天空輻射制冷
關注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-04
天空輻射制冷的實例教程
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(huán)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(xiàn)“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(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(tǒng)的研究。尤其是近 10年來，隨著納米光學和超材料技術的發(fā)展，可以在白天實現(xiàn)低于環(huán)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(guī)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(jié)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(jié)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(tǒng)能耗。
在此基礎上，本研究綜合考慮到我國不同地區(qū)的氣候特點和環(huán)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(qū)、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(xiàn)的減碳效果，以及該效果對我國碳中和目標的預期貢獻。
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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(tǒng)計年鑒》、《中國建筑業(yè)統(tǒng)計年鑒》和《中國人口普查年鑒》為依據(jù)統(tǒng)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(fā)零售餐飲用房、其他建筑、居民服務業(yè)用房、醫(yī)療用房。
展開 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(fā)射紅外輻射以實現(xiàn)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(fā)展歷程看，傳統(tǒng)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(fā)展，日間輻射制冷技術的優(yōu)勢已經得到驗證。
本文對天空輻射制冷技術的發(fā)展現(xiàn)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(zhàn)。在能源形勢與環(huán)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(jié)能、減輕城市熱島效應、緩解水資源短缺、提高光伏發(fā)電效率等，有望助力我國的碳達峰、碳中和事業(yè)發(fā)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(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(fā)射紅外輻射以實現(xiàn)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(tǒng)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(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輻射波段具有高反射率，同時在“大氣窗口”波段具有高發(fā)射率，可實現(xiàn)全天輻射制冷。
展開 02
成果掠影
近期，哈爾濱工業(yè)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(zhàn)，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(fā)，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。通過引入光子板狀孔效應，實現(xiàn)了比Mie共振更強的后向散射。通過簡單且可規(guī)模化的浸染工藝，制備出了具有97%太陽光反射率和97%大氣窗口發(fā)射率的仿生輻射制冷織物。戶外測試表明，該制冷織物溫度明顯低于市面上無紡布、滌綸、亞麻布等白色布料，該織物在日間實現(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用到戶外帳篷、車衣等領域。相關研究結果以“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》。
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圖文導讀
圖1 受人體皮膚啟發(fā)的仿生輻射制冷織物的理論設計。
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試。
圖4 仿生輻射制冷織物的潛在應用場景。
展開 來源 | Journal of Energy Chemistry
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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(tǒng)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(huán)保的新型制冷技術，可以實現(xiàn)節(jié)約能源以及保護環(huán)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(xiàn)日間被動式制冷，這實現(xiàn)了很好的節(jié)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(shù)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(xiàn)較高的太陽光反射和中紅外發(fā)射率，并具有良好的耐候性。
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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(xiàn)出了優(yōu)異的耐候性，在150 μm厚度下，涂層能夠實現(xiàn)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(fā)射率，表現(xiàn)出優(yōu)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 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(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的降溫潛能，為其大規(guī)模實際應用提供了可能。此外，當在雙選擇型熱發(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，有助于促進輻射制冷材料的大規(guī)模實際應用。本工作從理論上提出并從實驗上實現(xiàn)了一種具有更高制冷性能且可拓展的輻射制冷設計，也為將來設計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》。
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圖文導讀
圖1. 雙選擇輻射制冷模型的建立和理論計算。
圖2.雙選擇型輻射制冷熱發(fā)射體的分子-結構設計與性能表征。
圖3. 雙選擇型熱發(fā)射體在沙漠環(huán)境下的制冷性能測試。
圖4. 雙選擇型熱發(fā)射體制冷功率測試，以及與常見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。
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天空輻射制冷的最新內容
來源 | Nature Communications
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背景介紹
在過去的十年里，白天輻射冷卻(RC)取得了巨大的發(fā)展，它在陽光下實現(xiàn)了亞環(huán)境冷卻，而不消耗任何能源和排放溫室氣體。因此，它是傳統(tǒng)的能源密集型冷卻系統(tǒng)的一個有前途和可持續(xù)的替代方案。日間RC材料的亞環(huán)境冷卻能力源于其通過大氣透明窗口向寒冷的外層空間發(fā)射熱量(作為熱發(fā)射器)的能力，同時拒絕太陽輻射
天空輻射制冷作為無需額外能耗、無需制冷劑的制冷技術，對于實現(xiàn)建筑節(jié)能、降低碳排放具有重要意義。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(tǒng)計年鑒為依據(jù)，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。
來源 | Journal of Energy Chemistry
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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(tǒng)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
來源 | Small
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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(xiàn)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(fā)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(tǒng)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(fā)電，導致碳排放增加，進一步使全球氣候惡化
來源 | ACS Photonics
原文 | https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.3c00241
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背景介紹
日間輻射制冷（PDRC）技術是一種環(huán)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(huán)境危機
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。
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(xù)發(fā)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(fā)射到外太空這一巨大的冷源之中
