摘要：被动降温作为减少建筑空调能耗、应对全球变暖的重要可持续策略，近年来备受关注。其中，依靠“辐射冷却”原理的涂料通过将热量释放到大气窗口，在干燥、晴朗气候下表现良好。然而， 在 高湿、多云地区，辐射冷却的效率大幅下降，制冷功率甚至不足20 W/m²。此外，由于辐射
被动冷却涂料，登上《Science》！
被动降温作为减少建筑空调能耗、应对全球变暖的重要可持续策略，近年来备受关注。其中，依靠“辐射冷却”原理的涂料通过将热量释放到大气窗口，在干燥、晴朗气候下表现良好。然而， 在 高湿、多云地区，辐射冷却的效率大幅下降，制冷功率甚至不足20 W/m²。此外，由于辐射冷却具有方向性，其在建筑立面上的效果也受限。面对城市热岛效应带来的高降温需求，仅依赖辐射机制已难以满足现实需求。相比之下，利用水蒸发潜热的“蒸发冷却”则具备无方向性的优势，可弥补辐射冷却的短板。不过，传统的水凝胶系统虽具备蒸发冷却潜力，却常因吸水膨胀、附着力差及反复干湿循环中的结构退化而难以长期应用。
在此， 新加坡南洋理工大学 李洪教授团队 研发出 一种经过改良的水泥基涂层，兼具优异的热光性能与水分调控能力，在提升降温效果的同时，也具备良好的耐久性、机械强度和广泛适应性。 这种涂层具备88%到92%的太阳反射率（取决于表面湿润状态）、高达95%的大气窗口辐射率、约30%的水分保留率，并具有“自我补水”功能，即使在潮湿环境下也能维持稳定的光学性能。 实地测试显示，在新加坡热带气候下，该涂层的降温效果显著优于市面上的白色涂料。在中试规模的应用中， 作者 在多种天气条件下均实现了持续的节能效果，且结果与理论模型高度一致。通过结合可持续的水分蒸发和热辐射机制，这种涂层为缓解城市热岛效应提供了一种实用且长期有效的解决方案。 相关成果以“ Passive cooling paint enabled by rational design of thermal-optical and mass transfer properties ”为题发表在 《Science》 上，第一作者为 电子科技大学校友Fei Jipeng 。
水泥冷却涂料（CCP） 的光学性能
这款新型冷却涂层（ CCP）拥有致密且均匀的多孔结构（图1B）， 其中的 BaSO ₄ 纳米颗粒牢固嵌入 多孔硅酸钙水合物 网络骨架中 ，可在太阳光波段产生强烈散射，有效反射约93%的太阳辐射（图1D） 。相比传统材料， BaSO ₄ 吸热更少，降温效果更佳。即使在潮湿环境中，涂层依旧能保持高反射率，因其纳米颗粒稳定附着，不易被水浸影响（图1E）。优化版本CCP-30在干湿状态下的反射变化小于4%，同时具备良好的机械强度和95%的红外发射率（图1F–G），实现了“ 湿了也能反光散热 ”的稳定性能，适用于多种复杂气候下的城市降温场景。
图 1.CCP-30 的概念和光学性能
CCP 的结构和机械设计
作者 设计的冷却涂层 CCP-30 通过水泥水化反应形成致密的 C-S-H 凝胶结构（图2A），在保持强度和耐久性的同时，具备良好的施工性。优化后的水灰比不仅提高了涂料的流动性，也有助于 BaSO ₄ 纳米颗粒的均匀分布和光学性能的提升。与传统水泥相比， 纳米颗粒通过与水分子形成弱氢键，减少自由水，增强骨架压实度和孔隙均 一 性 （图2A）。为了抑制早期干裂， 作者 引入了约2%的聚乙烯醇和氯化锂，这两种成分分别提供保水作用和氢键网络，有效防止塑性收缩裂纹（图2B–C），并持续促 进水化反应，使 C-S-H 结构更加紧密（图2E）。对比样品 C-B-30 因缺乏持续水化而结构松散，表现出更明显的表面劣化和开裂。拉曼光谱和透射电镜（图2D–F）进一步证实 CCP-30 的骨架结构更均 一 ， 钙硅比例 更合理。最终，CCP-30 实现了纳米颗粒、PVA 和 LiCl 的均匀分布（图2G），构建出稳定、多孔、强韧的涂层骨架，不仅具有优异的光学性能，也为实际应用中的耐久性与机械强度打下了坚实基础。
图 2.机械性能
CCP 的流体设计
CCP-30具备高度互联的多孔结构，可通过雨水、水汽甚至露水被动补水，实现持续蒸发降温（图3A） 。其亲水表面结合不膨胀的骨架结构与缓慢释放的吸湿盐，不仅能吸收空气中约16%的水分，还能避免暴雨冲刷导致的盐分流失。微型CT成像显示，其内部孔道畅通，封闭孔减少，有助于水循环与结构稳定（图3B）。热分析结果进一步证实其在常温下具有高效蒸发能力（图3C）。在实地测试中，CCP-30对周围环境也展现出积极影响：与传统高反射涂层HR-RC相比，CCP-30能使前方黑色吸热材料温度降低多达8°C（图3D–E），显示其通过蒸发而非仅反射来实现降温，显著缓解热岛效应。在新加坡实测中，CCP-30降温功率最高可达140 W/m²，是HR-RC的3–10倍，尤其在立面应用中优势明显（图3F）。模拟结果也表明，在不同湿度与方向条件下，蒸发机制相比单一辐射机制更加稳定高效，为未来开发多功能被动降温材料提供了重要思路。
图 3.流体特性和冷却机制
室外制冷性能和环境影响
长期实测表明，CCP-30涂层具备出色的被动降温能力。在潮湿气候下，其毛细补水机制相比传统涂料的吸湿冷却效果更佳，最高可降温7°C 。在模拟真实环境的对比测试中，CCP-30在阳光直射下的表面温度显著低于商业辐射涂料（CRCP），并通过蒸发冷却有效降低周围热负荷（图4A–B）。在小型混凝土建筑模型中，CCP-30能使室温降低超过4.5°C，实测能耗也减少30–40%（图4E–F）。即便在连阴雨天气下，其降温效果依旧稳定，展现出优异的气候适应性。仿真结果显示，若将CCP-30应用于四层住宅，每年可节省约6.8万千瓦时电力（图4G）。更值得一提的是，CCP-30在全生命周期碳足迹上远低于市售白漆（图4H）。除了性能优势，它还具备施工便捷、成本低、附着强、耐候性好等特点，一次涂刷即可成膜，光学性能稳定、表面不反光、 抗霉易清洁 ，且对混凝土无腐蚀性。综合来看，CCP-30是一种真正兼顾性能、经济性与环保性的高效被动降温涂料。
图 4.现场测试
小结
总结来看， 研究团队开发出了一款可涂刷的一体化被动降温涂料——CCP-30，通过巧妙结合辐射与蒸发机制，实现高效散热 。其多孔结构可从雨水和空气中持续“自补水”，支持长期蒸发降温，即使在湿热地区也能展现出优异性能，降温能力比市售涂料高出近10倍。在中试实测中，CCP-30节能效果稳定，可减少30–40%的空调用电，显著降低碳排放。作为一种基于水泥的水性涂料，CCP-30不仅具备高强度、快固化、耐气候和低成本等优势，还能强力附着于多种基材，施工便捷、适用性广。这项成果为全球“低碳建筑”和城市热岛治理提供了一种切实可行的新型被动降温解决方案。
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来源：老何说科学