彩色也能实现亚环境制冷：夹层结构彩色辐射制冷如何把显色与吸热解耦？
建筑、车辆与地面设施的高效制冷长期是一道难题。蒸汽压缩、固态相变等传统方式不仅耗电，而且只是把热量在地表不同设备之间转移，难以缓解城市热污染。被动日间辐射制冷（PDRC）提供了另一条路径：材料高反射太阳光，同时借助中红外“大气窗口”把热量辐射到外太空，运行过程不消耗电力。
但其中存在一对长期矛盾：要大量反射太阳辐射，材料通常只能呈现白色或银色，既缺乏外观适应性，又容易加剧光污染；一旦做成彩色，可见光吸收带来的热增益又会抵消制冷效果。也就是说，色彩外观与低于环境温度的制冷性能，在被动条件下天然相互制约。
为调和这对矛盾，研究者先后尝试结构色光子晶体、有机染料与光致发光材料，但各有局限：光子晶体结构复杂、规模化成本高；有机染料在近红外区的拖尾吸收会增加热负荷；光致发光路线的色彩多样性与稳定性不足。红外透明无机着色剂只吸收特定可见光波段，可抑制近红外吸热，但如何在颜色与制冷效率之间取得平衡仍具挑战。
西安工程大学樊威教授/张勇副教授团队联合清华大学张莹莹教授与北京科技大学王存海副教授报道了一种具有夹层结构的彩色制冷器（CoCooler），该结构将可见色彩与近红外太阳加热相解耦，可实现用于显色的选择性可见光吸收、用于最小化太阳加热的强近红外反射，以及用于辐射散热的宽带中红外发射。本研究为面向节能建筑的彩色辐射制冷表面提供了一条实用策略。相关成果以Colored Cooler with Sandwich Structure for Sub-Ambient Daytime Radiative Cooling为题发表于Laser & Photonics Reviews期刊。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.72155
图1. CoCooler的设计策略与结构。(a) 具有夹层结构的CoCooler示意图，该结构通过选择性反射太阳光并发射中红外辐射，实现色彩外观与被动日间辐射制冷。(b) 理想彩色辐射制冷器的反射光谱。(c) 净制冷功率随太阳反射率与中红外发射率的变化，计算条件为表面温度=环境温度=300 K、太阳辐照度=1000 W·m-2、非辐射换热系数hc = 5 W·m-2·K-1。(d) 当近红外反射率RNIR=1.0时，不同可见光反射率RVIS下制冷器的计算净制冷功率。(e) 不同温度下宽带辐射制冷(RC)与选择性辐射制冷的净制冷功率；当温度高于21.9 °C时宽带RC适合实现辐射制冷。(f) Fe2O3、Si与普鲁士蓝纳米颗粒（PBNPS）的介电常数，实线与虚线分别代表其折射率（n）与消光系数（k）。(g) CoCooler实物照片。(h) CoCooler与已报道彩色辐射制冷器太阳反射率对比。
这一设计的判断依据来自热辐射规律。在强烈日照下，太阳反射率对净制冷功率的影响远比中红外发射率关键：仅吸收约10%的太阳辐射，就足以抵消热辐射所获得的制冷收益；而可见光波段的热吸收又比近红外波段更敏感。因此，理想的彩色日间辐射制冷器需要同时做到三点：仅窄带吸收可见光用于显色，在其余太阳波段尤其是近红外保持高反射，并在8-25 μm宽带范围向外发射中红外辐射。
CoCooler自上而下由四层构成：透明聚二甲基硅氧烷（PDMS）发射层、含无机着色剂的彩色层、PDMS隔离层，以及多孔辐射制冷层。PDMS层对0.3-2.5 μm太阳光近乎透明，却凭借Si-O-Si、Si-C等化学键振动在中红外实现宽带发射；彩色层中的氧化铁（Fe2O3，红色）、硅（Si，黄色）与普鲁士蓝（蓝色）只在特定可见光波段具有明显消光系数；底层多孔PVDF-HFP/Al2O3复合膜负责散射并反射残余阳光。
关键的PDMS隔离层承担两项功能：一是保护底层多孔结构不被涂层溶剂溶胀或堵塞，二是把近红外光挡在着色层之外，从而在保留显色的同时压住寄生性近红外吸收。分层之后，“显色”和“低吸热”不再争夺同一层材料的光学预算。
图2. CoCooler的微观结构与光学表征。(a–b) CoCooler的截面SEM图像(a)及相应元素mapping图像(b)。(c) 制冷层SEM图像，显示分级多孔结构。(d) 模拟得到的PVDF-HFP散射效率随孔径的变化。(e–f) 1.0 μm光辐射下三明治结构(e)与双层结构(f) CoCooler的模拟电场分布。(g) PDRC与各CoCooler的光谱反射率，参考曲线为归一化ASTM G173太阳全光谱与大气透明窗口。(h) CoCooler在不同太阳光谱区内反射率对比。(i–k) CoCooler经24 h射流冲击(i)、24 h酸浸(j)与60 d紫外线照射(k)前后太阳反射率对比。
截面扫描电镜显示四层边界清晰。底层由非溶剂致相分离形成连通的分级多孔结构，孔径呈0.49 μm与2.94 μm双峰分布，纳米Al2O3颗粒均匀分散，可在全太阳波段高效散射光线。红、黄、蓝三种CoCooler均表现出选择性可见光吸收加高近红外反射：太阳反射率分别为90.70%、91.58%和89.89%，近红外反射率分别为95.2%、95.9%和90.92%；中红外发射率分别为0.982、0.983和0.982，均高于同色度商用彩色涂料。研究者采用辐射制冷能力综合指标RCC进行横向比较：CoCooler最高为0.527，而双层结构样品为-1.037、商用彩色涂料为-2.67。RCC为正表示理论上可实现低于环境温度制冷，为负则表示标准条件下太阳热增益占主导，这一对比直接体现了三明治结构的优势。
图3. CoCoolers的户外辐射制冷性能。(a) 位于中国北京一处屋顶的户外制冷测试平台照片；插图为覆盖聚乙烯（PE）膜、置于聚苯乙烯（PS）泡沫上的CoCoolers。(b) 实验装置示意。(c) 2024年7月16日PDRC与CoCoolers近全天连续的低于环境温度辐射制冷性能测量结果。(d) 日间（8:00–16:00）与夜间（19:00–次日5:00）CoCoolers与环境空气温差的箱线图。(e–g) CoCoolers与商用彩色涂料在晴天(e，2024年7月16日)、多云(f，2024年7月26日)与阴天(g，2024年7月14日)天气下的温度对比。
在北京一处屋顶平台，团队完成全天候现场测试。2024年7月16日晴天、11:00至14:00平均太阳辐照度908.9 W·m-2条件下，红、黄、蓝CoCooler分别比环境空气低5.4、4.5和3.7 °C，整体实现3.7-5.4 °C的低于环境温度降幅；与同色度商用彩色涂料相比，温差分别达到33.3、40.6和42.2 °C。夜间无太阳直射时，降温幅度最高超过12 °C。在多云天气下，样品仍比商用彩色涂料低16.6-24.0 °C；即便在高湿、高云量、大气窗口透过率不足0.4的阴天，样品温度仍接近环境温度，并比商用涂料最高低13.7 °C。计算得到的净制冷功率分别为42.3、46.4和33.9 W·m-2，在3–12 W·m-2·K-1的不同非辐射换热系数下，均可维持低于环境空气的温度。
图4. CoCooler的应用展示及节能减排模拟。(a) CoCooler用于建筑的示意。(b) 分别涂刷CoCooler与商用涂料的房屋照片对比。(c–e) 覆盖CoCoolerR(c)、CoCoolerY(d)、CoCoolerB(e)的房屋与商用彩色涂料房屋内部温度变化。(f) 考虑制冷系统、风机与采暖设备能耗后，CoCooler应用于全球建筑的节能性能评估。(g) 全球各气候区的全年制冷节能量。(h) 全球不同气候区的年二氧化碳减排量。
在小型木屋表面的刷涂对比中，800 W·m-2日照下，覆盖三种CoCooler的房屋内部分别比涂刷商用彩色涂料者低5.3、6.7和4.5 °C，说明材料在真实建筑表面具有稳定的降温效果。为评估规模化价值，团队结合实测光学参数，使用EnergyPlus对典型三层公寓建筑开展全年能耗模拟，覆盖不同气候区的代表性城市。结果显示CoCooler在各气候区均呈现明显制冷节能效果，平均制冷节能量23.8 MJ·m-2、平均制冷节能率约15.5%；按发电排放因子折算，全球平均二氧化碳减排约11.7 kg·m-2·yr-1，湿热地区可达约19.5 kg·m-2·yr-1。需要说明的是，节能与减排结果依赖建筑窗墙比、保温水平、空调设定温度与当地气象条件，反映的是围护表面材料的相对收益，不能直接等同于具体建筑的电费节约。
这项工作的看点不只是获得了几种颜色，更在于一条可复用的设计逻辑：把原本“被迫二选一”的显色与低吸热两个目标拆分到不同层分别解决，再用隔离层守住各自的功能边界。对被动辐射制冷而言，这意味着彩色外观不再必然成为制冷的负担；对建筑节能与城市热环境而言，它为外观可定制、又有助于降低制冷能耗的围护表面提供了可行方向。后续仍需在长期真实服役、色彩配方批量一致性与工程成本等方面继续验证。
论文信息：Linhu Li1,2†, Zhihong Wang1†, Qing Zhang2, Haichao Zhao2, Guimin Liu2, Xun-en Wu3, Yida Wang3, Jingchong Liu4, Hao Chen5, Chaohua Xue6, Cunhai Wang5*, Wei Fan1*, Yingying Zhang3*, Yong Zhang1*. Colored Cooler with Sandwich Structure for Sub-Ambient Daytime Radiative Cooling. Laser & Photonics Reviews, 2026, DOI: 10.1002/lpor.72155.
