輻射制冷
關(guān)注創(chuàng)建者：熱管理博覽會(huì) 創(chuàng)建時(shí)間：2023-07-28
輻射制冷的實(shí)例教程
來(lái)源 | 制冷學(xué)報(bào)
作者 | 郭晨玥，潘浩丹，徐琪皓等
摘要：天空輻射制冷技術(shù)是指地球表面物體通過(guò)“大氣窗口”波段(主要在 8～13 μm)向宇宙發(fā)射紅外輻射以實(shí)現(xiàn)自身降溫的過(guò)程。作為一種無(wú)需能量輸入的制冷技術(shù)，天空輻射制冷可為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)及全球變暖提供一種新的思路。從發(fā)展歷程看，傳統(tǒng)的輻射制冷技術(shù)應(yīng)用僅限于夜間。近年來(lái)，隨著納米光子學(xué)及超材料領(lǐng)域的發(fā)展，日間輻射制冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到驗(yàn)證。
本文對(duì)天空輻射制冷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧，涉及基本原理、材料與結(jié)構(gòu)，分析了其潛在應(yīng)用前景，并重點(diǎn)討論了該技術(shù)當(dāng)前研究與應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)。在能源形勢(shì)與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，探索天空輻射制冷技術(shù)在不同場(chǎng)景的應(yīng)用，如建筑節(jié)能、減輕城市熱島效應(yīng)、緩解水資源短缺、提高光伏發(fā)電效率等，有望助力我國(guó)的碳達(dá)峰、碳中和事業(yè)發(fā)展。
關(guān)鍵詞：輻射制冷;光譜選擇性;大氣輻射;紅外輻射
能源危機(jī)與全球變暖是當(dāng)今世界面臨的重大挑戰(zhàn)。目前，制冷能耗約占全球建筑總用電量的 20%，占全球總用電量的 10%。提高現(xiàn)有制冷系統(tǒng)效率和探索新型制冷技術(shù)成為目前亟待開(kāi)展的工作。天空輻射制冷技術(shù)是指地球表面物體通過(guò)“大氣窗口”波段(主要在 8～13 μm)向宇宙發(fā)射紅外輻射以實(shí)現(xiàn)自身降溫的過(guò)程。由于宇宙背景近乎一個(gè)溫度為2.7 K 的理想黑體光譜，而地球表面平均溫度約為290 K，因此地球向宇宙的紅外輻射可用于冷卻地球表面物體。
傳統(tǒng)的輻射制冷材料及其應(yīng)用僅限于夜間，這是由于材料在白天對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收抵消了其紅外輻射的制冷量。近幾年，隨著納米光子學(xué)和超材料領(lǐng)域的發(fā)展，新型光譜選擇性輻射制冷材料得到迅速發(fā)展，這些新型輻射制冷材料在太陽(yáng)輻射波段具有高反射率，同時(shí)在“大氣窗口”波段具有高發(fā)射率，可實(shí)現(xiàn)全天輻射制冷。
展開(kāi) 電力裝備散熱，建筑制冷以及電子器件的熱管理消耗了大量的能源，這進(jìn)一步加劇了溫室氣體的排放，影響了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，世界各國(guó)的研究者們都在尋找新型、低能耗的冷卻技術(shù)。
輻射制冷是一種被動(dòng)制冷方式。其主要是利用地球與外太空（~3 K）之間的大氣透明窗口（波長(zhǎng)8–13 μm），將地球表面的熱量以熱輻射的形式發(fā)射到外太空這一巨大的冷源之中。這也是維持地球熱平衡的一種機(jī)制。夜間的輻射制冷現(xiàn)象已經(jīng)被廣泛的觀察與利用，如清晨露水的產(chǎn)生，以及古人在沙漠氣候環(huán)境制冰。然而，輻射制冷現(xiàn)象在白天很少出現(xiàn)，這是因?yàn)殛?yáng)光熱量的輸入要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)輻射制冷量，結(jié)果是加熱暴露在陽(yáng)光下的物體。近年來(lái)，隨著光子學(xué)的發(fā)展，研究者們通過(guò)構(gòu)建光子晶體結(jié)構(gòu)、聚合物–電介質(zhì)顆粒雜化超材料、層次多孔結(jié)構(gòu)等光子結(jié)構(gòu)，使材料反射了幾乎所有太陽(yáng)光，且在大氣窗口波段有著很強(qiáng)的紅外發(fā)射率，從而使日間輻射制冷技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。日間輻射制冷技術(shù)為我們提供了一個(gè)清潔的、無(wú)能耗的冷源，可用于建筑冷卻、食品保存、冷鏈運(yùn)輸?shù)取?問(wèn)題來(lái)了，可以將日間輻射制冷技術(shù)應(yīng)用于戶外電力裝備、電子設(shè)備的熱管理嗎？與制冷這一應(yīng)用場(chǎng)景不同，戶外電力裝備、電子設(shè)備不僅要面臨陽(yáng)光熱量的輸入，其自身還會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。為了使戶外電子電力設(shè)備維持在較低的工作溫度，不僅要阻斷其外部熱量的輸入，還需要將其內(nèi)部熱量快速傳導(dǎo)、耗散。這就對(duì)現(xiàn)有的輻射制冷材料提出了新的要求，即，高導(dǎo)熱率（低熱阻）。然而，傳統(tǒng)的輻射制冷材料不僅不具備高導(dǎo)熱率，甚至是具有超低導(dǎo)熱率的隔熱保溫材料。
展開(kāi) 天空輻射制冷作為無(wú)額外能耗、無(wú)需制冷劑的利用外太空極冷環(huán)境的制冷技術(shù)，對(duì)于提升建筑可再生能源使用比例，緩解城市熱島效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要的研究意義與應(yīng)用價(jià)值。
天空輻射制冷現(xiàn)象普遍存在于自然界中，是沙漠夜間低溫的重要原因，但直到 20世紀(jì)50 年代人們才開(kāi)始深入研究輻射制冷并對(duì)其應(yīng)用潛力開(kāi)展較為系統(tǒng)的研究。尤其是近 10年來(lái)，隨著納米光學(xué)和超材料技術(shù)的發(fā)展，可以在白天實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度的輻射制冷材料被制備出來(lái)。輻射制冷材料的深入研究也為大規(guī)模應(yīng)用輻射制冷技術(shù)提供了可能。在碳中和大背景的推動(dòng)下，輻射制冷巨大的節(jié)能減碳潛力受到研究者們的關(guān)注，周志華等分析了輻射制冷在建筑冷卻、太陽(yáng)能光伏冷卻、輔助冷源等方面的節(jié)能減排潛力。由于我國(guó)建筑存量巨大，將輻射制冷材料直接應(yīng)用于建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面效果尤為突出，能夠起到良好的降溫效果，降低建筑物的冷負(fù)荷，從而減少空調(diào)系統(tǒng)能耗。
在此基礎(chǔ)上，本研究綜合考慮到我國(guó)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)和環(huán)境特點(diǎn)差異，以既有建筑作為輻射制冷實(shí)際應(yīng)用的載體，擬針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)、不同氣候條件分析在應(yīng)用天空輻射制冷技術(shù)后的運(yùn)行階段所能實(shí)現(xiàn)的減碳效果，以及該效果對(duì)我國(guó)碳中和目標(biāo)的預(yù)期貢獻(xiàn)。
02
成果掠影
本文研究了輻射制冷技術(shù)在我國(guó)建筑應(yīng)用的減碳預(yù)期，即降低建筑運(yùn)行階段碳排放的潛力。以《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)建筑業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國(guó)人口普查年鑒》為依據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)目前的總建筑存量面積，以及各省各建筑類型的存量面積。結(jié)果表明我國(guó)目前建筑存量面積約為 774.9 億m2，可按其用途大致分為城市住宅住宿用房、農(nóng)村住宅、廠房及倉(cāng)庫(kù)、辦公用房、科教文體娛用房、批發(fā)零售餐飲用房、其他建筑、居民服務(wù)業(yè)用房、醫(yī)療用房。
展開(kāi) 02
成果掠影
近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教師程子明及博士生張?chǎng)纹?，針?duì)目前輻射制冷技術(shù)在追求雙波段(太陽(yáng)波段和大氣窗口波段)光學(xué)特性和兼容多種應(yīng)用功能需求之間的權(quán)衡與挑戰(zhàn)，受人體皮膚表皮層和真皮層結(jié)構(gòu)的高效光學(xué)性能和防水透氣性能啟發(fā)，成功設(shè)計(jì)并制備出一種具有超高光學(xué)特性且兼具良好透氣性耐久性和柔韌性的高效仿生輻射制冷織物。通過(guò)引入光子板狀孔效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了比Mie共振更強(qiáng)的后向散射。通過(guò)簡(jiǎn)單且可規(guī)?；慕竟に?，制備出了具有97%太陽(yáng)光反射率和97%大氣窗口發(fā)射率的仿生輻射制冷織物。戶外測(cè)試表明，該制冷織物溫度明顯低于市面上無(wú)紡布、滌綸、亞麻布等白色布料，該織物在日間實(shí)現(xiàn)平均低于環(huán)境溫度5.2°C的溫降；穿戴使用該制冷織物制成的帽子，人體頭頂部溫度可比戴白色棉帽溫度低5.0°C；該制冷織物可廣泛應(yīng)用到戶外帳篷、車(chē)衣等領(lǐng)域。相關(guān)研究結(jié)果以“Scalable bio-skin inspired radiative cooling metafabric for breaking trade-off between optical properties and application requirements”為題發(fā)表于《ACS Photonics》。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1 受人體皮膚啟發(fā)的仿生輻射制冷織物的理論設(shè)計(jì)。
圖2 仿生輻射制冷織物的制備與表征。
圖3 仿生輻射制冷織物的戶外降溫測(cè)試。
圖4 仿生輻射制冷織物的潛在應(yīng)用場(chǎng)景。
展開(kāi) 該文設(shè)計(jì)并制備了一種可以同時(shí)利用兩個(gè)大氣窗口（8–13 μm和16–25 μm）來(lái)降溫的雙選擇型（Dual-selective）熱發(fā)射體作為高性能輻射制冷材料，并證明其在干旱炎熱氣候下具有明顯優(yōu)于現(xiàn)有典型輻射制冷發(fā)射體的亞環(huán)境制冷性能（指降溫到環(huán)境溫度以下的能力），并具有很高的耐候性和色彩兼容性，提升了輻射制冷技術(shù)的降溫潛能，為其大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用提供了可能。此外，當(dāng)在雙選擇型熱發(fā)射體樣品表明覆蓋不同顏色的彩色PE膜后，樣品仍體現(xiàn)出很高的亞環(huán)境制冷性能（如紅色和黃色），且明顯優(yōu)于彩色化后的商業(yè)涂料。表明雙選擇型材料還具有很高的彩色兼容性，有助于促進(jìn)輻射制冷材料的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。本工作從理論上提出并從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一種具有更高制冷性能且可拓展的輻射制冷設(shè)計(jì)，也為將來(lái)設(shè)計(jì)更多高效熱管理材料提供了新的思路。研究成果以“A dual-selective thermal emitter with enhanced subambient radiative cooling performance”為題發(fā)表在《Nature Communications》。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1. 雙選擇輻射制冷模型的建立和理論計(jì)算。
圖2.雙選擇型輻射制冷熱發(fā)射體的分子-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能表征。
圖3. 雙選擇型熱發(fā)射體在沙漠環(huán)境下的制冷性能測(cè)試。
圖4. 雙選擇型熱發(fā)射體制冷功率測(cè)試，以及與常見(jiàn)商品屋頂材料的制冷性能比較。
圖5. 雙選擇型熱發(fā)射體的彩色化和彩色兼容性研究。
★ 平臺(tái)聲明
部分素材源自網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有。分享目的僅為行業(yè)信息傳遞與交流，不代表本公眾號(hào)立場(chǎng)和證實(shí)其真實(shí)性與否。如有不適，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)處理。
展開(kāi) 
輻射制冷的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
輻射制冷的最新內(nèi)容
為此，可在探測(cè)器入瞳處設(shè)置環(huán)形冷屏輻射源，模擬制冷探測(cè)器的實(shí)際輻射特性，確保仿真結(jié)果與實(shí)際物理過(guò)程吻合。
同時(shí)，對(duì)光線追跡的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括追跡光線數(shù)量、追跡精度等，以保證光線追跡結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。
? 光線追跡與數(shù)據(jù)采集
完成上述設(shè)置后，使用OAS軟件的核心光線追跡功能。
建筑外墻的輻射制冷涂料、Low-E玻璃等節(jié)能材料，其節(jié)能效果與表面發(fā)射率密切相關(guān)。通過(guò)測(cè)量不同材料在紅外波段的發(fā)射率，可以科學(xué)評(píng)估其節(jié)能性能，為綠色建材的選型提供數(shù)據(jù)支持。
在新能源領(lǐng)域，發(fā)射率測(cè)量同樣發(fā)揮著重要作用。太陽(yáng)能光伏組件的散熱性能直接影響發(fā)電效率，而組件的表面發(fā)射率是散熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。同樣，用于太陽(yáng)能光熱發(fā)電的選擇性吸收涂層，其光譜發(fā)射率特性更是決定光熱轉(zhuǎn)換效率的核心指標(biāo)。
、輻射制冷、相變制冷等
技術(shù)成果與創(chuàng)新產(chǎn)品展示：實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與成果、企業(yè)新品首發(fā)、專利技術(shù)等
終端應(yīng)用：功率器件及模塊、通信、消費(fèi)電子、工控電腦、人工智能、醫(yī)療設(shè)備、智能安防、激光、電動(dòng)汽車(chē)、分析檢測(cè)、光伏等
03
iTherMEXPO2023回顧
04
展位&贊助
、輻射制冷、相變制冷等
技術(shù)成果與創(chuàng)新產(chǎn)品展示：實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與成果、企業(yè)新品首發(fā)、專利技術(shù)等
終端應(yīng)用：功率器件及模塊、通信、消費(fèi)電子、工控電腦、人工智能、醫(yī)療設(shè)備、智能安防、激光、電動(dòng)汽車(chē)、分析檢測(cè)、光伏等
03
iTherMEXPO2023回顧
04
展位&贊助
這些理論為研究人員探索光熱技術(shù)和輻射制冷技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用提供充足的理論支持。
圖3. 冷熱調(diào)控的能量流動(dòng)軌跡以及對(duì)應(yīng)材料的理想光譜
(3) 光熱轉(zhuǎn)換與輻射制冷應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比：
太陽(yáng)加熱和輻射冷卻技術(shù)在水資源獲取、發(fā)電、智能服裝、溫控建筑物、智能窗戶、防結(jié)冰及冰川保護(hù)和農(nóng)業(yè)種植等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。
表明雙選擇型材料還具有很高的彩色兼容性，有助于促進(jìn)輻射制冷材料的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。本工作從理論上提出并從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一種具有更高制冷性能且可拓展的輻射制冷設(shè)計(jì)，也為將來(lái)設(shè)計(jì)更多高效熱管理材料提供了新的思路。
尤其是近 10年來(lái)，隨著納米光學(xué)和超材料技術(shù)的發(fā)展，可以在白天實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度的輻射制冷材料被制備出來(lái)。輻射制冷材料的深入研究也為大規(guī)模應(yīng)用輻射制冷技術(shù)提供了可能。在碳中和大背景的推動(dòng)下，輻射制冷巨大的節(jié)能減碳潛力受到研究者們的關(guān)注，周志華等分析了輻射制冷在建筑冷卻、太陽(yáng)能光伏冷卻、輔助冷源等方面的節(jié)能減排潛力。
另一方面，可穿戴設(shè)備還應(yīng)具有個(gè)人熱管理能力，通過(guò)被動(dòng)輻射制冷和加熱，實(shí)現(xiàn)在炎熱和寒冷的天氣條件下都能夠?yàn)榇┐髡咛峁┦孢m的溫度環(huán)境。因此，開(kāi)發(fā)集柔性、透氣性、可拉伸的電磁屏蔽和個(gè)人被動(dòng)熱管理能力于一體的可穿戴電子織物具有很大的應(yīng)用前景，但如何實(shí)現(xiàn)拉伸過(guò)程中仍能保持穩(wěn)定的電磁屏蔽性能以及成功集成個(gè)人熱管理能力仍然具有挑戰(zhàn)性。
對(duì)于日間輻射制冷涂層，其關(guān)鍵在于如何在有限厚度下實(shí)現(xiàn)較高的太陽(yáng)光反射和中紅外發(fā)射率，并具有良好的耐候性。
02
成果掠影
近期，中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院陳梅潔副教授、閆紅杰教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種超薄、可擴(kuò)展的耐候日間輻射制冷涂層。
，輻射制冷，相變制冷等
技術(shù)成果與創(chuàng)新產(chǎn)品展示:實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與成果，企業(yè)新品首發(fā)，專利技術(shù)等
終端應(yīng)用:功率器件及模塊，通信，消費(fèi)電子，工控電腦，人工智能，醫(yī)療設(shè)備，智能安防，激光，電動(dòng)汽車(chē)，分析檢測(cè)，光伏等
展位&贊助
說(shuō)明/Descriptions
①開(kāi)會(huì)前一個(gè)月將《
