輻射-蒸發集成式被動冷卻木材的設計與性能研究

中圖分類號：S776.05 文獻標識碼：A DOI：10.7525/j.issn.1006-8023.2025.03.014

Abstract：Inorder tosolve theproblemsofconventionalradiativecoling devices limitedbythetheoretical cooling power limit of and by the inhibition of radiant power by low-temperature condensate on the radiant surface and the intrinsic waterunder high humidityconditions，anasymmetricfunctional structuredesign basedonunidirectionalliquid transport proposes a passvelycooled wood（REW）with radiative refrigeration and evaporative cooling integrated in series.The wood isdelignified byasodium chloritesolution toenhance its hydrophilicity；thenahydrophobic silica/ epoxysolution withhighreflectivityand infrared emisson properties iscoatedonthetopof thehydrophilic woodtoforma hydrophobicradiativecolinglayer，while the hydrophilic woodat thebottomservesasanevaporative coling layer.By virtueof the asymmetric weting design withunidirectional watertransport，low-temperature condensatecanbespontaneouslytransported through theradiation-cooling layertotheevaporative-colinglayer forevaporativecoling，whereas the native water intheevaporative-colinglayeris unable topassthrough theradiation-coolinglayertoinhibitradiation.As a result，basedonthetandem integrationofradiant-evaporativecoling，theREWachieves a maximumcooling powerof （20 during daytime，and even at high humidity of 80 % ，which is more than 2.8 times higher than that ofradiantcooling alone.The potential application of REW inenergy-efficientcoolingof buildings is demonstrated through building models，providing auniversal optimisation strategyforexpanding the practical applicationof passive cooling and new insights into the functional utilisation of wood resources.

Keywords：Radiative cooling；evaporative cooling；integrated；unidirectional water transfer；wood

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展，全球變暖與能源短缺等問題快速加劇[1-2]。國際能源署（IEA）數據顯示，2022年全球冷卻系統共消耗電力約 ，間接產生了約10億t二氧化碳排放。而空調與相關冷卻設備的使用是其中的主要能源消耗來源之一。與傳統的能源消耗型冷卻方式不同，輻射冷卻[4蒸發冷卻等被動冷卻方式無須能源輸入即可提供顯著的制冷量，為解決能源一冷卻關系問題提供了一種極具吸引力的可行途徑。

在過去幾年中，通過超材料[5]、聚合物材料[6-7]、光子結構[8]和界面微結構[9-10]等先進的材料與結構設計，日間最大輻射冷卻功率已經超過 。然而，夜間、雨天等高濕度條件下低溫輻射表面冷凝水的形成限制了其實際冷卻性能[12]。更重要的是， 的固有理論冷卻功率極限被認為是阻礙輻射冷卻進一步擴展的主要障礙[13]。此外，水基蒸發冷卻[14]作為另一種主要的被動冷卻策略，基于水的蒸發相變可提供數倍于輻射冷卻的制冷功率。但持續的供水需求增加了其系統設計難度并限制了使用范圍。最近，一些工作通過將輻射冷卻與蒸發冷卻系統集成[15-16]，并通過自吸濕設計實現水的自供給，協同冷卻功率遠超單輻射冷卻理論極限。然而，當前研究大多只是將2種冷卻策略簡單組裝[17-18]，忽略了冷凝水與蒸發冷卻層中本體水對輻射冷卻層的抑制作用。此外，當前的蒸發-輻射集成式冷卻系統主要以水凝膠等材料為基底，高昂的成本、復雜的工藝以及較差的機械強度與耐久度等問題限制了廣泛應用。

木材是一種豐富的環?？稍偕Y源[19-23]，天然的各向異性使其具有良好的水傳輸特性與機械性能[24]。為此，本研究提出了一種基于單向水輸運的輻射-蒸發集成式被動冷卻木材（REW）。REW的結構由2層組成，第1層為頂部的疏水性輻射冷卻層，第2層為底部的親水性蒸發冷卻層。這種簡單的集成策略不僅增強了輻射-蒸發冷卻兩者協同，還實現了液體的單向傳輸。冷凝液滴可自發穿過輻射冷卻層傳輸至蒸發冷卻層，而蒸發冷卻層的本體水無法透過輻射冷卻層，解決了冷凝水與本體水對輻射層的影響。最終，REW在晴朗日間的最大冷卻功率達到 。即使在 8 0 % 相對濕度的陰天模擬條件下，REW的冷卻功率也超過單一輻射制冷2.8倍以上，達到了 ，超過了輻射冷卻理論冷卻功率極限。此外，實際演示顯示了該集成式被動冷卻策略在建筑節能熱管理中的應用潛力。本研究為開發環保、低成本與可持續的被動冷卻器件提供了借鑒，同時為木材在節能冷卻領域中的應用提供了思路。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

巴沙木 （ 5 0 m m×5 0 m m×1 0 m m） ，購于廣州市奇高輕木貿易有限公司；亞氯酸鈉（ 、冰乙酸（ 、無水乙醇（ 和環氧樹脂L 均為分析純或化學純，購于哈爾濱市道外區永昌化玻儀器經銷站；疏水二氧化硅 購于河北邢臺瑞江金屬材料有限公司。

1. 2 木材的去木質素處理

首先配置 2 . 5 % 的亞氯酸鈉溶液，并用冰乙酸調整 至4，將巴沙木置于溶液中并用加熱臺加熱至 保持 。用去離子水清洗多次以去除雜質。最后放入冷凍干燥機中干燥 1 2 h 。

1.3 REW的制備工藝

REW制備材料占比因材料特性而存在差異，親疏水層比例對于REW的冷卻性能具有較大影響。將去木質素處理后的木材用透明膠帶包裹，僅暴露其橫截面。接著，將 3 % 的疏水二氧化硅 溶解于無水乙醇中，并與環氧樹脂按1：1比例混合，得到均勻的溶液。然后，將該溶液磁力攪拌 3 0 m i n 。最后，在0 . 1 M P a 的真空壓力下，將疏水溶液在木材表面浸漬1 2 h 。

1.4 REW的表征分析

通過掃描電子顯微鏡（JSN-7500F）對所制備冷卻木材的外觀結構進行表征。利用紫外-可見分光光度計測試樣品的UV-NIR光譜特性。利用紅外光譜儀（NicoletiS50）對所有樣品的傅立葉紅外光譜（FT-IR）進行測試分析，分析范圍為 。

1. 5 REW制冷性能測試

將REW置于自制的亞克力箱體中，通過濕度計（UT333S）調控不同的相對濕度（RH）環境。使用氙氣燈（CEL-SA500/350）模擬太陽輻射，并利用電子天平測量REW的水分捕獲與蒸發性能。室內和室外試驗裝置采用聚氨酯泡沫、鋁箔和亞克力板進行制備，同時使用熱電偶、光強計和濕度計對試驗數據進行實時監測。

2 設計與原理

本研究制備了一種輻射-蒸發集成式被動冷卻木材（REW），其制備流程如圖1所示。首先，對木材進行脫木質素處理，使木材內部富含極性羥基的纖維素結構暴露以增強木材整體親水性。然后將 環氧樹脂疏水溶液涂覆在脫木質素木材頂部，通過真空低壓浸漬在木材內部形成具有單向水輸運特性的不對稱潤濕梯度。

由圖2（a）可知，基于上述一體化結構集成，REW由頂部的輻射冷卻層和底部的蒸發冷卻層組成。輻射冷卻層中隨機嵌入的 納米顆粒不僅可以有效反射陽光，還在大氣透明窗口（ 8～1 3 μ m 范圍內具有優異的中紅外發射性能。基于此制備的REW在反射太陽光的同時，通過與環境進行熱交換將室內的溫度散發出來，從而將溫度降至環境溫度以下。然而，由圖2（b）可知，在雨天、夜間等高濕度條件下輻射冷卻層與環境之間的溫差將導致冷凝水的產生，冷凝水在日間通過對太陽光進行漫反射以及在天氣窗口下吸收輻射制冷器發射的熱輻射，使得輻射制冷器冷卻性能降低。值得注意的是，與單輻射冷卻木材（RW不同，REW頂部不僅不會有冷凝水堆積，冷凝水還會進一步傳輸至蒸發冷卻層用于蒸發冷卻。與此同時，蒸發冷卻層中多余的散裝水也并不會在輻射冷卻層溢出而影響輻射冷卻性能。

圖2（c）與圖2（d）展示了REW系統單向水傳輸的機制。親水的蒸發冷卻層和疏水的輻射冷卻層之間的表面能梯度產生馬蘭戈尼作用力，使水分子由疏水層向親水層流動。同時，親水層內的木材微通道通過毛細作用進一步促進了水分子的快速傳輸。因此，當冷凝水形成于REW的疏水側時，受到重力和馬蘭戈尼作用力的共同作用而向下傳輸，并在親水層擴散。相比之下，RW系統缺乏馬蘭戈尼作用力，疏水層的氣墊效應則對液體產生排斥力，阻止其向下滲透，導致冷凝水在輻射冷卻表面聚集。

3結果與分析

3.1 REW表征分析

本研究采用掃描電子顯微鏡（SEM）表征了REW內部的不對稱潤濕結構。由圖3（a）可知，在壓力浸漬作用下REW內部形成明顯的親疏水區域分界。疏水區域的結構與成分如圖3（b）與3（e）所示，疏水 緊密附著在木材通道表面，能量色散X射線譜儀（EDS）證明了SiO顆粒在其中的均勻分布。疏水輻射冷卻層的光反射和中紅外發射性能如圖3（c）所示，在 顆粒的作用下輻射層在 3 0 0～2 5 0 0n m 波長范圍內的平均反射率達到 7 9 . 1 6 % ，平均發射率達到 8 2 . 2 4 % （ 0 . 3 ～ ，保證了優異的輻射冷卻性能。蒸發冷卻層的微觀結構由圖3（d）可知，其內部通道暢通且無KH570- 附著，保證了親水特性與毛細作用力。由圖3（f）可知，在蒸發冷卻層的加持下，REW表面的液滴逐漸向下透過疏水輻射冷卻層，而RW中液滴則被阻擋在表面。綜上所述，一體化串聯設計實現了輻射冷卻與蒸發冷卻的集成，其不對稱的Janus（具有性質差異的材料組成的一類結構）潤濕結構還實現了液滴單向傳輸，有效解決了輻射-蒸發集成冷卻器件中表面冷凝水積聚與蒸發冷卻層中散裝水對輻射冷卻層的抑制作用。

3.2 REW冷卻性能

為了驗證REW冷卻器的被動冷卻性能，通過圖4（a）的恒溫測試裝置在晴天和陰天進行了測試。為了證明REW所具有的被動蒸發冷卻特性，模擬了陰天高濕度條件下的水吸附與蒸發性能。由圖4（b）可知，隨著濕度增加，REW水分吸附顯著增加，而RW幾乎沒有變化。這是由于RW沒有定向水傳輸特性，水分在頂部冷凝堆積而不是吸入內部。圖4（c）為REW與RW的蒸發性能，在 的太陽輻照下，REW蒸發性能為 而RW的蒸發速率接近為 。證明了蒸發冷卻層具有優異的蒸汽透過率，為被動蒸發冷卻提供了基本條件。

由圖4（d）和圖4（e）可知，分別在晴天和陰天測試了REW與RW的冷卻性能，結果顯示晴天時REW的平均冷卻溫度約低于環境溫度 ，較RW冷卻器低了 。而即使在陰天，REW的冷卻溫度仍比RW低 ，這表明REW在晴天與陰天氣候下具有優異的冷卻性能。由圖4（f）可知，通過測試了不同入射角度REW的冷卻性能，發現安裝角度對于總體冷卻功率與REW的冷卻性能影響較小。

進一步量化了兩種冷卻器的冷卻功率，REW的最大冷卻功率超過了 ，較RW提升了 2 6 0 % 。冷

卻功率計算公式為

式中： 為凈冷卻功率； 表示輻射冷卻器的輻射功率； 表示環境輻射功率； 表示吸收陽光的功率； 為對流和傳導導致的冷卻功率損失，高濕度或者陰天會導致大氣發射率的增加，從而導致 的顯著增加并導致 的減小; 為純水的蒸發冷卻能力； σ 為史蒂芬-玻爾茲曼常數； 為中紅外發射率； 是中紅外吸收率； 與 分別為環境的發射率與溫度； h 為環境與冷卻器之間的熱傳遞系數，形式為傳導與對流； 為水的蒸發焓值； m 為水的蒸發速率； θ 為蒸發系數，數值為 ，u為水上空氣的速度； 為相同條件下飽和空氣的最大濕度比； χ 為環境空氣的濕度比。

3.3 REW應用

由圖5（a）可知，本研究搭建了建筑模型以驗證其在建筑熱管理中的應用潛力。模擬建筑由亞克力板組成，亞克力板外部包裹有隔熱鋁箔，內部采用泡沫進行隔熱處理，而建筑的頂部覆蓋了被動冷卻木材，其尺寸為 2 0 c m×5 c m×1 c m 。圖 顯示了建筑模型在9：00一16：00的紅外溫度圖像，可以看出在太陽照射下REW的表面溫度明顯低于RW。由圖5（c）可知，通過同步監測戶外環境與模擬建筑內部的溫度變化，相關研究證明了建筑內部溫度變化與建筑內部體積呈反相關，使用REW的模擬建筑內部溫度相比使用RW降低了 ，進一步驗證了輻射-蒸發集成冷卻器件的性能優勢與實際應用潛力。

4結論

綜上所述，本研究基于對木材的功能化改良提出了一種輻射-蒸發集成式被動冷卻木材，通過串聯集成設計耦合被動蒸發冷卻，有效地解決了傳統單輻射冷卻器件固有冷卻功率瓶頸。在此基礎上，憑借非對稱的潤濕結構修飾實現了集成系統中液滴的單向透過，解決了高濕度條件下外部冷凝水與內部本體水對輻射層冷卻功率的抑制問題。戶外實際演示預示了該集成式被動冷卻器件在建筑節能熱管理中的應用潛力。因此，本研究為被動冷卻器件的優化創新提供了有價值的參考，也為木材功能化增值利用提供了新的啟發。

參考文獻

[1] GLEICK P H. Global freshwater resources： soft-Path solutions for the 21st century[J]. Science，2003，302（5650） ： 1524-1528.

[2]高維龍，彭影，胡續楠.“雙碳\"目標下數字經濟對城市 節能減排的影響研究[J].城市問題，2023（3）：25-37. GAO W L，PENG Y，HU X N. The impact of digital economy on energy saving and emission reduction in cities under the“double carbon” target[J].Urban Problems， 2023（3） ：25-37.

[3]鄭偉棟，肖紫宣，王磊，等.天空輻射制冷對輕質圍護結 構建筑能耗的影響研究[J].制冷與空調，2024，24（7）： 32-38. ZHENG W D，XIAO Z X， WANG L，et al.Study on the effect of radiative sky cooling on energy consumption of light envelopebuilding[J].Refrigerationand Air-Conditioning， 2024，24（7） ：32-38.

[4]蔣周程，陶宇，羅松，等. z n O 摻雜 ·0.78HO涂 層用于日間輻射冷卻研究[J].功能材料，2024（5）： 5215-5221. JIANG Z C，TAO Y，LUO S，et al. ZnO doped MgHPO4·0. （204號 coating for daytime radiation cooling research [J]. Journal of Functional Materials，2024（5） ：5215-5221.

[5] ZHAI Y，MA Y G，DAVID S N，et al. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling[J]. Science，2017，355（6329）： 1062-1066.

[6] FAROOQ A S，SONG X H，WEI D H，et al. A bioinspired hierarchical gradient structure to maximize resilience and enhanced cooling performance in polymeric radiative cooling coatings [Jl．Materials Today Energy，2024，45： 101666.

[7]蔣承銳，張銳，葛元宇.輻射冷卻紡織品性能測試技術 與裝置構建[J].中國纖檢，2023（4）：74-77. JIANG C R，ZHANG R，GE Y Y.Radiation cooling textile performance testing technology and device construction [J].China Fiber Inspection，2023（4）：74-77.

[8] XUX Y，ZHANG H，KANG X J，et al. High-performance， superhydrophobic，durable photonic structure coating for efficient passive daytime radiative cooling [J]. Materials TodayPhysics，2024，48：101556.

[9] KANG X J，ZHANG H，HE C Y，et al. Harnessing the synergy of and SiO dielectric micro-/nanoparticles in polymer-based photonic films for robust passive daytime radiative cooling[J]. Materials Today Energy，2024，43： 1015/9.

[10] XIE H，DU Y，LI X L.Chinese architecture inspired smart roof tile integrating radiation cooling，water harvesting，and energy recycling[J]. Nano Energy，2024，127： 109709.

[11]MA MQ，ZHANGK，CHENLF，et al.Analysis of the impact of a novel cool roof on cooling performance for a lowrise prefabricated building in China[Jl.Building Services Engineering Research and Technology，2021，42（1）： 26-44.

[12] ZHANG Y X，DU X F，HUANGFU JW，et al. Self-cleaning PTFE nanofiber membrane for long-term passive daytime radiative cooling[J]. Chemical Engineering Journal， 2024，490：151831.

[13]LI M Y，COIMBRA F MC. On the effective spectral emissivity of clear skies and the radiative cooling potential of selectivelydesigned materials[J].International Journal of Heatand Mass Transfer，2019，135：1053-1062.

[14] MI L T，ZHANG ZW，ZHANG XL，et al.A natural gain strategy of passive cycling water vapour escape toward efficient freshwater purification[J].Journal of Materials ChemistryA，2023，11（40） ：21577-21585.

[15]MAO MR，FENG C Z，PEIJX，et al.A triple-layer membrane with hybrid evaporation and radiation for building cooling[J].Energies，2023，16（6）：2750.

[16]XU L，SUND W，TIANY，etal.Self-rehydrating and highly entangled hydrogel for sustainable daytime passive cooling[J]. Chemical Engineering Journal，2024，479： 147795.

[17]LI JL，WANG XY，LIANG D，et al.A tandem radiative/ evaporative cooler for weather-insensitive and high-performance daytime passive cooling[J]. Science Advances， 2022，8（32）：eabq0411.

[18]HU ZX，QIUY，ZHOU JC，et al. Smart flexible porous bilayer for all-day dynamic passive cooling[J]. Small Science，2024，4（3） ：2300237.

[19]韓玉杰，肖佳.木材產業綠色低碳發展路徑淺析[J]. 森林防火，2024，42（2）：106-109. HAN Y J，XIAO J. Analysis on green and low-carbon development path of wood industry[Jl. Journal of Wildland Fire Science，2024，42（2） ：106-109.

[20]荊明星，楊宇，付依揚，等.木材改良濕氣發電機的設 計及性能研究[J].森林工程，2023，39（6）：109-115. JINGMX，YANGY，FUYY，et al.Design and performance study of wood-based moist-electric Generator[J]. Forest Engineering，2023，39（6）：109-115.

[21]陳晨，程旭，王立朝，等.改性納米復合防腐劑對木材 耐腐性能的研究[J].森林工程，2022，38（6）：61-68. CHEN C，CHENG X，WANG L C，et al. Study on wood decay resistance of modified nanocomposite preservatives [J].Forest Engineering，2022，38（6） ：61-68.

[22] ZHANG JY，YIN KR，ZHUANG ZR，et al.Wood wastederived dual-mode materials paving the way for yearround energy saving in buildings[J].Materials Horizons， 2024，11（15） ：3633-3642.

[23]高力嬌，朱曉冬，劉乾，等．改性熱敏黑溫致變色木材 的耐老化性研究[J].森林工程，2018（4）：63-69. GAO L J，ZHU X D，LIU Q，et al. Study on aging resistanceof modified thermosensitive black thermochromic wood[J]. Forest Engineering，2018（4）：63-69.

[24]韓傳龍，李益飛，張衛康，等.多功能木材表面太陽能 海水淡化裝置性能的研究[J].表面技術，2021，50（8）： 74-83. HANCL，LIYF，ZHANG WK，et al.Performance of solar seawater desalination device of multi-functional wood surface[J].Surface Technology，2021，50（8）： 74-83.