被动日间辐射冷却:从材料走向现实世界的应用

论文信息：

A. Aili, T. Jiang, J. Chen, Y. Wen, R. Yang, X. Yin, and G. Tan. Passive daytime radiative cooling: Moving beyond materials towards real world applications, Next Energy, 3, 100121 (2024)

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nxener.2024.100121

研究背景

自前工业化时代以来，巨大的技术进步以前所未有的规模带来了经济、社会和环境变革，而代价是对能源和水的需求不断增加。在这些转变之后是大气中温室气体积累引起的全球变暖。无能耗的被动辐射冷却越来越多地被探索为一种环保的替代电冷却的方法，以缓解全球变暖引起的各种影响。过去的几年中，研究人员在开发大量辐射冷却材料以及其应用方面取得了重大进展。目前，已有大量的综述文章详细总结了日间被动辐射冷却的基本原理、材料和具体应用。然而，缺乏一篇综述文章系统地涵盖了白天被动辐射冷却的大多数当前和潜在应用。因此，这篇综述的目的是提供一个全面的被动日间辐射冷却应用清单，并对每个案例进行浓缩总结，附上代表性文章。这篇综述通过对绿色建筑、发电、个人热管理、水和食品生产以及气候工程五个方面最新成果的总结，为研究人员、工程师和政策制定者提供有关被动日间辐射冷却技术在多个领域的实际实施和商业化的见解。

研究内容

图1. 被动日间辐射冷却的现状和潜在应用。总结了绿色建筑、个人热管理、发电、水与食品、气候工程五大类的应用场景

图2. 被动式日间辐射冷却在“绿色”建筑中的应用。(a)增强型制冷屋顶；(b)智能窗；(c)审美冷却器；(d)结构材料；(e)空调产冷。

图3. 具有辐射冷却功能的智能窗户。(a1)发展节能玻璃结构的机制；(a2)夏冬两季完美智能窗方案设计；(b1)理想智能窗在夏季(红线)和冬季(蓝线)节能模式下可见光、近红外和长波波长范围的概念光谱;重要参数:透光率(Tlum)、太阳透光率(Tsol)、太阳调制能力(ΔTsol)、LWIR发射率(εLWIR)；(b2)自适应智能窗口结构示意图；(c) VO2顶层为(c1)金属和(c2)绝缘时的结构和波传播示意图；(d)配备辐射冷却器和/或热致变色智能窗的样房示意图。

图4. 热电发电(TEG)辅助辐射冷却。(a1)具有波长选择发射极(SE)和顶部宽带发射极(BE)的TEG器件示意图，当SE在顶部时，顶部温度始终低于底部，从而诱导发电；(a2)三种不同工况下TEG电压对比；(a3) TEG电压与加热器温度的关系图，设置为冷却+阳光+加热；(b1)具有辐射冷却面的TEG系统示意图;(b2)输出功率密度随热电与辐射冷却器面积比的变化规律;(b3)具有光谱角选择性的优化多层结构的材料组成和厚度；(c1)具有陶瓷冷面的裸TEG (bare -TEG)、背面附着Al箔的TEG (Al-TEG)和背面附着Al箔上生长AAO模板的TEG (AAO-Al-TEG)；(c2)三个TEG系统的实测TEG输出功率与电压的关系;(c3)三个TEG系统的实测光谱发射率和峰值黑体辐射波长；(d1) TEGs的P(VdF-HFP)辐射冷却散热器的太阳反射率和大气窗口发射率；(d2)白天和(d3)夜间TEG的温度测量，附带辐射冷却散热器。

图5. 淡水收集与被动日间辐射冷却。(a1)干旱气候大气集水装置；该装置利用夜间辐射冷却辅助吸收和白天太阳能加热辅助解吸的机制；(a2)本装置吸脱附循环的工作原理；(a3)集水全循环时装置的温度分布图。(b1)将昼夜辐射冷却器与超疏水冷凝器相结合的24小时集水装；(b2)本装置中辐射冷却器的太阳和红外吸收率/发射率；(b3)本装置在实际潮湿条件下的24小时集水性能；(c1)利用昼夜辐射冷却的蒸汽冷凝器；(c2)本装置辐射冷却表面的太阳吸收率和红外发射率；(c3)与其他冷却器相比，本装置的蒸汽冷凝性能。

图6. 被动日间辐射冷却对城市热岛效应的缓解。(a1) 2021年6月23日、2021年7月13日、2021年8月15日、2021年8月15日和2021年9月15日14:00贝鲁特市实施日间辐射冷却(RC)面板后的Tair减少；(a2)通用热气候指数(UTCI)下降，反映RC对街道室外热舒适的影响；(b1)多伦多研究区:登打士广场；(b2-b4)反照率为0.1的参考模式与不同反照率地表的气温差异:(b2)反照率为0.3的地表;(b3)反照率为0.5的地表，(b3)广场南侧的一个池塘；(c1-c4):平均屋顶表面温度降低，其反射率从0.2增加到0.96，而其发射率保持恒定在0.9；(c1-c4)地表温度降低(ΔT): (c1)年，(c2)夏季，(c3)最热日，(c4)最热日日平均。

图7. 陆地太阳能地球工程。(a1)全球地表反照率和(a2)其对行星反照率的绝对百分比贡献(其他贡献来自大气反照率)；(b) 2100年模拟的大气表面温差；(c1)与突发 4×CO2 实验情景相比，全球农业和人口稠密的城市地区地表反照率增加0.1对平均和最高温度影响的模拟;(b2)相同的情景，但北美是唯一的反照率增强区域。

结论与展望

被动日间辐射冷却已成为一种有前途的可持续技术，可满足多个部门日益增长的冷却需求。尽管许多评论文章报道了日间辐射冷却的基本机制和材料发展，但对其当前和潜在应用的评论仅限于建筑节能等特定场景。因此，作者对被动式日间辐射冷却最新和潜在应用进行了充分地总结和探讨，拓宽了这项技术的视野。首先，从材料的角度，作者简要总结了在 8-13µm 大气窗口中创造高太阳反射率和高发射率的方法。然后，作者将应用程序分为五个主要类别，每个类别都有几个子类别，并通过选择性文章讨论每个应用程序。基于实际演示的可用性和商业化的发展，作者定性地评估了这些应用程序的技术准备水平，突出了需要更多关注的未来方向。这篇综述提供了一个一站式的全面总结的被动辐射冷却的应用，以及最近的进展和未来的机会。

热辐射与微纳光子学

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吴小虎

山东高等技术研究院教授

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