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摘要：本论文将对白天低于周围环境温度的放射冷却材料的冷却原理进行说明，同时对设计制作本材料，并成功在日本夏季海平面地带的阳光直射下发挥性能这一结果进行介绍。此外，结合实证试验的结果，阐明辐射冷却材料各种应用的效果。最后，探讨该材料的可能性。

关键字：辐射冷却材料、冷却原理、冷却性能、辐射冷却材料的应用、SPACECOOL

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前言

为了缓和全球变暖、尊重人权、实现IoE（Internet of Everything）社会，防暑措施变得日趋重要。从缓和全球变暖的角度来看，由于位于炎热地区的新兴国家收入水平提高，预计到2050年，全球空调设备将比2018年增加约3倍，这将创造相当于日本、美国和欧洲当前总发电量的能源需求，因此减少空调能耗愈发重要。从尊重人权的角度来看，随着SDGs理念的传播，未来将更加需要建立一个劳动者不会中暑的安全舒适的多样化工作环境。从实现IoE社会的角度来看，随着连接到互联网的设备数量急速增加，未来或将通过提高设备的可靠性来降低维护频率。由于可以通过降低设备温度来提高设备的可靠性和寿命，因此冷却措施十分重要。

随着防暑措施日趋重要，近年来在阳光直射下随周围环境被动降低温度的“辐射冷却材料”作为解决方案之一备受关注。这种材料利用所谓的“辐射冷却现象”，将热量转化为大气透过率高的波段8-13μm（大气窗口）的热辐射，并将其释放到宇宙空间，该材料最早见于2014年斯坦福大学的一个小组报告，随后以美国为中心盛行。辐射冷却现象随着空气中水蒸气量的减少和海拔高度的增加而变强。当满足这两个条件时，大气窗口波段变宽，随之大气的透过率增高，更容易向宇宙空间释放热量。

大阪瓦斯自2017年以来一直致力于辐射冷却材料的开发。当时的先行研究大多是在旱季、沙漠地区（空气中水蒸气估量：2-5g/m³）和海拔约600m的台地等有利于实现辐射冷却现象的条件下进行实证的。此外，许多测试是在阳光强度较弱的秋冬季节进行的，此时来自太阳光的热量较少，因此白天容易冷却至环境温度以下。如上所述，先行研究的测试条件导致白天容易冷却至环境温度以下，据大阪瓦斯调查，截至2017年，尚未有研究证实在日本的夏季和东南亚地区等炎热潮湿环境中的效果。

本论文将对白天低于周围环境温度的放射冷却材料的冷却原理进行说明，同时对设计制作本材料，并成功在日本夏季海平面地带的阳光直射下发挥性能这一结果进行介绍。此外，结合实证试验的结果，阐明辐射冷却材料各种应用的效果。最后，探讨该材料的可能性。

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辐射冷却材料的冷却原理

下文将对辐射冷却材料在阳光直射下变得低于周围环境温度的原理进行说明。在天气预报中听到的辐射冷却现象，是指物体的热量以热辐射（红外线）的形式发散到低至-270℃的宇宙空间，从而物体本身的温度低于周围温度的现象，众所周知，这是夜间汽车前挡玻璃等表面结霜的原因。但是，对于一般材料，当阳光照射时，来自太阳能和变暖大气热辐射的热量大于辐射冷却释放的热量，因此白天很难降温。

大阪瓦斯开发的“辐射冷却材料”通过使材料的辐射冷却向宇宙空间释放的热量，大于吸收来自太阳光和大气热辐射的热量，从而使白天的冷却成为可能。下文将对为了获得此特性材料所需的辐射率光谱进行说明。

图1显示了太阳光光谱（AM1.5G）和部分大气透过率光谱（为避免与太阳光光谱重叠导致绘图变得复杂，仅采用4μm以上的长波长部分），以及辐射冷却材料的理想辐射率光谱。大气透过率较高的8-13μm波段一般被称为“大气窗口”。从地球表面发射的热辐射中，大气窗口波段的热辐射不被大气吸收，而是释放到-270℃的极低温宇宙空间。为了将热量释放到宇宙空间，需要使该大气窗口波段的辐射率接近100%。

此外，为了实现白天降温，需要尽可能地不吸收而是反射太阳光光谱所分布的波段（0.3-4μm）内的光，以抑制吸收来自太阳光的热量。根据基尔霍夫定律，在热平衡状态下，辐射率和吸收率相等，因此需要设计在太阳光光谱分布的波段内辐射率接近0%、反射率接近100%的材料。由于大气在透过率较低的波段发出大量的热辐射，为了抑制吸收来自大气热辐射的热量，需要在大气透过率较低的波段（6～8μm，13μm以上）降低材料的辐射率（=吸收率）。此外，出于保密原因，材料的具体设计和构造无法在此公布。

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图1 辐射冷却材料的理想发射率光谱（实线）、太阳光光谱（AM1.5G，橙色）、部分大气透过率光谱（仅显示大于4μm的波长，浅蓝色）。大气透过率光谱为晴空下海拔4000米处的值。

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辐射冷却材料的性能

本节将介绍大阪瓦斯开发的SPACECOOL®的性能。如图2A所示，测试是在大阪市此花区的一栋两层楼房的屋顶上进行的。测试系统如图2B所示。为了最小化阳光对测试系统的热影响，测试系统由玻璃白板制成。测试样品由玻璃支架支撑，放置在带有开放顶棚的玻璃白板容器中，顶棚表面覆盖聚乙烯薄膜来消除风对流传热的影响。此外，聚乙烯具有透过大气窗口红外线的性能，因此不会干扰辐射冷却现象。通过将具有小热容量的薄膜测温电阻连接到样品的接地侧来获取温度。

2017年9月1日-3日的测试结果如图2C所示。本测试对辐射冷却材料、不锈钢（SUS）板和涂有太阳光反射涂料（用于降低建筑物外墙温度的涂料）的SUS板进行比较。辐射冷却材料由SiO₂和B₂O₃组成的无机材料辐射层和由Ag和Al组成的太阳能反射层相结合，实现了>95%的太阳光反射率和>95%的大气窗口热辐射率。如图2C中橙色所示，这三天的日照强度在正午时分约为1000W/m²，天气均为晴天。此外，白天空气中的水蒸气含量约为13g/m³，夜间约为15g/m³。样品的背面温度如图所示。白天的环境气温（浅蓝色线）在32-35℃左右，而SUS的温度（灰色线）在白天最高升至近80℃。涂有太阳能反射涂料的SUS板（蓝色线）的温度在白天最高升至近45℃。不同于上述结果，辐射冷却材料（红色线）在这三天内总是比外部气温低2-5℃，与太阳光反射涂料相比，正午前后的温度要低10-15℃。如果在低湿度或高海拔地区进行同样的测试，预计将获得比图2C更强的冷却效果。

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图2 辐射冷却材料的评估。A）测量外观。B）测量系统的细节。C）实证结果。

图3是大阪瓦斯开发的高柔性片状辐射冷却材料SPACECOOL®的外观图。图2C所示的测试结果中，使用的是由无机材料制作的辐射冷却材料，不具有柔性，而膜状辐射冷却材料同样具有>95%的太阳光反射率和>95%的大气窗口热辐射率，表现出与无机材料相同的辐射冷却性能。片状辐射冷却材料由树脂材料制成，具有光学多层结构。该材料包括两种类型：图3A所示的带有粘合剂的薄膜型和图3B所示的帆布型（帐篷材质），可以通过粘贴、缝合、热层压等方式赋予任意物体以辐射冷却性能。

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图3 大阪瓦斯开发的片状辐射冷却材料SPACECOOL®的外观。

A）带粘合剂的辐射冷却膜。有哑光银和白色两种类型。B）辐射冷却帆布。

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实证试验

大阪瓦斯株式会社被选定参与由公益社团法人2025年日本世界博览会协会和大阪商工会议所共同实施的「梦洲岛实证实验」（大阪瓦斯，2021），从2022年8月26日起，在梦洲世博会的预定会场启动了评估辐射冷却材料SPACECOOL®节能性和舒适性的实证实验。本节将介绍此次实证试验的结果以及该框架外的相关试验结果。

4·1 可以发挥辐射冷却材料性能的应用

可以发挥辐射冷却材料性能的应用包括：1）不使用高性能绝热材料的应用（或无法使用绝热材料的应用）；2）冷却内部热源的应用。关于1），当使用高性能绝热材料时，由于辐射冷却材料的热传递被切断，热量无法传递到宇宙空间，因此为了不阻碍辐射冷却材料的效果，在结构上需要尽量少使用绝热材料。关于2），隔热和绝热不仅无法冷却热源，反而会造成热保留。

本文将介绍使用卡车集装箱和帐篷的实证试验（1）的结果，以及使用配电盘的实证试验（2）的结果。

4·2 使用卡车集装箱的实证试验

将SPACECOOL®应用于卡车集装箱的效果如图4所示。本试验在大阪市此花区的大阪瓦斯能源技术研究所实施。如图4A所示，准备了两辆2t车用铝制货车，其中一辆贴上SPACECOOL®（哑光银色），另一辆没有改动。铝制货车因呈现铝的银色，因此即使使用SPACECOOL®，外观也没有明显变化。晴天时的热成像如图4B所示。可以看出，使用SPACECOOL®的集装箱外壁温度明显低于未使用的。2020年9月12日至13日的车顶温度如图5C所示。未使用SPACECOOL®的车顶温度最高约为70℃，可引起灼伤；而使用SPACECOOL®的车顶温度最高仅约为30℃，这意味着车顶温度最大下降约40℃。同一期间，集装箱内部中心温度如图4D所示。可以看出，中心温度降低了约10℃。这将提高物流中的温度可靠性，并改善驾驶员的工作环境。此外，当应用于冷冻·冷藏车时，能够实现节能从而降低燃油消耗。

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图4C、4D.png

图4 卡车集装箱的实证试验。A）可见相机图像。B）热成像图。C）2020年9月12日至13日的车顶温度。D）同一期间，集装箱内部中心的温度。

4·3 使用帐篷的实证试验

将SPACECOOL®应用于帐篷的效果如图5所示。本试验与KANBOPRAS株式会社合作，在大阪市此花区的大阪瓦斯能源技术研究所实施。如图5A所示，类似帆布状的SPACECOOL®被缝制并热封到带有横帘的帐篷中。此外，以同样的方式将SPACECOOL®应用于市售普通帆布帐篷（记为普通帐篷）和两种市售隔热帆布帐篷（分别记为A公司隔热帐篷和B公司隔热帐篷），并对其性能进行了比较。A公司隔热帐篷为透光性材质，B公司隔热帐篷为遮光性材质。

2021年8月27日14点拍摄的内部热成像如图5A所示。可以看出SPACECOOL®帐篷的表面温度最低。当正对天空的面积较小时，辐射冷却现象就难以发生，在阳光直射下，用SPACECOOL®制成的帐篷侧壁比外部空气更容易升温。2021年8月31日至9月1日的篷顶温度如图5B所示。由于是在帐篷内部测量篷顶温度的，因此会受到侧壁热量的影响，测得的温度没能低于室外气温，但与普通帐篷相比，SPACECOOL®帐篷的篷顶温度可在白天最大降低约10℃。同一期间帐篷内的体感温度如图5C所示。体感温度为手套温度计的温度。可以看出，与普通帐篷相比，体感温度最大降低约10℃；与A公司隔热帐篷相比，最高可降低8℃；与B公司隔热帐篷相比，最高可降低4℃。此外，还单独验证了在该帐篷上安装空调并将空调设为24℃冷风时的空调负荷。

结果表明，9月7日～9月19日的9点～18点，SPACECOOL®帐篷的耗电量较普通帐篷和A公司隔热帐篷降低30-60%，较B公司的遮光型隔热帐篷降低20-40%。

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图5 使用帐篷进行测试。A）从南侧拍摄的外观。左起依次为普通帐篷、SPACECOOL帐篷、A公司隔热帐篷、B公司隔热帐篷。B）2021年8月31日至9月1日的帐篷顶部温度。C）同一期间。帐篷内部的手套温度（体感温度）。

4·4 使用配电盘的实证试验

将SPACECOOL®应用于配电盘的效果如图6所示。本试验与株式会社竹中工务店、精立工业株式会社合作，在大阪市此花区的大阪瓦斯能源技术研究所实施。对传统配电盘、涂有隔热涂料的配电盘（隔热涂料配电盘）、带遮光板的配电盘和使用SPACECOOL®的配电盘的内部温度进行了比较评估。外观如图6A所示。为了最大程度接受来自午后和早晨阳光的热量，配电盘侧壁较大的两个面朝东西方向放置。在总共10台配电盘中，照片后方（北侧）的5台搭载了200W的加热器来模拟逆变器，而前方（南侧）的5台没有配备加热器。热成像如图6B所示。

从西侧依次为：SPACECOOL®配电盘（2台）、传统配电盘、隔热涂料配电盘、遮光板配电盘。带遮光板的配电盘是为了在配电盘上形成遮光，是应对发热使用最多的配电盘，用于铁路道口等对可靠性有要求的领域。热成像显示SPACECOOL®配电盘的外壳温度最低。

2021年9月21日，没有搭载加热器的配电盘的内部温度如图5C所示。SPACECOOL®配电盘的内部温度最大比传统配电盘低约10℃，比带遮光板的配电盘低约5℃。如第4.3节所述，SPACECOOL®配电盘的内部温度白天略高于室外温度，这是由于是配电盘顶部面积较小，顶部正对天空，容易发挥辐射冷却效果；而侧壁面积较大，侧壁正对天空的面积小，不容易发挥辐射冷却效果。距离搭载加热器的配电盘的加热器15cm处的内部温度（相当于逆变器的环境温度）如图6D所示。

可以看出，当热源在内部时，传统配电盘、隔热涂料配电盘和遮光板配电盘之间的温度并无太大差异，只有SPACECOOL®配电盘的内部温度比各配电盘低约8℃。同时发现，带遮光板的配电盘由于遮光板与配电盘外壳之间产生热保留，因此在该条件下夜间温度最高。

逆变器、蓄电池和功率调节器通常在环境温度较高时劣化速度加快。例如，从阿伦尼乌斯定律可知，用作各种设备部件的电容器温度每上升10℃，劣化速度会加快1倍（10℃ 2倍定律）。如上所述，降低配电盘的内部温度可以提高户外设备的可靠性，延长户外蓄电池的使用寿命。

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图6 配电盘内部温度测量结果。A）从南侧拍摄的外观。从左至右依次为：SPACECOOL®配电盘（1）、SPACECOOL®配电盘（2）、传统配电盘、涂隔热涂料的配电盘和带遮光板的配电盘。B）从南侧拍摄的热成像。C）2021年9月21日不搭载加热器的配电盘内部温度。D）2021年9月21日搭载加热器的配电盘内部温度。

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未来展望

如上所述，SPACECOOL®是一种在阳光直射下低于周围环境温度的被动辐射冷却材料，预计将用于如图7所示的各种应用，以帮助缓和全球变暖、尊重人权并实现IoE社会。2021年4月，大阪瓦斯与风险投资公司WiL共同成立了制造和销售辐射冷却材料的初创公司“SPACECOOL株式会社”，目前正在共同进行社会实装活动。

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图7 辐射冷却材料SPACECOOL®的应用。

5.1 对缓和全球变暖的贡献

例如世博会这样的活动会场和仓库，因易于施工而多采用膜结构建筑。受太阳辐射的影响，膜结构建筑的内部温度容易升高，因此在春夏秋三季对空调的需求量很大。辐射冷却材料的使用有望大幅降低空调负荷。此外，有望为仓库、数据中心、建筑工地办公室、冷藏·冷冻卡车的油耗改善等各领域的制冷用能耗削减做出贡献。

5.2 尊重人权

随着少子高龄化的发展，建筑工地和运输行业的劳动力短缺已成为社会问题。辐射冷却材料可以缓解炎热环境，降低中暑风险。这有助于提供可以安全工作的多样化工作环境。同时，有望用于灾区的临时住房、医务室、更衣室和休息室等。此外，能够更节能地冷却内部（室内）温度，这一特性在灾害时期需要高效利用有限能源时具有重大价值。

还有望有助于解决世界粮食问题。世界上大约三分之一的食物被浪费，特别是在低收入国家，食物在缺乏冷藏和冷冻环境的食物供应链早期或中期因变质而被丢弃，进而导致饥饿。辐射冷却材料在不连接电网的情况下低于周围环境温度，有望降低低收入国家的食物腐败率，并有助于实现可持续发展目标SDGs（二）——“零饥饿”。

5.3 实现IoE社会

为实现IoE社会，IoT设备的数量正在急速增加，据称到2023年将达到约341亿以上，约为2016年的两倍。随着设备数量的增加，降低这些设备的故障概率（提高可靠性）对于系统维护来说至关重要。使用辐射冷却材料可以降低室外设备的温度，如第4.4节所述，可靠性提高可以降低维护成本。

5.4 其他应用

SPACECOOL®还可以有效保护在使用太阳能发电时至关重要的蓄电池。蓄电池通常不耐热，高温状态会导致容量下降。同时还有望应用于电动汽车。汽油的能量密度约为12,000Wh/kg，而锂离子电池的能量密度约为100Wh/kg，是汽油的1/100左右。为了有效利用二次电池的有限能量，有必要尽量减少用于驾驶以外的空调能量。辐射冷却材料可以减少制冷所需的能量，因此被认为可以在炎热地区和夏季延长续航里程。

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结语

大阪瓦斯开发出辐射冷却材料SPACECOOL®，并首次证实在日本炎热潮湿的环境中，其在阳光直射下温度低于周围环境温度。在此基础上，利用“梦洲岛实证实验”的框架对该材料的用户价值进行了评估。通过该实证试验，证实了在卡车集装箱和帐篷等未使用高性能隔热材料的应用以及室外配电盘等内部存在热源的应用中可以获得巨大效果。通过发挥SPACECOOL®的特点，有望用于缓和全球变暖、尊重人权和实现IoE社会的各种应用。

未来将进行提高该材料性能的研发活动和普及活动，为创建可持续发展社会做出贡献。

翻译：李释云

审校：李涵

统稿：李淑珊

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在阳光直射下低于环境气温的被动辐射冷却材料的原理和应用