综述：多光谱热管理在多种气候条件下的节能建筑中的应用：从建筑立面到室内个人热环境调节

《Joule》：Multispectral thermal management for energy-saving buildings in diverse climates: From facade to indoor personal thermal management

　　建筑能耗占全球总能耗约30%，加剧温室气体排放与能源危机。本文系统综述多光谱热管理技术，聚焦屋顶/墙壁、窗户及室内纺织品在低/中/高纬度气候区的优化策略，重点解决高海拔地区辐射冷却系统研究缺口。通过调控可见光、近红外与中红外波段透射率、反射率、吸收率和发射率，实现差异化气候下的能效提升，为零能耗建筑提供设计框架与路径指引。

　　
在全球能源消耗与气候变化的双重压力下，建筑能耗作为总能耗的30%左右已成为亟待解决的问题。针对不同气候带的建筑外立面（屋顶/墙壁）、窗户及室内纺织品，多光谱热管理技术通过精准调控可见光（0.4-0.7μm）、近红外（0.7-2.5μm）和中红外（2.5-25μm）波段的光热特性，构建了从被动冷却到主动温控的全链条解决方案。该领域研究虽在单一组件（如低-e窗户、PDRC墙体）层面取得进展，但尚未形成系统化的跨气候带、跨建筑组件的协同设计框架。

在低纬度地区，太阳辐射强度高（日均>8小时），研究重点集中在可见光反射与近红外高透射的协同调控。通过开发宽光谱选择性涂层，这类地区建筑可减少70%以上的空调能耗。值得关注的是，部分新型纳米结构材料在保持高可见光透光率（>85%）的同时，实现了近红外波段99%的反射效率，这种"光子晶体效应"为窗口设计提供了新思路。

中纬度地区面临季节性温差显著的特点（年温差可达30℃）。动态热调节系统成为研究热点，例如电致变色玻璃通过离子迁移技术可在15分钟内切换透光率，配合热致变材料的应用，使建筑全年综合节能提升达40%。特别在过渡季节，采用相变储能材料与辐射冷却联用的系统，能实现夏季自然冷却与冬季蓄热供能的双重功能。

高海拔地区（如青藏高原）虽然太阳辐射强，但大气逆辐射较弱，地面辐射冷却潜力巨大。研究显示，采用双层辐射冷却涂层的墙体，在昼夜温差达20℃的环境中，可使建筑内部温度波动降低5-8℃。此外，针对该地区紫外线强烈的特点，开发出兼具UVA防护（>90%阻隔率）和红外发射特性（8-13μm发射率>0.9）的复合涂层，为高寒地区建筑提供了创新解决方案。

在窗户领域，传统单层中空玻璃的传热系数约为1.5 W/(m2·K)，而新型智能窗户通过多层复合结构（如Ag纳米网格/TCO透明导电膜/低-e镀层）可将传热系数降至0.3 W/(m2·K)以下。特别在夏季，这类窗户通过控制可见光透射（维持室内光照需求）和近红外反射（降低太阳热负荷），配合中红外的选择性发射，实现自然冷却与热防护的平衡。实验数据显示，在持续高温（>35℃）环境下，采用该技术可使空调能耗降低60%。

室内纺织品的热管理策略呈现显著创新趋势。传统纺织品的红外发射率普遍低于0.5，而新型相变纺织品的红外发射率可达0.8-0.9，同时通过织物的三维结构设计，实现了冷却效率提升30%以上。针对高湿度地区，开发的湿度响应型纺织品能通过毛细效应主动导流汗水，结合红外发射功能，使人体热舒适度提升2-3个等级。在医疗领域，具有中红外选择性发射的远红外纺织品的临床测试表明，可使患者体温调节效率提高25%。

材料创新方面，基于金属有机框架（MOFs）的多孔结构涂层在可见光反射率达92%的同时，中红外发射率提升至0.85，且具有自修复特性。这种材料在持续使用6个月后仍保持80%以上的性能稳定性，解决了传统辐射冷却材料耐久性差的问题。此外，石墨烯量子点涂层的突破性进展，实现了可见光全反射（RVis>95%）与近红外高透射（T NIR>80%）的完美平衡，其热导率较传统材料降低40%，显著提升了系统的隔热性能。

跨气候带协同设计已成为研究新方向。针对中纬度地区冬季供暖能耗过高的问题，开发了基于太阳诱导发光的辐射加热系统。该系统利用近红外波段的光子共振效应，在晴朗天气下可主动吸收太阳辐射转化为热能，实测数据显示在日均光照4小时的条件下，可使室内温度提升2-3℃。同时，通过中红外的选择性发射设计，有效抑制了夜间向外的热损失。

智能纺织品领域出现了突破性进展。采用微流控技术的可调温纤维，可通过电场调控孔隙率，实现从0.3 W/(m2·K)到3.5 W/(m2·K)的传热系数动态调节。这种柔性传感器在应变检测方面的灵敏度达到0.1%应变，响应时间<5秒。最新研发的相变-光热协同织物，将相变材料与光子晶体结构复合，在夏季可吸收200%自身质量的热量，并在冬季通过中红外发射实现被动制热。

产业化方面，PDRC墙体材料已在全球50余个气候带完成验证，在东南亚高温高湿地区应用显示夏季空调能耗降低58%，而在北欧寒区冬季供暖能耗减少23%。智能窗户在迪拜太阳能建筑中的应用表明，其综合节能效益达42%，同时实现了85%的可见光透射率。室内纺织品在冷链物流包装中的应用，使货物温控能耗降低65%，且具有重复使用500次以上的耐久性。

研究空白方面，现有技术在高海拔地区的适用性仍存疑。例如，青藏高原昼夜温差达20℃以上，现有材料在-10℃至30℃范围内的性能稳定性不足。另一个挑战是不同气候带的材料通用性，目前针对单一气候区开发的材料难以适应多气候带切换需求。此外，纺织品与建筑构件的集成技术尚不成熟，存在界面热阻和机械强度不足的问题。

未来发展方向呈现三个趋势：一是材料体系从单一功能向多功能集成演进，如同时具备可见光反射、近红外透射和中红外发射的三波段调控材料；二是系统设计从被动控制转向智能自适应，通过嵌入式传感器与执行器的实时联动，动态匹配环境变化；三是跨尺度协同创新，将宏观建筑结构与微观纺织物结合，形成从表皮到内层的全气候响应体系。

该研究为全球建筑节能提供了系统性解决方案，特别在高海拔地区填补了辐射冷却技术的研究空白。通过建立"光谱调控-环境适应-系统优化"的三层设计框架，为不同气候带提供了定制化方案。据测算，全面推广这些技术可使建筑能耗降低40-60%，助力"双碳"目标实现。但材料规模化生产成本（当前约$200/m2）、长期户外性能稳定性（需>10年验证）以及跨气候带通用性（需开发中间态设计标准）仍是亟待突破的瓶颈。