综述：受生物启发的辐射冷却技术应用于适应气候变化和节能的建筑：工作原理、环境适应性以及全年能源性能

《ENERGY AND BUILDINGS》：Bio-inspired radiative cooling for climate-adaptive and energy-efficient buildings: Mechanisms, environmental robustness, and year-round energy performance

仿生辐射冷却材料通过模仿自然生物的适应性结构设计，有效解决了传统材料在环境变化下的性能衰减问题，实现了全年稳定减碳，在高温高湿地区节能达23%，污染环境下光学性能保留率超95%，为建筑节能提供了新路径。

　　

Jinlin Xue|Yan Wang|Lei Wang|Kai Luo|Yanding Luan|Wencong Li

江西科学技术大学土木与测绘工程学院，中国赣州

摘要

辐射冷却作为一种有前景的被动策略，已被用于减少建筑物的冷却需求并缓解全球能源消耗。然而，传统的辐射冷却材料通常具有固定的光谱特性，这使它们容易受到（i）相变失效、（ii）性能下降以及（iii）气候不匹配的影响，这些因素严重限制了它们在实际建筑中的全年适用性。受到自然生物自适应温度调节策略的启发，基于生物原理的辐射冷却材料最近受到了越来越多的关注，因为它们具有响应气候、性能稳健和多功能性的特点。本文系统地总结了基于生物原理的辐射冷却领域的最新研究进展，重点关注结构-功能协同性和环境适应性。生物原型包括甲虫、蝴蝶、植物、哺乳动物和爬行动物，根据其调节机制进行了分类：温度响应系统、湿度适应性设计、双波段光谱调节和动态可切换架构。文章强调了在真实条件下的实验验证，例如炎热潮湿的气候、寒冷潮湿的地区、污染和紫外线老化以及动态变化的天气。除了短期冷却演示外，现场测量和特定气候的模拟显示，基于生物原理的辐射冷却系统可以提供稳定的低于环境温度的冷却效果，抑制季节性过冷现象，并减少年度能源消耗，在炎热潮湿的气候中可减少高达23%的能耗，在加速老化后仍能保持超过95%的光学性能，在温带地区每年可节省24.7-25.4%的能源。最后，讨论了关键挑战和未来的研究方向，包括通过人工智能实现的反向设计、多物理场耦合机制、可扩展制造以及与智能建筑能源系统的集成，为将基于生物原理的辐射冷却从实验室概念推向可靠、适应气候的建筑应用提供了全面的框架。

引言

建筑物是全球主要的能源消耗者，约占最终能源使用的40%[1]。在这一领域，冷却需求正在快速增长。根据国际能源署（IEA）的预测，到2035年，这一需求预计将以每年3.7%的速度继续增长[1]，这对能源安全和气候变化缓解带来了重大挑战。辐射冷却是一种新兴的被动冷却技术，它利用大气的“红外透明窗口”（8–13 μm）[2]。这个窗口允许物体直接将热量以红外辐射（IR）的形式释放到接近绝对零度的寒冷宇宙中。由于这一过程不需要外部能量输入，因此它可以实现低能耗和零碳排放的冷却，使其成为解决能源危机和气候变化问题的极具前景的技术[3]，[4]。

然而，当前辐射冷却材料在实际应用中的一个主要障碍是它们对复杂和动态环境的适应能力有限[5]，[6]。大多数现有材料的光学特性在制造后基本固定，无法灵活应对外部刺激[7]，[8]，[9]，[10]。这种静态特性导致在极端温度和湿度波动或受污染条件下性能下降甚至失效[6]，[11]，[12]，[13]。为了系统地解决这些问题，这些挑战可以分为三个相互关联的方面：（i）相变失效，即冷凝和结霜会损害光学性能；（ii）由于紫外线暴露、污染和老化导致的性能下降；（iii）气候不匹配，即在一种气候下优化的材料在另一种气候下表现不佳或导致过冷。例如，高湿度环境会促进表面结霜；值得注意的是，即使在炎热的气候下（例如15-20℃），这种情况也可能发生。这是因为辐射冷却可以通过向寒冷宇宙强烈散热使表面温度降至环境露点以下[14]，[15]。同样，极端高温会降低冷却性能，而长时间暴露在户外会加速老化[12]，[13]，[14]，[15]。这些问题严重限制了该技术的广泛应用。

为了解决这些挑战，研究人员从自然界中寻找灵感。银蚁、甲虫、北极熊、企鹅和变色龙等生物进化出了独特的结构和表面特性，使得它们能够高效地进行温度调节[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]。通过学习这些自然模型，提出了“仿生辐射冷却”的概念，旨在通过生物启发设计来提高材料的环境适应性。具体来说，这种方法使辐射冷却材料能够根据环境条件自动调整其光学特性，从而直接解决三个核心挑战：抑制由温度波动引起的失效、提高对污染和老化的耐久性、在多种气候和季节中保持功能，并在散热和隔热等相互竞争的属性之间实现动态平衡。最终，这提高了全年的稳定性和可靠性。

本文全面系统地概述了基于生物原理的辐射冷却的最新进展。如图1所示，首先介绍了辐射冷却的基本物理原理，以建立理论基础。随后，通过代表性的生物启发设计策略探讨了主要挑战——特别是防止相变失效、减轻性能下降以及适应气候变化。特别强调了通过整合结构和功能设计原则实现的多重功能的协同增强。此外，还强调了这些策略的实际应用潜力，并对现有局限性进行了批判性评估。最后，提出了未来的研究方向，特别关注利用机器学习和数据驱动的方法来加速发现和设计先进的辐射冷却材料。

章节片段

辐射冷却的基本原理

地球大气在8–13 μm的红外波段内具有一个“透明窗口”，允许地球的热辐射直接释放到外太空。如图2所示，辐射冷却系统的热平衡由四个主要因素决定：（1）从表面发出的热辐射，（2）吸收的太阳辐射，（3）吸收的大气辐射，以及（4）通过传导进行的非辐射热交换

增强环境适应性的生物启发策略

在明确了辐射冷却的基本原理和理想性能要求之后，一个核心挑战仍然是将理想化的光谱特性转化为在实际环境条件下的稳定和可靠性能。为了系统地提高材料的适应性，本节重点讨论了生物启发设计策略，这些策略分为三个关键方面：抵抗相变失效、对抗性能下降等

生物启发辐射冷却中的结构-功能协同性

虽然上述的生物启发策略显著提高了材料在多个维度上的适应性——包括抵抗相变失效、性能下降和气候不匹配，但实际应用中经常出现性能冲突，例如高反射率、高发射率、机械强度和环境稳定性之间的矛盾，这可能导致系统耦合失效。相比之下，自然生物经过长期的进化

生物启发辐射冷却的环境适应性验证和应用

前几节讨论的生物启发设计策略和结构-功能协同机制必须在真实和复杂的环境条件下进行评估。本节总结了生物启发辐射冷却材料在极端高温和湿度、低温和高湿度气候、污染引起的老化以及动态变化的天气等典型场景下的现场性能，以系统地评估其环境适应性

仿生辐射冷却策略的集成工程评估

在分析了增强环境适应性的3种生物启发策略后，包括3.1 抵抗相变失效的生物启发设计、3.2 抵抗性能下降的生物启发设计、3.3 缓解气候不匹配的生物启发策略、4 生物启发中的结构-功能协同性、5 生物启发辐射冷却的环境适应性验证和应用

结论与未来展望

辐射冷却作为一种有前景的可持续策略，有助于缓解日益增长的太空冷却需求并支持全球脱碳目标。本文系统地证明了生物启发设计为克服传统材料的固有局限性（特别是环境敏感性和静态光学响应）提供了强有力的途径。通过模仿进化优化的物理机制，研究人员已经超越了简单的

CRediT作者贡献声明

Jinlin Xue：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究。Yan Wang：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。Lei Wang：资源获取、资金获取。Kai Luo：项目管理、研究、资金获取。Yanding Luan：研究。Wencong Li：资源获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了江西省大学生创新与创业培训计划项目（S202510407028, S202510407029）、江西省自然科学基金（20252BAC240355, 20242BAB25281）以及赣鄱高层次人才计划——针对紧急需求的海外招聘（20242BCE50075）的支持。