文献前沿丨Renewable Energy：兼具太阳能加热与辐射制冷功能覆膜表面的设计和实验研究

建筑供暖与制冷是建筑运行能耗的重要组成部分。太阳能加热与夜间辐射制冷具有较好的昼夜互补特性，但传统太阳能集热器中的玻璃盖板会削弱8–13 μm大气窗口辐射，而去除盖板又会增加表面对流换热损失。基于此，本文从吸收层、聚合物功能膜和防风盖层三个方面，对薄膜覆盖太阳加热/辐射制冷（solar heating and radiative cooling，SH-RC）双模式表面的热性能进行了实验研究。通过比较PET、PDMS、PVF、PMMA和POF等聚合物膜、不同光谱特性的吸收表面、防风盖层及膜厚，分析各结构参数对昼间太阳加热和夜间辐射制冷性能的影响。结果显示，PVF和PET在所测试材料中具有较好的综合性能；光谱选择性表面较宽带黑体表面更有利于兼顾加热与制冷；具有较高透射率的防风层能够在抑制对流换热的同时改善昼夜热性能。膜厚对性能同样具有明显影响，其中PET和PVF的较优厚度分别约为100 μm和40 μm。实验还发现，表面热输出与运行温度和停滞温度之差呈较稳定的线性关系，可用于不同环境条件下SH-RC表面热性能的定量评价。相关工作以Design principles of film-covered surfaces for both solar heating and radiative cooling: An experimental investigation为题发表于Renewable Energy期刊。

本文系统研究了薄膜覆盖太阳加热-辐射制冷（SH-RC）双模式表面的结构设计与热性能。理想表面应在太阳波段高吸收、8-13 μm大气窗口高发射，并抑制其他红外波段无效辐射（图1-2）。TiN选择性吸收层结合透明聚合物膜构成SH-RC表面（图3-5）。不同聚合物测试表明，PVF、PDMS和PET可明显增强夜间制冷，但会削弱白天加热，体现“增强制冷-降低加热”的权衡（图6）。光谱选择性优于宽谱高发射表面，PE和POF防风层可兼顾抑制对流与红外透射（图7-9）。膜厚优化显示PET和PVF最佳厚度约为100 μm和40 μm（图10-11）。分层实验表明，白天主要依赖选择性吸收层和防风层，夜间则主要依赖聚合物膜发射与对流抑制（图12）。100 μm PET净制冷功率最高约89.6 W/m²，且加热/制冷功率均与运行温度和停滞温度差近似线性（图13-15）。

图1.太阳光谱辐照度和大气透过率：(a) 0-4 μm；(b) 4-24 μm。

图2. SH-RC表面的理想光谱特性。

图3. SH-RC表面的制造过程：(a)金属基底，(b)磁控溅射TiN沉积，(c)静电喷涂和聚合物涂层热固化，(d)聚合物薄膜冷层压，(e)实验照片。

图4.表面停滞温度试验装置：(a)示意图，(b)实验装置图片。

图5. SH-RC表面容量测试装置：(a)装置示意图，(b)水冷板内部视图，(c)试验台，(d)水冷板和试验台图片。

图6. SH-RC表面容量测试装置：(a)装置示意图，(b)水冷板内部视图，(c)试验台，(d)水冷板和试验台图片。

图7.四个表面的吸收率(发射率)。

图8.四个太阳能吸收器表面在施加20 μm PET膜之前和之后的性能：(a)夜间停滞温度，(b)夜间温差，(c)白天停滞温度，(d)白天温差和(e)表面照片。

图9.不同覆盖层配置下SH-RC表面的热性能：(a)夜间停滞温度，(b)夜间温差，(c)白天停滞温度，(d)白天温差，(e)覆盖层透射率，(e)覆盖层发射率。

图10.不同膜厚的SH-RC表面的热性能：(a)夜间停滞温度，(b)夜间温差，(c)白天停滞温度，(d)白天温差。

图11.不同膜厚的SH-RC表面的光谱发射率：(a)带平均发射率统计数据和(b)详细的光谱发射率剖面。

图12.具有不同薄膜配置的表面的热性能：(a)夜间停滞温度，(b)夜间温差，(c)白天停滞温度，(d)白天温差。

图13.不同SH-RC表面的温差(Ta-Tp)与冷却功率的关系。

图14.不同SH-RC表面温差(T-Ts)与冷却功率的关系。

图15.温差(Ts‐Tp)与加热功率之间的关系：(a) Ti–PVF40，(b) Ti–PET1。

小结：本文对薄膜覆盖太阳加热/辐射制冷（SH-RC）表面的热性能进行了系统实验研究，并考察了基底光谱特性、聚合物膜、防风盖层及膜厚等因素的影响。结果表明，透明聚合物膜能够提高表面在8-13 μm大气窗口内的发射率，从而改善夜间辐射制冷性能，但同时会增加白天的长波辐射损失，导致太阳加热性能下降。与宽带黑体表面相比，具有光谱选择性的表面在太阳加热和辐射制冷两种工况下均表现出更好的综合性能。防风盖层可通过抑制对流换热改善热性能，其中POF和PE使白天表面温度分别提高约38.8 ℃和37.9 ℃，夜间温度分别降低约4.38 ℃和4.2 ℃。聚合物膜厚度对性能存在明显影响，PET和PVF的较优厚度分别约为100 μm和40 μm。此外，在加热和制冷条件下，表面净热输出均与运行温度和停滞温度之差保持近似线性关系，可用于SH-RC表面热性能的定量比较。

论文信息：Wuyan Li, Yuanxiu Gong, Lu Wang, Shihan Deng, Lina Jiang, Yafeng Gao, Design principles of film-covered surfaces for both solar heating and radiative cooling: An experimental investigation. Renewable Energy, 2026, 271: 126019.

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