哈尔滨工业大学高继慧 Renewable Energy：用于建筑垂直表面热管理的温度自适应定向发射结构

辐射冷却器的高太阳反射率会增加冬季供暖需求，而其固定角度的辐射方式忽略了与地面及周边环境的复杂辐射交换。为此，本文开发了一种温度自适应的角度不对称（temperature-adaptive angularly asymmetric, TAAS）结构，该结构具有角度不对称辐射和双波段光谱调控功能，可实现全年无休的热管理。该结构采用鳍状几何设计以实现角度不对称辐射，通过集成形状记忆合金（shape memory alloys, SMAs）和热致变色微胶囊（thermochromic microcapsules, TCMs），实现了中红外辐射与太阳光谱的独立协调调控。在炎热天气下，该结构可实现0.36的朝上等效发射率、0.07的朝下等效发射率及0.91的高太阳反射率；而在寒冷天气下，则可实现0.13的较低等效发射率及0.43的高太阳吸收率。与被动日间辐射冷却（passive daytime radiative cooling, PDRC）薄膜相比， TAAS 结构能在炎热天气中实现约2℃的温降，在寒冷天气中实现约5℃的温升。本设计可使全年能耗显著降低1.4%-6.3%，在各种天气条件下均优于传统建筑围护结构。该结构将静态辐射冷却概念升级为自适应热管理，为建筑垂直表面的全年无休热管理提供了实用解决方案。相关工作以Temperature-adaptive structure with angularly asymmetric emission for thermal management on building vertical surfaces为题发表在Renewable Energy期刊。

本文设计了一种温度自适应的角度不对称（TAAS）结构（图1），旨在解决静态辐射冷却在复杂辐射环境中的冬季热负荷问题及其效率低下问题。本文分析了建筑垂直表面的辐射热流，确定了理想的垂直表面辐射光谱（图2）；制造了TAAS结构（图3）并测试其角发射率（图4）；表征了TAAS结构热态下的不同的角度不对称特性（图5）并对结构参数进行了优化（图6）；展示了其热态与冷态之间的切换（图7）；评估了TAAS结构的被动日间辐射冷却和太阳加热性能（图8）；展示了其室外热测量过程及节能潜力（图9）。

图1. TAAS结构设计示意图及角度红外发射率。

图2.建筑垂直面在热、冷天气下的温度适应性设计示意图。(a)地面、垂直表面、太阳与外太空之间的理想辐射热流方向示意图；(b)具有角不对称热辐射的建筑垂直表面的理想光谱；(c)TAAS结构、AS（angularly asymmetric）结构和PDRC膜的冷却与加热功率。AS结构指具有角度不对称发射率但不具备动态切换功能的设计；(d)研究流程图。

图3. TAAS结构的制备工艺示意图。

图4.角发射率的测试方法及验证。(a)样品的热辐射；(b)实验装置照片；(c)实验装置示意图；(d)可旋转加热台示意图。

图5.热态下不同的角度不对称特征的表征。(a)鳍状单元组成的示意图；(b)多种材料（50℃）的光谱反射率，包括PDRC、TA PDRC的B面以及ITO涂覆的TA PDRC的F面；(c)具有低发射率与高发射率PDRC薄膜的TAAS结构示意图；(d)具有低发射率与高发射率PDRC薄膜的TAAS结构的不同角度的红外图像；(e)具有低发射率与高发射率PDRC薄膜的TAAS结构的角发射率；(f)9度入射角下太阳光角反射的计算结果。(g)TA PDRC膜侧F面不同颜色（50℃）的显微照片。(h)TA PDRC膜侧F面不同颜色（50℃）的光谱反射率。(i)红色TA PDRC膜（50℃）在30°和150°下TAAS结构的显微照片。

图6.热态下TAAS结构的参数优化。(a)具有不同L/Y比的TAAS结构的角发射率；(b)具有不同H/Y比的TAAS结构的角发射率；(c)具有不同Y值的TAAS结构的角发射率；(d)具有不同H/Y和L/Y比值的TAAS结构在上下方向的等效发射率；(e)具有不同H/Y和L/Y比值的TAAS结构的冷却功率；(f)高发射率区域在45°、60°、90°和120°角覆盖下的TAAS结构角发射率。

图7.热态与冷态之间的切换。(a)热态与冷态TAAS结构示意图；(b)ITO涂覆的TA PDRC的F侧光谱反射率（20℃与50℃条件）；(c)热态与冷态TAAS结构照片；(d)加热与冷却过程中SMA的弯曲角度；(e)热态与冷态下40℃和140℃ TAAS结构的红外图像；(f)加热与冷却循环后40℃和140℃ TAAS结构的角发射率。

图8. TAAS结构的被动日间辐射冷却和太阳加热性能。(a)高温天气下温度测量实验装置示意图；(b)TAAS结构与PDRC膜的温度数据；(c)TAAS结构与PDRC薄膜的红外图像；(d)寒冷天气下温度测量实验装置示意图；(e) TAAS结构与AS结构的温度数据；(f) TAAS结构与AS结构的红外图像；(g)考虑周边建筑物辐射影响的温度测量实验装置示意图（地面温度=60℃，建筑物温度=50℃）；h)梯度TAAS结构与非梯度TAAS结构的温度数据；(i)梯度TAAS结构与非梯度TAAS结构的红外图像。

图9. TAAS结构的室外热测量及节能潜力。(a)用于寒冷天气温度测量的实验装置照片；(b)TAAS结构与PDRC膜的温度数据；(c)高温天气下温度测量实验装置示意图；(d)实验装置照片；(e) TAAS结构与PDRC膜的温度数据；(f)与PDRC薄膜相比的节能潜力；(g)原始墙体相比的节能潜力。

小结：本研究提出了一种温度自适应角度不对称（TAAS）结构，将定向辐射控制与自调节光谱切换相结合，从根本上提升了建筑垂直表面的热管理性能。该结构采用鳍状架构实现角度不对称设计，可优先将热量导向天空（向上等效发射率0.36），同时最大限度减少向地面的辐射交换（向下等效发射率0.07）。关键在于，该系统通过形状记忆合金与温度自适应 PDRC 膜的协同作用，能自主适应季节性需求，切换至冬季模式时可将等效发射率降至0.13并增强太阳吸收。热循环测试前后发射率的微小变化表明该结构具有优异的热循环稳定性。在哈尔滨严寒天气下，实地测试成功实现了 PDRC 膜5℃的温度提升。在模拟高温环境条件下， TAAS结构较PDRC膜实现了约2℃的温度降低。该TAAS结构在调节路面、周边环境与目标建筑之间的全年热传递关系方面展现出显著潜力，为实现全年建筑节能提供了有效策略。

论文信息：Xuefeng Tian, Jie Wang, Huaiyuan Wang, Yuanwei Lu, Baiqi Zhang & Hanchi Liu et al. Temperature-adaptive structure with angularly asymmetric emission for thermal management on building vertical surfaces. Renewable Energy259, 125086 (2026).

都看到这里了，关注一下吧^_^

声明：本文部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流，不代表本公众号立场，如有不当，请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作，我们将竭诚为您免费推送，投稿邮箱：wangcunhai@ustb.edu.cn