被动辐射制冷材料新突破：制冷陶瓷如何改写建筑节能未来
jiasou 40 2025-05-06 09:49:21 编辑
一、《Science》重磅：被动辐射制冷材料从实验室走向规模化应用
在全球能耗需求攀升的背景下，被动辐射制冷技术因零耗能、环保特性成为科研热点。近日，香港城市大学曹之胤教授团队研发的被动辐射制冷材料——i2Cool 制冷陶瓷，以突破性成果登上《Science》期刊，标志着这一技术从学术研究迈向实际应用的关键跨越。
这项名为 “Hierarchically Structured Passive Radiative Cooling Ceramic with High Solar Reflectivity” 的研究，通过材料结构创新与工艺优化，解决了传统辐射制冷材料 “效率” 与 “实用性” 难以兼得的行业痛点，为建筑、工业设备等领域的节能改造提供了革命性方案。
二、技术突破：两大核心性能重构辐射制冷材料标准
1. 打破效率瓶颈：太阳光反射率决定制冷功率上限
被动辐射制冷的核心原理，在于材料通过太阳光反射（0.25-2.5 微米波段）减少热吸收，同时通过中红外辐射（8-13 微米波段）向太空散热。研究发现：
- 提升太阳光反射率对制冷功率的贡献，是提升中红外辐射率的 3 倍以上
- 传统材料受限于单一结构，难以兼顾双波段性能
i2Cool 团队通过理论建模发现，太阳光反射率是突破效率的关键 —— 每提高 1% 反射率，同等条件下制冷功率可提升 2-3%。这一认知为材料研发指明了方向。
2. 仿生设计实现反射率破纪录：99.6% 太阳光反射 + 96.5% 中红外辐射
受超白昆虫 Cyphochilus 绒毛结构启发，团队采用多级多孔氧化铝陶瓷架构：
- 高折射率基底：氧化铝（Al₂O₃）天然具备 1.76 的太阳光波段折射率，是普通聚合物材料的 2 倍以上，从源头抑制光吸收
- 仿生散射结构：通过相变烧结工艺，构建微米级孔隙与纳米级晶界的多级结构，使全太阳光波段光线发生高效漫反射
双重作用下，制冷陶瓷实现99.6% 的太阳光反射率（超越传统材料 5-8 个百分点），同时保持96.5% 的中红外辐射率，两项核心指标均达行业顶尖水平。
三、从实验室到建筑屋顶：实测数据验证节能价值
1. 全天候制冷：表面温度持续低于环境 4℃+
在香港夏季高温环境测试中，铺设制冷陶瓷的建筑模型展现出优异性能：
- 无空调场景：室内最高温度较对照建筑降低 2.5℃，有效缓解 “热岛效应”
- 开空调场景：空调能耗同比减少 20% 以上，相当于每百平米建筑年省电约 1200 度（按日均运行 8 小时计算）
2. 跨气候适配：全球模拟数据凸显普适性
通过气候模型推算，制冷陶瓷在不同地区的节能效果显著：
- 热带地区（如新加坡、迈阿密）：夏季制冷负荷降低 30%+
- 温带地区（如上海、巴黎）：全年空调使用时长缩短 25%
- 高辐射地区（如中东、澳大利亚）：表面温度峰值较传统材料低 6-8℃
这些数据表明，被动辐射制冷材料不仅适用于高温高辐射环境，在温带气候区也能通过减少空调启停频率实现节能。
四、三大核心优势构建产业应用护城河
▶ 性能优势：不止于制冷，更兼顾耐用与功能
| 维度 | 传统辐射制冷材料 | i2Cool 制冷陶瓷 |
|---|---|---|
| 太阳光反射率 | 92-95% | 99.6%（行业纪录） |
| 耐温性能 | ≤200℃（有机材料易老化） | ≥1000℃（全无机陶瓷基底） |
| 自清洁能力 | 依赖涂层（易失效） | 超疏水表面（天然抗污） |
| 使用寿命 | 3-5 年（紫外线降解） | 10 年 +（户外实测无衰减） |
▶ 材料创新：全无机架构解决行业痛点
- 抗老化：不含有机聚合物，通过 1000 小时紫外线加速老化测试，反射率衰减＜0.5%
- 高强度：抗压强度达 80MPa，符合 GB/T 4100-2015 陶瓷砖 Ⅰ 类标准，适用于屋顶、外墙铺装
- 超疏水：接触角 150°+，雨水自然冲刷即可清除表面灰尘，维护成本降低 70%
▶ 场景拓展：多色系产品适配多元化需求
区别于传统白色辐射制冷材料，i2Cool 团队开发了灰、蓝、红等 7 种颜色变体，在保持高反射性能的同时满足建筑美学需求：
- 深色系产品：近红外反射率较普通瓷砖高 15-20%，解决 “有色必吸热” 的行业难题
- 定制化服务：可根据建筑设计需求调整光谱反射曲线，兼顾遮阳与采光功能
五、产业价值：开启零碳建筑新赛道
1. 建筑节能刚需下的千亿市场空间
据 IEA 数据，全球建筑能耗占总能耗的 30%，其中制冷需求占比达 40%。在中国，仅商业建筑每年空调耗电量就超过 1500 亿度。被动辐射制冷材料若覆盖 10% 的新建建筑屋顶，年减碳量可达 2000 万吨以上，相当于种植 1.1 亿棵冷杉。
2. 多领域应用蓝图
- 建筑领域：屋顶 / 外墙铺装、玻璃幕墙涂层、冷链仓储隔热
- 工业领域：数据中心散热、光伏组件降温（提升发电效率 3-5%）
- 户外场景：交通设施（公路、铁路遮阳）、军用装备热管理
3. 技术标准化进程启动
团队已与 ISO/TC 205（建筑环境设计）工作组合作，推动被动辐射制冷材料的光学性能、耐久性等指标纳入国际标准，为规模化应用扫清认证障碍。
六、行业启示：从仿生创新到工程化的成功范式
i2Cool 的突破印证了 “产学研用” 深度融合的价值：
- 基础研究驱动：从 Cyphochilus 昆虫的微观结构解析，到多级散射理论建模，耗时 3 年完成从原理到材料的转化
- 工程化思维：在追求高反射率的同时，同步优化机械强度、加工工艺（支持量产的辊压成型技术），使材料成本较实验室样品降低 80%
- 场景导向研发：针对建筑应用设计多孔陶瓷架构，兼顾保温与散热需求，避免传统材料 “白天降温、夜晚吸热” 的弊端
结语：被动辐射制冷材料的产业化拐点已至
i2Cool 制冷陶瓷的问世，不仅是被动辐射制冷材料的技术里程碑，更标志着绿色制冷技术从 “概念验证” 迈向 “规模商用” 的关键转折。随着全球碳中和目标的推进，兼具高效能、长寿命、多场景适配的新型材料，正成为建筑节能、工业降碳的核心解决方案。
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