天空輻射制冷的案例
天空輻射制冷規模化應用對我國建筑的減碳作用研究
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 天空輻射制冷技術發展現狀與展望
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 受人體皮膚啟發的輻射制冷織物
02
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。通過引入光子板狀孔效應，實現了比Mie共振更強的后向散射。通過簡單且可規?；慕竟に?，制備出了具有97%太陽光反射率和97%大氣窗口發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，該織物在日間實現平均低于環境溫度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”為題發表于《ACS Photonics》。
03
圖文導讀
圖1 受人體皮膚啟發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 具有耐候性的超薄輻射制冷技術
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 
一種高輻射制冷性能的雙選擇型熱發射體
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。此外，當在雙選擇型熱發射體樣品表明覆蓋不同顏色的彩色PE膜后，樣品仍體現出很高的亞環境制冷性能（如紅色和黃色），且明顯優于彩色化后的商業涂料。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模實際應用。本工作從理論上提出并從實驗上實現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”為題發表在《Nature Communications》。
03
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射體的分子-結構設計與性能表征。
圖3. 雙選擇型熱發射體在沙漠環境下的制冷性能測試。
圖4. 雙選擇型熱發射體制冷功率測試，以及與常見商品屋頂材料的制冷性能比較。
圖5. 雙選擇型熱發射體的彩色化和彩色兼容性研究。
★ 平臺聲明
部分素材源自網絡，版權歸原作者所有。分享目的僅為行業信息傳遞與交流，不代表本公眾號立場和證實其真實性與否。如有不適，請聯系我們及時處理。
展開 一種用于節能建筑和人體熱管理的輻射制冷的纖維素材料
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。
輻射冷卻能夠以熱輻射的形式將地球的熱量傳遞到外太空，無需任何能量輸入的條件下，在日間通過最小化太陽能吸收實現了低于環境溫度的降溫效果，這種零能高效的降溫方式為節能建筑、人體熱管理和太陽能電池熱管理等領域的發展提供新的策略和機遇。在這種背景下由于輻射冷卻材料可以自發地將熱輻射散發到寒冷的外層空間的優越能力而成為目前研究的焦點。
最近開發了一系列先進的功能材料和復雜的策略，通過在亞波長尺度上操縱光-物質相互作用來促進被動、高效和可持續的輻射冷卻性能或先進的熱管理。但是需要注意的是，這些輻射冷卻材料和結構都是光學靜態的，無論環境變化如何，它們通常都是作為一種冷卻方式發揮作用。人們非常希望開發出能夠根據需要在冷卻和加熱模式之間動態切換的先進輻射冷卻材料。
纖維素存在于許多常見的植物如棉花、木材和竹子中，也可以由細菌進行分泌合成。細菌纖維素（Bacterial Cellulose, BC）是一種由細菌分泌合成的纖維素材料。同時，BC還具有可大規模制備和純度高的特點，被廣泛應用于智能電子、熱管理和生物醫藥等領域。然而，細菌纖維素材料應用于輻射冷卻領域存在大氣窗口中紅外發射率較低，限制了其在輻射冷卻領域的應用。
02
成果掠影
近日，天津大學封偉教授、王玲教授團隊通過原位生長技術成功開發了具有太陽光透過率可調特性的細菌纖維素基輻射冷卻材料。該團隊報道了生物合成細菌纖維素(BC)基輻射冷卻(Bio-RC)材料的設計和規模化制造，該材料具有可切換的太陽透射率。該材料是通過在原位培養過程中將二氧化硅微球與連續分泌的纖維素納米纖維纏結而開發的。
展開 上海交大黃興溢教授、鮑華教授合作《AFM》：高導熱輻射熱制冷絕緣材料
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 