香港理工大学UEX团队严晋跃教授和刘俊伟博士在《Joule》杂志上发表了题为“用于个人制冷的光谱工程纺织品”的研究文章，为应对全球变暖引发的持续热浪及极端天气对人体舒适性的显著影响做出了重要贡献。
该研究聚焦于辐射制冷纺织品，通过光谱工程优化其在室内和室外多种环境下的应用性能，展现了在提升人体舒适度和减少空调能耗方面的巨大潜力，并提出了未来研究的关键方向与挑战。
研究背景
全球变暖引发的持续热浪和极端天气对人体舒适性和健康构成显著威胁，尤其在城市环境中问题更为突出。传统制冷方式如空调依赖能源消耗，亟需开发更可持续的解决方案。辐射制冷纺织品作为一种被动降温技术，已成为改善个人热管理和降低能耗的理想方案。最近，针对光谱选择性纺织品的研究取得了显著进展，显示出其在城市环境中全天候实现人体降温的巨大前景。为了推动这一领域更进一步，本文深入分析了不同类型辐射制冷纺织品的机制与应用特性，明确了现存问题并为未来研究提供指导。
核心内容
1. 人体热管理机制
从传热与传质的角度出发，人体的热量散失主要依靠辐射、对流、传导以及蒸发四种方式共同实现。这些机制在调节体温与维持热平衡方面至关重要（图1A）。对于活动状态下的人群，辐射散热占总热量损失的比例超过40%；而静止或久坐时，这一比例可上升至约60%。人体皮肤在红外波段的辐射特性使其近似于黑体发射源（图1B），但由于受大气窗口的限制，仅约40%的辐射能够通过8–13 μm的窗口直接释放至外太空（图1C），显著降低了自然辐射散热的效率。同时，在站立情况下，仅约3%的皮肤表面积直接朝向天空，其余部分受周围建筑与地面反射的红外辐射影响，进一步削弱了自然辐射冷却的效果。
2. 辐射制冷纺织品的设计原则
根据大气窗口外的红外特性，辐射制冷纺织品可分为宽频型和选择型两类（图1D）。宽频型纺织品通过提升红外透过率和增强散热能力，为人体提供出色的热管理效果，尤其适合环境温度较低的应用场景（图1E）。然而，在城市高温基础设施释放强红外辐射的情况下，这类纺织品容易受到外界热量干扰。相比之下，选择型辐射制冷纺织品能够有效屏蔽城市热辐射，同时充分利用大气窗口散热，在户外城市环境中表现出明显优势。在室内，由于不存在太阳直射和高温基础设施的干扰，宽频型和选择型纺织品均能通过较高的红外透过率促进人体与环境间的热交换，从而改善热舒适性并降低空调能源消耗。
图1. 人体辐射制冷纺织品的设计原理。(A) 人体在不同场景下的热量和质量传递过程。(B) 城市基础设施、人体及室内墙壁的红外辐射强度。辐射强度的差异可用于个人热管理。(C) 人体在全天候服装内外的辐射差异。(D) 宽带和选择性制冷纺织品的透射率和发射率。(E) 宽带和选择性制冷纺织品的冷却性能。
室内个人制冷：通过设计基于纳米多孔聚乙烯（PE）的红外透明材料（图2A），可显著增强室内的散热效率。然而，为满足实际使用的强度要求，往往需要增加PE材料的厚度，这会导致其红外透过率下降。因此，必须进一步优化设计，以平衡散热性能与机械特性。
户外个人制冷：在户外条件下，高温和阳光辐射对制冷材料提出了更高要求。为此，可开发兼具强太阳反射和高红外发射性能的复合材料（图2B）。通过在抗紫外线性能优异的聚合物中嵌入纳米颗粒，可制备出高效反射太阳光并能有效散热的纳米复合纺织品，从而满足户外冷却需求。
城市环境中的个人制冷：在城市环境中，由于仅少部分纺织表面朝向天空，高温建筑释放的大量红外辐射显著影响纺织品的散热效率。宽频型制冷纺织品只有3%的面积会面向天空，在此环境下容易受到干扰。而选择型纺织品凭借其屏蔽城市热辐射并利用大气窗口散热的特性（图2C），表现出更好的降温效果。
全天候个人制冷：由于室内外环境的显著差异，人们在不同场景间通常需要调整服装设计。人体超过60%的红外辐射位于大气窗口之外，通过在这些波段提高透过率可以显著改善散热。同时，高太阳反射率在强光条件下有助于保持舒适（图2D）。然而，红外透过率过高可能在白天城市环境中降低散热效果，因此需权衡透过性与屏蔽能力，以优化全天候冷却性能。
图2. 人体与不同辐射制冷纺织品的热传递过程。人体与 (A) 宽带型红外透明纺织品、(B) 宽带型红外发射纺织品、(C) 适用于城市环境的选择型纺织品、以及 (D) 全天候辐射制冷纺织品的热传递分析。
3. 红外透明纺织品在空调节能中的应用
高红外透过率的制冷纺织品能够有效增强人体散热能力，从而使空调设定温度得以提高，显著降低能源消耗。研究中引入了一种热传递模型，用于量化此类纺织品的节能效果（见3）可见，基于聚乙烯（PE）的纺织材料能够将空调温度设定提升至约26°C，与传统棉织物相比，可减少能耗超过20%。选择型辐射制冷纺织品在中红外范围的透过率介于40%至60%，能够将设定温度上调至24°C以上，节约约15%的制冷能源。而宽频型辐射制冷材料在中红外的透过率通常低于20%，其节能效果相较棉织品不具优势。
图3. 不同辐射制冷纺织品的红外透过率、空调设定温度与节能效果之间的关系。
4. 展望
虽然光谱调控技术在开发辐射制冷纺织品方面取得了显著进展，但关于动态调节红外性能纺织品的研究仍较为有限。考虑到高温条件下人体出汗对舒适性的显著影响，能够根据湿度、温度或其他外部条件变化而响应的智能纺织品展现出广阔的应用潜力。在运动等情境下，汗液蒸发通常是主要的散热途径，因此，开发具有快速吸收、输运和蒸发水分能力的制冷纺织品，将显著改善其整体性能。此外，由于人体散发的热量需要通过纺织材料传递至外部，纺织品的热导性能对其散热效率尤为关键，但这一方面尚未得到充分重视。未来，将多功能特性如防水、防污及健康监测集成到辐射制冷纺织品中，依然面临重大技术难题。
论文总结
本研究探讨了光谱工程辐射制冷纺织品在个人热管理中的应用潜力，通过优化纺织品的红外辐射特性，实现了室内外环境中的高效散热和节能效果。研究揭示了宽带型和选择性辐射制冷纺织品的设计原理及其在不同场景下的优劣势，并提出了全环境适用的纺织品设计策略。此外，通过数值模型评估了辐射制冷纺织品对空调系统节能的潜在贡献，为光谱工程技术在个人制冷及建筑节能中的广泛应用提供了理论支持。本研究不仅推动了辐射制冷纺织品的技术进步，也为应对全球变暖和城市热岛效应提供了新思路。
团队介绍
论文第一作者为刘俊伟博士，香港理工大学严晋跃教授为本文的通讯作者。
严晋跃教授领衔的国际城市能源研究中心（UEX）致力于解决城市能源及相关环境问题，加速城市实现碳中和目标。该研究中心的研究范围涵盖城市能源科学与技术、能源与新型城市交通运输方式，以及能源与人工智能和数据科学等跨学科交叉领域。UEX汇集了来自世界顶尖研究机构的顶级科学家，旨在研究和开发一系列综合系统解决方案和强大科学工具，以服务城市能源系统的碳中和转型和创新。
原文链接： https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.08.012
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