.5 μm]并通过大气的长波红外（LWIR）透射窗（λ~8-13 μm），将热量辐射到冷的外部空间，表面自发冷却的现象。实际上，这种辐射效应是使人们在夏季夜晚呆在外面时感到寒冷的原因。然而，要想在阳光直接照射下产生同样的效果，这种材料必须克服阳光直接照射产生的热量。研究者利用各种方法来反射大部分阳光，以使太阳的热吸收低于辐射冷却的水平。但是，目前这些SDRC涂层的设计和制造都依赖于使用复杂的光子微结构、贵金属镜或危险的化学工艺等，极大地限制了其在大型建筑制冷领域的实际应用。

现有设备由于夜间热量输入较少，其夜间降温能力比白天强得多，可能会导致昼夜温差增大，从而危及建筑围护结构的使用寿命。此外，是否可以对商业化建筑涂料进行工程设计，实现增强的日间亚环境冷却而抑制夜间冷却，即智能型亚环境辐射冷却（SSRC）。但是，传统的TiO2基屋顶涂料的太阳反射率为85％，无法满足SDRC的严格要求。因此，开发新的物理概念来设计这些传统建筑涂料是实现SSRC的一种有前途的途径。

近日，中国建筑工程有限公司技术中心的张卫东和香港理工大学的Dangyuan Lei和Jian-Guo Dai（共同通讯作者）等人报道了一种结合粒子散射、太阳激发荧光和中红外宽频辐射对具有特殊自适应SDRC效应的传统建筑涂层材料（TiO2金红石粉、聚合物乳液和玻璃微球等）进行改进的通用方法。从理论上证明，与天空的热交换可以消除传统SDRC中谐振微结构和贵金属反射镜的使用，还可以增强日间降温，并抑制夜间的过度冷却，即SSRC。当暴露在太阳光强度为744 W m-2（850 W m-2）的阳光直射下时，铝板上的升级涂层可以达到比环境温度低6 ℃（在规模模型建筑上为7 ℃），产生的冷却功率为84.2 W m-2。该结果为高性能SDRC的实际大规模应用铺平了道路，以实现建筑物的人体热舒适性。

图1、SSRC的理论分析

微观结构和光学性能

图2显示了荧光颜料（FR）涂层和白色涂层样品的微观结构和光学特性。FR涂层的扫描电子显微镜（SEM）图像显示，微米级的荧光颗粒与TiO2纳米颗粒和玻璃微球均匀混合。将它们组合形成的FR涂层在3-50 µm之间增强的总发射率为0.90，在8-13 µm之间的红外发射率为0.96。FR涂层在未激发状态下和白色涂层下的太阳反射率分别为0.898和0.895，其激发峰在420 nm左右，低于TiO2吸收带边缘。FR涂层在阳光直射下的ESR为93.4％，相当于ESR-SR为3.6％，表明SSRC中荧光发射的重要性。

图2、FR和白色涂料的微观结构和光学性能

冷却性能

作者测量了铝板上FR涂层的冷却效果。在阳光直射下，出现明显的环境降温效果，中午时的降温温度分别低于环境空气5±1和6±1 ℃。同时，FR涂层显示出增强的日间冷却能力（6±1 ℃），并抑制夜间的过冷（4±0.3 ℃）。在建筑应用中，由于减少的热负荷，日间温差变窄会缩短使用寿命，并且使用SSRC涂层更舒适。当太阳光强度为744 W m-2时，测得FR涂层的降温温度为6 ℃，日间冷却功率为84.2±8.5 W m-2，非辐射热系数为4.5 W m-2 K-1。

图3、铝板上FR涂层的冷却性能

实际冷却效果

作者分别在两个铝板上涂了FR和白色涂层进行费尔德测试，以揭示荧光对SSRC的贡献。涂有FR涂层的铝板的平均温度比周围空气温度低3.3 ℃，而涂有白色涂层的铝板的平均温度仍然保持略高于环境空气温度。在FR涂层观察到的显着的低于室温的冷却效果，揭示了中午由荧光所贡献的净冷却能力。在夜间、清晨和午后，它们的温度几乎重叠并且明显低于环境空气温度，表明仅当太阳光强度高于某个阈值时才发生荧光冷却。两组结果说明，在观察到的SSRC效应中荧光发射的深刻作用。

图4、铝板上FR和白色涂层的实测冷却效果

总之，作者成功地设计出了一种利用太阳光诱导荧光、粒子散射和材料宽频发射率共同作用的亚环境辐射冷却（SDRC）建筑涂层材料。利用天空作为温度调节器，缩小了SSRC涂层的昼夜温差，显著拓宽材料的选择范围。当需要在阳光下冷却时，这种设计概念也可以应用到其他表面材料。由于该方法的经济效益高，为将SDRC技术大规模应用于建筑环境开辟了新思路，在降低建筑制冷能耗的同时实现人体热舒适。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.201906751