河南师范大学张凯华&北京科技大学王存海Energy：基于In₃SbTe₂的动态热辐射调制

随着全球变暖、人口和收入的快速增长以及城市化进程的加快，建筑物的制冷需求正在迅速增长。辐射制冷作为一种无需电力或水源的被动制冷技术，它利用地球大气层外太空（~3 K）的严寒作为散热器，实现热量释放，该过程通过反射太阳辐射来减少吸热，同时向太空和外部环境发射热辐射，实现降温效果。然而现有多数研究所设计的辐射制冷装置结构相对单一，无法实现灵活快速的热辐射调控。鉴于此，本论文提出一种高性能动态热调节器（DTR），DTR包含了由 In₃SbTe₂（IST）、TiO2、BaF2和Ag组成的动态热发射器（DTE）以及多层RbF和ZnSe组成的红外透明热反射器（ITTR），其在太阳光谱波段具有较高的反射率，且能够通过施加电压在大气透明窗口波段实现0.16到0.8的发射率调控。此外，本文系统分析了DTR在不同波长下的场强分布，以及IST厚度变化与入射角度变化对其辐射特性的影响。在性能评估方面，计算了DTR在不同温度下的净制冷功率，以及在实测温度下模拟了DTR的表面温度，定量评估了其热调节能力。最后，模拟了DTR在20个典型城市的年度节能量，评估了其年度节能潜力。该工作不仅为建筑节能问题提供了创新的解决方案，而且拓宽了可切换辐射制冷系统的应用前景。相关工作以A high-performance dynamic thermal regulator based on the phase-switchable In3SbTe2为题发表在Energy期刊()。

该研究展示了一种基于In₃SbTe₂（IST）的高性能动态热调节器（DTR），并介绍了其热调节机理（图1）。该调节器包含了由 In₃SbTe₂（IST）、TiO2、BaF2和Ag组成的动态热发射器（DTE）以及16层RbF/ZnSe组成的红外透明热反射器（ITTR），其在太阳光谱波段具有较高的反射率。而通过IST的相变，DTR在晶态时表现出辐射冷却特性，红外发射率提高至0.8；在非晶态时则表现出保温特性，红外发射率降低至0.16（图2）。电磁场分布结果表明，非晶态下DTR内部电场增强，显著提升发射性能；晶态则呈现金属特性，抑制辐射发散（图3）。进一步分析表明，DTR在0°至70°入射角范围内可维持稳定的光学响应（图4），且IST层厚度变化对辐射特性影响极小（图5），展现出良好的结构稳定性。性能对比显示，本文所提结构的发射率调控深度可达0.64，优于大多数已有可调热辐射系统（图6）。热性能分析表明，DTR在310 K条件下可实现90.31 W·m⁻²的净冷却功率，在280 K环境中其净热损失低至19.93 W·m⁻²（图7）。基于实测温度模拟，DTR在炎热时可实现最大8.11 K的降温效果，寒冷时则实现2.74 K的保温性能（图8）。在对全球20个代表性城市的建筑能耗模拟中，DTR最高年度节能量达86.68 kWh·m⁻²·year⁻¹（图9），表明其在建筑节能与热管理方面具有显著的应用潜力。

图1.DTR的概念设计图。（a）DTR在建筑热管理中的示意图；（b, c）在高温环境下，a-DTR 的室内外热辐射交换（b），以及在低温环境下，c-DTR的室内外热辐射交换（c）；（d）结构在高温（红线）和低温（绿线）条件下的理想光谱发射率分布。

图2.DTR各组成部分的结构设计与光谱特性。（a）顶部ITTR的结构示意图；（b）ITTR在太阳光谱范围内的反射率与吸收率；（c）ITTR在红外波段的透射率；（d）底部DTE的结构示意图；（e, f）DTE在太阳光谱范围内（e）的吸收率和红外波段（f）的发射率；（g）组合后的DTR结构示意图；（h, i）DTR在太阳光谱范围内（h）的吸收率和红外波段（i）的发射率。

图3.不同结构的电场与磁场分布：（a）波长λ = 10.2 μm 时，ITTR 的电场分布；（b）波长λ = 10.2 μm 时，ITTR 的磁场分布；（c）波长λ = 11.1 μm 时，a-DTE 的电场强度分布；（d）波长λ = 11.1 μm 时，c-DTE 的电场强度分布。

图4.不同入射角θ下，（a）a-DTR 和（b）c-DTR 的红外发射率（ε）。

图5.DTR在不同厚度d下的红外发射率（ε）:（a）a-IST 层，（b）c-IST 层。

图6.DTR 与已有研究在发射率调控性能（Δε）方面的对比。

图7.DTR在环境温度为 310 K（a）和 280 K（b）下的制冷功率。

图8.DTR在24小时测试周期内的性能模拟。（a）气象观测站实拍图；（b）上图：2024年4月4日（A日）北京，a-DTR/c-DTR与环境温度Tamb之间的温差（ΔTa-IST和ΔTc-IST）；下图：2024年11月22日（B日）北京，c-DTR与环境温度Tamb之间的温差（ΔTc-IST）；（c, d）DTR在A日（c）和B日（d）的温度分布情况。

图9.使用DTR的建筑物年度节能情况。(a) 配备DTR的建筑物在20个代表性城市（涵盖不同气候区）的年度节能情况。(b) 配备DTR的建筑物在全球范围内的年度节能分布。

小结：本文提出了一种高性能动态热调节器（DTR）。其顶部结构采用RbF和ZnSe交替堆叠构成的红外透明热反射器（ITTR），在太阳光谱波段表现出高反射率；与底部动态热发射器（DTE）协同作用，能够在IST材料相变过程中将大气透明窗口内的平均热发射率从0.16主动调控至0.8。性能评估表明，在环境温度为310 K时，DTR可实现90.31W·m⁻²的净制冷功率；而在280 K条件下，其净热损失降至19.93 W·m⁻²。在实际测量的温度下，DTR在炎热条件下的表面温度较环境低8.11 K，寒冷条件下仅低2.58 K。模拟节能性能表明，DTR在全球20个典型城市中均具有显著节能潜力，最高可实现86.68 kWh·m⁻²·year⁻¹的年度节能量。即便在不利于辐射冷却的湿热地区，仍有约20 kWh·m⁻²·year⁻¹的显著节能潜力。该研究不仅为建筑节能问题提供了创新性的解决方案，而且拓宽了可切换辐射制冷系统的应用前景

论文信息：K Zhang, L Xie, Z Chen, H Chen, C Wang. A high-performance dynamic thermal regulator based on the phase-switchable In3SbTe. Energy, 2025, 325: 136227.

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