輻射制冷技術
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
輻射制冷技術的實例教程
來源 | 制冷學報
作者 | 郭晨玥，潘浩丹，徐琪皓等
摘要：天空輻射制冷技術是指地球表面物體通過“大氣窗口”波段(主要在 8～13 μm)向宇宙發射紅外輻射以實現自身降溫的過程。作為一種無需能量輸入的制冷技術，天空輻射制冷可為應對能源危機及全球變暖提供一種新的思路。從發展歷程看，傳統的輻射制冷技術應用僅限于夜間。近年來，隨著納米光子學及超材料領域的發展，日間輻射制冷技術的優勢已經得到驗證。
本文對天空輻射制冷技術的發展現狀進行了回顧，涉及基本原理、材料與結構，分析了其潛在應用前景，并重點討論了該技術當前研究與應用中面臨的挑戰。在能源形勢與環境問題日益嚴峻的今天，探索天空輻射制冷技術在不同場景的應用，如建筑節能、減輕城市熱島效應、緩解水資源短缺、提高光伏發電效率等，有望助力我國的碳達峰、碳中和事業發展。
關鍵詞：輻射制冷;光譜選擇性;大氣輻射;紅外輻射
能源危機與全球變暖是當今世界面臨的重大挑戰。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%。提高現有制冷系統效率和探索新型制冷技術成為目前亟待開展的工作。天空輻射制冷技術是指地球表面物體通過“大氣窗口”波段(主要在 8～13 μm)向宇宙發射紅外輻射以實現自身降溫的過程。由于宇宙背景近乎一個溫度為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。
傳統的輻射制冷材料及其應用僅限于夜間，這是由于材料在白天對太陽輻射的吸收抵消了其紅外輻射的制冷量。近幾年，隨著納米光子學和超材料領域的發展，新型光譜選擇性輻射制冷材料得到迅速發展，這些新型輻射制冷材料在太陽輻射波段具有高反射率，同時在“大氣窗口”波段具有高發射率，可實現全天輻射制冷。
展開 天空輻射制冷作為無額外能耗、無需制冷劑的利用外太空極冷環境的制冷技術，對于提升建筑可再生能源使用比例，緩解城市熱島效應以實現“雙碳”目標具有重要的研究意義與應用價值。
天空輻射制冷現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50 年代人們才開始深入研究輻射制冷并對其應用潛力開展較為系統的研究。尤其是近 10年來，隨著納米光學和超材料技術的發展，可以在白天實現低于環境溫度的輻射制冷材料被制備出來。輻射制冷材料的深入研究也為大規模應用輻射制冷技術提供了可能。在碳中和大背景的推動下，輻射制冷巨大的節能減碳潛力受到研究者們的關注，周志華等分析了輻射制冷在建筑冷卻、太陽能光伏冷卻、輔助冷源等方面的節能減排潛力。由于我國建筑存量巨大，將輻射制冷材料直接應用于建筑物圍護結構外表面效果尤為突出，能夠起到良好的降溫效果，降低建筑物的冷負荷，從而減少空調系統能耗。
在此基礎上，本研究綜合考慮到我國不同地區的氣候特點和環境特點差異，以既有建筑作為輻射制冷實際應用的載體，擬針對我國不同地區、不同氣候條件分析在應用天空輻射制冷技術后的運行階段所能實現的減碳效果，以及該效果對我國碳中和目標的預期貢獻。
02
成果掠影
本文研究了輻射制冷技術在我國建筑應用的減碳預期，即降低建筑運行階段碳排放的潛力。以《中國統計年鑒》、《中國建筑業統計年鑒》和《中國人口普查年鑒》為依據統計我國目前的總建筑存量面積，以及各省各建筑類型的存量面積。結果表明我國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、農村住宅、廠房及倉庫、辦公用房、科教文體娛用房、批發零售餐飲用房、其他建筑、居民服務業用房、醫療用房。
展開 來源 | Journal of Energy Chemistry
01
背景介紹
隨著溫室效應的加劇，全球平均溫度逐年上升，使得人們對制冷的需求不斷增加。傳統的基于壓縮式的制冷方式（如：空調）往往是將熱量從室內轉移到室外，并且需要消耗大量的能源，加劇了全球氣候變暖。因此，在當今“雙碳”政策的背景下，如何有效降低生產生活中制冷所需的能耗已成為當下的熱門研究方向，而輻射制冷技術作為一種零能耗、綠色環保的新型制冷技術，可以實現節約能源以及保護環境的作用。然而在一些輻射制冷技術應用的場景中，如：將輻射制冷涂料涂在建筑物、通信基站等外表面實現日間被動式制冷，這實現了很好的節能效果，但較厚的涂層，不僅會增加材料成本，而且會增加傳熱熱阻，對散熱產生影響；此外，由于涂層長期暴露在室外，需要考慮其使用壽命，對戶外不同氣象參數下（如：下雨、灰塵等）具有較好的耐候性，從而保證其性能。對于日間輻射制冷涂層，其關鍵在于如何在有限厚度下實現較高的太陽光反射和中紅外發射率，并具有良好的耐候性。
02
成果掠影
近期，中南大學能源科學與工程學院陳梅潔副教授、閆紅杰教授團隊設計了一種超薄、可擴展的耐候日間輻射制冷涂層。在該研究中，所設計的輻射制冷涂層在紫外線照射模擬、泥土污染模擬以及灰塵污染模擬實驗中表現出了優異的耐候性，在150 μm厚度下，涂層能夠實現0.963的太陽光波段平均反射率和0.927的中紅外波段平均發射率，表現出優異的制冷性能；最后通過拓展到3D結構上，耦合對流換熱過程，極大提升了涂層散熱性能，表明所設計的輻射制冷涂層在實際制冷與散熱應用中的可行性。
展開 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，這進一步加劇了溫室氣體的排放，影響了人類社會的可持續發展。因此，世界各國的研究者們都在尋找新型、低能耗的冷卻技術。
輻射制冷是一種被動制冷方式。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8–13 μm），將地球表面的熱量以熱輻射的形式發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制。夜間的輻射制冷現象已經被廣泛的觀察與利用，如清晨露水的產生，以及古人在沙漠氣候環境制冰。然而，輻射制冷現象在白天很少出現，這是因為陽光熱量的輸入要遠遠超過輻射制冷量，結果是加熱暴露在陽光下的物體。近年來，隨著光子學的發展，研究者們通過構建光子晶體結構、聚合物–電介質顆粒雜化超材料、層次多孔結構等光子結構，使材料反射了幾乎所有太陽光，且在大氣窗口波段有著很強的紅外發射率，從而使日間輻射制冷技術得以實現。日間輻射制冷技術為我們提供了一個清潔的、無能耗的冷源，可用于建筑冷卻、食品保存、冷鏈運輸等。
問題來了，可以將日間輻射制冷技術應用于戶外電力裝備、電子設備的熱管理嗎？與制冷這一應用場景不同，戶外電力裝備、電子設備不僅要面臨陽光熱量的輸入，其自身還會產生大量的熱量。為了使戶外電子電力設備維持在較低的工作溫度，不僅要阻斷其外部熱量的輸入，還需要將其內部熱量快速傳導、耗散。這就對現有的輻射制冷材料提出了新的要求，即，高導熱率（低熱阻）。然而，傳統的輻射制冷材料不僅不具備高導熱率，甚至是具有超低導熱率的隔熱保溫材料。
展開 來源 | ACS Photonics
原文 | https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.3c00241
01
背景介紹
日間輻射制冷（PDRC）技術是一種環境友好型的零能耗被動式制冷技術，能夠有效減少當前人類用于制冷的能源消耗，從而緩解能源與環境危機，具有廣闊的應用前景。PDRC的主要技術指標是實現超高的太陽光譜反射率和超高的大氣窗口發射率，同時在某些特殊的應用場景中（如服裝、帳篷等），需要考慮透氣性、防水性、柔韌性、強度和耐久性等性能。而目前的輻射制冷織物雖然能夠滿足實際應用中的防水透氣需求，但光學特性相對較差。因此，打破超高雙波段光學特性與多種應用需求之間的兼容壁壘是PDRC面臨的一大挑戰。
人體皮膚(表皮和真皮層)是一個近乎完美的紅外發射器件，得益于以下三種生物組織結構：表皮層的褶皺微結構，真皮層含有的三維交錯排列的膠原纖維及表皮層和真皮層中都存在的微米孔。人體皮膚的大氣窗口紅外發射率可達97%，是醫學熱成像中紅外發射率的最高記錄。除了散熱功能外，人體皮膚的表皮層還能保護人體免受紫外線的傷害。此外，人類皮膚在透氣性、防水性和柔韌性方面具有優異的表現。
展開 
輻射制冷技術的最新內容
“
Altair 強大的解決方案幫助我們團隊以無與倫比的速度與精度，探索復雜的設計權衡問題。我們能夠快速仿真復雜幾何結構的多物理場模型，并自信地評估間隔層厚度對性能與耐久性的影響。該解決方案不僅優化了我們的建模方法，更為研發更可靠、更高效的 AMR 系統指明了清晰方向。
—— Magnoric 首席運營官
Rémi Dubois
”
另一方面，考慮低至3K的外太空背景溫度，人們也可以通過輻射制冷技術獲得外太空的冷量，而無需額外的能量輸入，從而實現被動冷卻。
被動式太陽能加熱和輻射制冷技術已經在水相變調控（蒸發和冷凝）、智能服裝（加熱和制冷）、智能窗戶（室內取暖和制冷）、冰去除和冰川保護等領域得到廣泛研究。然而，過去的研究往往將這兩種技術的探索視為相對獨立的，缺乏對它們聯合研究的系統性探索。
該文設計并制備了一種可以同時利用兩個大氣窗口（8–13 μm和16–25 μm）來降溫的雙選擇型（Dual-selective）熱發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于現有典型輻射制冷發射體的亞環境制冷性能（指降溫到環境溫度以下的能力），并具有很高的耐候性和色彩兼容性，提升了輻射制冷技術的降溫潛能，為其大規模實際應用提供了可能。
為此，本文研究了天空輻射制冷技術應用于我國既有建筑后的減碳作用預期，即降低建筑運行階段碳排放的潛力。以統計年鑒為依據，獲得目前我國建筑總存量面積及各省不同建筑類型存量面積。
因此，在當今“雙碳”政策的背景下，如何有效降低生產生活中制冷所需的能耗已成為當下的熱門研究方向，而輻射制冷技術作為一種零能耗、綠色環保的新型制冷技術，可以實現節約能源以及保護環境的作用。
來源 | Small
01
背景介紹
隨著全球氣候變化和能源危機的加劇，到2050年實現碳中和無疑是世界最迫切的任務。建筑可以在全球低碳轉型中發揮關鍵作用，因為2018年建筑能耗占總能耗的30-40%，其中約50%的建筑能耗用于采暖、通風和空調。傳統的蒸汽壓縮冷卻策略，比如空調的制冷消耗了大量的化石燃料發電，導致碳排放增加，進一步使全球氣候惡化
隨著社會的發展，生活水平的提高，人們對空調、冷藏和冷凍等制冷設備的振動噪聲提出了更高的要求，制冷壓縮機作為制冷系統的主要振動噪聲源，其振動噪聲控制技術愈發重要。制冷壓縮機經過升級換代后，產品能效得到了顯著提升，但還需要在振動噪聲方面付出更多的努力才能取得突破性的進展。制冷壓縮機噪聲主要包括機械性振動噪聲、流致性振動噪聲和電磁性振動噪聲
在很多領域如航天、生物醫藥、冷鏈運輸等都需要更低的溫度來保證生產制造的正常運行。因此，復疊式制冷系統和雙級壓縮制冷系統獲得了很多的關注。
（示意圖，不對應文中任何具體產品）
來源 | Science，北航新聞網
01
背景介紹
熱電技術已廣泛應用于廢熱回收和固態制冷等關鍵領域。其中，熱電制冷是利用帕爾帖效應直接將電能轉換為熱能的綠色制冷技術，僅通過調節工作電壓和電流就可以實現對制冷量和溫度的連續高精度控制。熱電制冷技術由于其控溫精準、尺寸靈活、結構多樣和局部冷卻等眾多優勢
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成果掠影
近期，哈爾濱工業大學教師程子明及博士生張鑫平，針對目前輻射制冷技術在追求雙波段(太陽波段和大氣窗口波段)光學特性和兼容多種應用功能需求之間的權衡與挑戰，受人體皮膚表皮層和真皮層結構的高效光學性能和防水透氣性能啟發，成功設計并制備出一種具有超高光學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。
