高功率 · 气候韧性 · 零能耗热管理

  全球升温和城市化持续推高建筑、人体、电子器件与农业领域的制冷需求。被动日间辐射制冷无需电力，却受约 150 W m?2 的功率上限及湿度、云层等大气条件制约；蒸发制冷具有高潜热通量，又面临水资源依赖和高湿环境失效的双重瓶颈。该观点文章系统提出“蒸发辅助辐射制冷”统一框架，通过热力学与传质过程的协同耦合，为突破单一被动制冷机制的性能边界提供了材料设计和系统集成路线。

图1  高性能被动制冷在人体与服装、城市建筑、交通运输及农业温室等场景中的需求

  近日，华中科技大学化学与化工学院瞿金平院士、卢翔教授团队联合新南威尔士大学和北京大学，在 Cell Press 旗下期刊 Matter 发表题为“Breaking the power ceiling of radiative cooling through evaporative-radiative synergy”的前瞻性展望。华中科技大学化学与化工学院 Xinpeng Hu、Qisheng Liu 为共同第一作者，瞿金平院士和卢翔教授为共同通讯作者；新南威尔士大学Matthaios Santamouris教授和北京大学彭雨粲研究员等参与合作。

  文章从辐射换热、蒸发潜热与水分传输的基础机制出发，阐明二者并非简单功能叠加，而是能够通过结构设计形成相互强化的能量—质量传递网络，并进一步总结串联式、一体化多孔网络和环境自适应三类材料架构，以及其在建筑、个人热管理、电子器件和农业冷链中的应用潜力。

01  为什么需要“协同”，而不是继续优化单一机制？

  日间辐射制冷通过提高太阳光反射率，并在 8–13 μm 大气透明窗口内增强中红外发射，将热量直接辐射至外层空间。即便采用理想光谱选择性表面，其净制冷功率通常仍受限于 100–150 W m^-2；当空气湿度升高、云层或气溶胶增多时，大气反向辐射显著增强，实际制冷能力还会进一步衰减。

  蒸发制冷利用水的高汽化潜热实现快速散热，但蒸发驱动力依赖表面与环境之间的水蒸气分压差。在干燥环境中，其功率密度较高；在高湿环境中，蒸发通量会快速下降。同时，持续供水、盐分泄漏、表面润湿导致太阳吸收增强等问题，也限制了其长期运行和大面积部署。

  文章指出，蒸发—辐射协同的关键在于重新组织光子、热量和水分的传输路径：辐射层承担太阳光管理与中红外散热，降低不必要的太阳热增益；亲水多孔层负责储水、毛细输运和界面蒸发，利用相变潜热提供额外冷量。两条散热通道在同一低温界面上相互耦合，使系统从“各自受限”转变为“共同增益”。

图2  辐射制冷、蒸发制冷及蒸发辅助辐射制冷的协同机制、性能增益与气候适应性

  代表性实验结果进一步验证了这一协同效应：在干燥条件下，部分混合体系的制冷功率可超过 700 W m^-2；在环境温度约 30 ℃时，水凝胶串联系统的总制冷功率约为 470 W m^-2，其中辐射贡献约 150 W m^-2、蒸发贡献约 320 W m^-2。该总功率不仅突破了纯辐射制冷的理论边界，也高于相同蒸发材料独立工作时的输出，说明光谱调控与蒸发潜热之间存在显著的非线性协同。

02  三类材料架构：从功能分层到环境自适应

  串联式架构。该路线将光学管理和水分管理在垂直方向上分离：上层构建高太阳反射、高中红外发射且允许水蒸气通过的辐射层，下层采用水凝胶或吸湿盐复合物完成储水与蒸发。各层可独立优化，适合追求高性能的系统，但需要控制界面热阻、蒸气扩散路径和层间稳定性。文章总结的代表性纤维膜/水凝胶双层体系，在晴天可实现约 10 ℃ 的亚环境降温，在阴天仍可维持约 2.7 ℃ 的亚环境温差。

  一体化多孔网络。该路线在单一连续基体中同时整合太阳散射、中红外发射、储水、毛细输运和蒸气扩散。分级孔结构既能提高太阳光后向散射，又能提供水分储存与快速传输通道，可减少分层体系的界面失配和脱层风险，并兼顾柔性、自修复与大面积加工，适用于可穿戴器件和表面涂层。

  自适应架构。通过温度、湿度或光响应单元，使材料在不同环境下主动切换光学状态、蒸发面积和供水速率。例如，热响应聚合物可在温度变化时发生亲水—疏水转变或透明—不透明切换，在高热负荷下增强反射和蒸发，在低负荷时抑制无效失水，从而将传统“静态被动材料”升级为能够感知并响应环境通量的智能热管理界面。

图3  蒸发辅助辐射制冷材料的三类主要架构：串联式结构、一体化多孔网络与刺激响应自适应结构

03  从城市尺度到个体尺度的应用图景

  在建筑与城市热管理领域，混合冷却材料可被加工为屋面/外墙涂层、围护结构覆层、半透明智能窗中间层，或作为 HVAC 系统和小型数据中心的被动冷却模块。相较纯辐射制冷，其在高湿、阴云等非理想气候条件下仍能保留蒸发通道或基础辐射通道，有望降低建筑冷负荷并缓解城市热岛效应。

  在个人热管理领域，柔性多孔网络可与纺织品、背心、头盔衬层和座垫集成，利用人体汗液或预储水形成近皮肤微气候，适用于户外作业、运动、防护服和应急救援。若进一步结合柔性温湿度传感器，可实现局部热状态监测与闭环调节。

  在电子器件、光伏与农业冷链领域，该技术可用于光伏组件背板、户外通信设备、变压器和高热流电子器件的被动散热；也可用于果蔬保鲜箱、移动冷库、温室和田间预冷设施。文章还提出将大气集水、夜间储水与白天蒸发制冷结合，构建“吸附—储存—蒸发—再生”的水循环，从而降低外部供水依赖。

图4  蒸发辅助辐射制冷在建筑表面、个人热管理与食品保鲜等领域的应用示意

04  走向规模化应用仍需解决什么？

  水资源与全生命周期。需要在不同气候下匹配吸湿、储水和蒸发速率，控制污染物、盐分与微生物在多孔结构中的累积，并从原料、制造、运行到回收阶段评估真实环境收益。

  动态气候适应。未来材料应从单一响应转向温度—湿度—光照多刺激协同，并结合低成本传感器、天气预测和机器学习算法，提前调节蒸发强度、光谱状态和水资源分配。

  长期耐久性。紫外老化、粉尘污染、磨损、冻融和干湿循环会引起反射率下降、网络疲劳、吸湿盐泄漏及微生物滋生。自清洁表面、无机粘结体系、抗冻抗收缩网络和盐稳定化设计是重要方向。

  系统集成与制造。实验室材料需要转化为可喷涂、可卷对卷加工、可模块化安装的标准产品，并解决建筑防水排水、结构接口、安全规范和成本评价问题。只有同步推进材料性能、工程设计和产业制造，才能将高功率被动制冷从样品推向真实场景。

图5  面向清洁、可持续与气候韧性热管理的关键挑战和未来发展方向

  文章认为，蒸发辅助辐射制冷代表的并非两种冷却方式的机械叠加，而是被动热管理从单一物理机制优化走向多场耦合设计的范式转变。其核心价值在于同时提升功率密度、气候适应性和应用可扩展性，为建筑节能、极端热环境防护以及离网冷却提供新的技术路径。

  文章信息

  Breaking the power ceiling of radiative cooling through evaporative-radiative synergy

  Matter（Perspective，2026）

  Xinpeng Hu、Qisheng Liu、Bingqing Quan、Jiashuo Wang、Yucan Peng、Matthaios Santamouris、Xiang Lu、Jinping Qu

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102881

瞿金平院士华科大团队介绍

  华中科技大学瞿金平院士团队自2019年组建至今，主要围绕分子设计与精准绿色合成、化工过程强化与系统集成、化学产品工程与高端应用开展相关研究工作。团队与国内外众多高校、研究机构和企业保持密切合作，目前在研纵向和横向项目多项，拥有一批先进的高分子材料合成、加工和测试表征仪器设备，具备完善的研究设施和科研条件。团队常年招收硕士研究生、博士研究生、科研助理、机械工程师和博士后 (联系邮箱 luxiang@hust.edu.cn)。

  卢翔，男，博士，华中科技大学教授、博士生导师，国家级青年人才。围绕电子器件散热、电池热管理、人体热管理、建筑节能、低品位废热高效转化利用、太阳热能存储等国家重大战略需求，主要从事热传导、热辐射、热存储、热电转化等热管理复合材料的设计、高效制备及应用研究。近五年，在Adv Mater等期刊发表SCI论文100余篇，获授权发明专利18件，2件实现成果转化。主持国家自然科学基金面上项目2项、青年项目1项，国家重点研发计划课题1项企业委托产学研合作项目多项。任中国复合材料学会导热复合材料分会副秘书长，中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会理事，中国复合材料学会纳米复合材料分会委员，中国复合材料学会电磁复合材料分会委员，中国塑料加工工业协会专家委员会委员。

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