文章推送丨天空辐射制冷技术发展现状与展望

题目

天空辐射制冷技术发展现状与展望

作者

郭晨玥 潘浩丹 徐琪皓 王佳云 盛茗峰 赵东亮

单位

东南大学能源与环境学院

能源危机与全球变暖是当今世界面临的重大挑战。目前，制冷能耗约占全球建筑总用电量的20%，占全球总用电量的10%。提高现有制冷系统效率和探索新型制冷技术成为目前亟待开展的工作。天空辐射制冷技术是指地球表面物体通过“大气窗口”波段(主要在8~13 μm)向宇宙发射红外辐射以实现自身降温的过程。由于宇宙背景近乎一个温度为2.7 K的理想黑体光谱，而地球表面平均温度约为290 K，因此地球向宇宙的红外辐射可用于冷却地球表面物体。

本文在已有文献基础上，对天空辐射制冷技术现状进行了较为全面的回顾，涉及基本原理、材料与结构，分析了其潜在应用前景，同时总结了辐射制冷应用的创新性扩展以及当前研究热点，如动态辐射制冷材料、颜色多样性辐射制冷材料以及与其他技术的综合应用等，并重点讨论了目前应用中面临的挑战，可为后续天空辐射制冷技术的规模化应用提供参考。

地表和大气层吸收太阳辐射，同时也会以红外辐射的形式向外太空辐射能量，这两者之间的平衡决定了地表的平均温度(如图1(a))；“大气窗口”的产生是由于大气层由多种气体组成，包含红外光谱吸收性气体，如水蒸气、CO2和臭氧等，基于不同气体的综合作用，大气辐射主要集中在中红外波段，但如图1(b)所示，大气辐射在 8~13 μm 波段内是高度透明的，表现出明显的光谱选择性；辐射制冷过程中辐射体表面能量平衡如图1(c)所示，其中Prad表示辐射体表面的热辐射，Psolar表示吸收的太阳辐射，Patm表示吸收的大气辐射，Pnon-radiative表示非辐射损耗。

近年来，得益于微纳技术研究的进展，使新型辐射制冷材料如光学薄膜材料、超材料及超表面、光子晶体等既具有高太阳光谱反射率，又在“大气窗口”波段具有高发射率的材料，得以实现白天辐射制冷。以光子材料和超材料为代表的纳米光学材料为白天辐射制冷的光学性质设计提供了新思路。由于具有周期性的多层膜结构光子晶体可强化“大气窗口”波段的发射能力，A. P. Raman等研究了由7层SiO2和HfO2组成的光子晶体用于实现白天低于环境温度的日间辐射制冷，如图2(a)所示，该材料可反射97%的入射阳光，并在“大气窗口”波段具有高发射率。Zhai Yao等提出了一种如图2(b)所示的可卷对卷制造的低成本聚合物-颗粒物超材料。为解决预制辐射制冷材料不能直接应用于各种纹理和形状表面的缺点，J. Mandal等采用相转化工艺制备分层多孔P(VdF-HFP)HP辐射制冷涂层，其孔隙结构利用了空气与聚合物之间的折射率不匹配这一特点强化了对可见光和近红外光的散射，可实现约0.96的太阳光谱反射率和0.97的红外发射率。Li Tian等通过去木质素和再压制制造了一种机械强度为天然木材8倍以上的辐射制冷木材，基于纤维素纳米纤维的低光学损耗和无序光子结构，可实现全天辐射制冷。 

由于静态辐射制冷材料不具备自行调节红外辐射的能力，在夜间或非制冷季节易造成过度冷却，因此能够主动或被动响应外界变化而动态调节自身光学性能的智能材料受到广泛关注。Tang Kechao等将WxV1-xO2嵌入到银膜上层的BaF2介质层中，如图3(a)所示，通过吸收共振的设计可将材料室温热发射率从半导体态的0.20切换至金属态的0.90。M. S. Ergoktas等采用如图3(b)所示的锂离子插层石墨烯来实现光学可调性和非易失性。

辐射制冷技术可以天空作为冷源对建筑进行降温，将辐射制冷材料直接应用于建筑围护结构表面，尤其是高天空视域因子的围护结构如屋顶，将带来可观的节能效果。目前，对于透明辐射制冷材料的研究拓展了该技术在建筑窗户上的应用，与现有节能玻璃相比，不仅能减少通过窗户的得热，还可以对建筑进行冷却。图4(b)所示为Yi Zhitong等将由PET和SiO2微球组成的混合透明超材料薄膜应用于屋顶天窗，在中国宁波8月份测得有无透明超材料薄膜的两个玻璃模型箱内部空气的最大温差为21.6℃ 。

除直接应用于建筑围护结构表面，采用空气或水作为传热介质的辐射制冷系统同样有着灵活的应用形式。相比于自然通风，采用与辐射制冷技术相结合的空气冷却系统可实现更显著的降温效果，同时可避免直接在围护结构表面应用辐射制冷材料造成的冬季“过冷”现象。而以水作为传热介质不仅比空气具有更高的热容量，且易于与水箱等储冷设备相结合。此外，将基于水的冷却系统与其他空调系统相结合拓展了辐射制冷技术在建筑中的应用范围，例如可将辐射制冷得到的冷水用于预冷进入冷水机组的工质。

目前发展较成熟的太阳能集热技术在原理上与辐射制冷技术有一定关联性，将两者结合以实现制冷与供热模式切换具有很大的建筑节能潜力。如图 6(a)所示，Xia Zhilin 等设计了一种自适应温控装置来调整辐射制冷器件的冷却能力，通过温度形状记忆弹簧来驱动板材张角的变化以实现工作模式的切换。太阳能加热-辐射制冷装置也可用于循环水的加热和冷却，如图6(b)所示，该装置使太阳能加热-辐射制冷面板与外管一起围绕内管旋转，并将热量或冷量传递给通过内管的水流。上述采用机械方式实现冷热模式切换的系统具有构造简单、维护方便等特点，但自适应程度更高、调控更智能的双模式系统仍有待进一步研究。

现有的露水收集装置很难在白天太阳直射的条件下工作，而近几年超材料的发展拓展了辐射制冷技术在淡水收集方面的应用。Zhou Ming等将背衬银的PDMS薄膜置于聚苯乙烯盒中冷却湿空气，其收集的淡水量几乎是夜间辐射制冷箔的两倍。I. Haechler 等通过对超材料辐射冷却器的背面做疏水处理并结合辐射汇聚器，设计出如图7(b)所示的高效且可全天工作的露水收集装置。

将辐射制冷技术理念中对人体红外波段的辐射或太阳辐射的调控与个人热管理技术相融合，衍生出了多样的可穿戴织物。Zeng Shaoning等采用PTFE粒子、TiO2粒子以及PLA纤维编织了辐射制冷织物，如图8(a)所示，与普通棉织物对比实验中，该织物表面温降可达4.8 ℃。Zhang Xu′a等通过在三醋酸纤维素双形态纤维上涂抹一层碳纳米管薄层，如图8(b)所示，当皮肤的相对湿度发生变化时，织物红外辐射调节能力改变超过35%。虽然辐射制冷技术在个人热管理方面的应用较为灵活，但织物是否具有足够的机械强度满足日常活动、织物辐射性能是否会衰减、织物材料是否可水洗等仍是需要解决的问题。

将辐射制冷作为凝汽器的附加冷源是提高电厂发电效率的潜在途径之一，Zhang Kai等提出以大面积辐射制冷模块和大容量蓄冷罐作为附加冷源的空冷式电厂乏汽冷凝系统。此外，辐射制冷技术可应用于热电器件的冷端来提高发电温差。如图9(b)所示，当柔性可穿戴热电设备和辐射制冷技术结合时，不仅可减少热电设备的体积，还可以提高设备的发电功率。

挑战与展望

结论

（扫码获取全文）