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学术前沿 | 天空辐射制冷技术发展现状与展望

发布于：2022-10-24 15:02:24 来自：暖通空调/制冷技术 [复制转发]

摘要： 天空辐射制冷技术是指地球表面物体通过“大气窗口”波段(主要在 8～13 μm)向宇宙发射红外辐射以实现自身降温的过程。作为一种无需能量输入的制冷技术，天空辐射制冷可为应对能源危机及全球变暖提供一种新的思路。从发展历程看，传统的辐射制冷技术应用仅限于夜间。近年来，随着纳米光子学及超材料领域的发展，日间辐射制冷技术的优势已经得到验证。

本文对天空辐射制冷技术的发展现状进行了回顾，涉及基本原理、材料与结构，分析了其潜在应用前景，并重点讨论了该技术当前研究与应用中面临的挑战。在能源形势与环境问题日益严峻的今天，探索天空辐射制冷技术在不同场景的应用，如建筑节能、减轻城市热岛效应、缓解水资源短缺、提高光伏发电效率等，有望助力我国的碳达峰、碳中和事业发展。

关键词： 辐射制冷;光谱选择性;大气辐射;红外辐射

能源危机与全球变暖是当今世界面临的重大挑战。目前，制冷能耗约占全球建筑总用电量的 20%，占全球总用电量的 10%。提高现有制冷系统效率和探索新型制冷技术成为目前亟待开展的工作。天空辐射制冷技术是指地球表面物体通过“大气窗口”波段(主要在 8～13 μm)向宇宙发射红外辐射以实现自身降温的过程。由于宇宙背景近乎一个温度为2.7 K 的理想黑体光谱，而地球表面平均温度约为290 K，因此地球向宇宙的红外辐射可用于冷却地球表面物体。

传统的辐射制冷材料及其应用仅限于夜间，这是由于材料在白天对太阳辐射的吸收抵消了其红外辐射的制冷量。近几年，随着纳米光子学和超材料领域的发展，新型光谱选择性辐射制冷材料得到迅速发展，这些新型辐射制冷材料在太阳辐射波段具有高反射率，同时在“大气窗口”波段具有高发射率，可实现全天辐射制冷。作为一种无需能量输入的制冷技术，天空辐射制冷可为应对能源危机及全球变暖提供一种新的思路。

本文在已有文献基础上，对天空辐射制冷技术现状进行了较为全面的回顾，涉及基本原理、材料与结构，分析了其潜在应用前景，同时总结了辐射制冷应用的创新性扩展以及当前研究热点，如动态辐射制冷材料、颜色多样性辐射制冷材料以及与其他技术的综合应用等，并重点讨论了目前应用中面临的挑战，可为后续天空辐射制冷技术的规模化应用提供参考。

一、 天空辐射制冷原理

地表和大气层吸收太阳辐射，同时也会以红外辐射的形式向外太空辐射能量，这两者之间的平衡决定了地表的平均温度(如图 1(a))。由于各类大气分子、气溶胶以及云的散射和吸收作用，太阳辐射(0.3～2.5 μm)会沿传播路径逐渐衰减。同时，地表红外辐射(2.5～50 μm)在通过大气层时也会发生吸收和散射，仅有一部分可以穿透大气层进入外太空，该部分可以穿透大气层的辐射波段即“大气窗口”波段(主要在 8～13 μm)，其辐射能即为天空辐射制冷的冷量来源。

“大气窗口”的产生是由于大气层由多种气体组成，包含红外光谱吸收性气体，如水蒸气、CO ₂ 和臭氧等，基于不同气体的综合作用，大气辐射主要集中在中红外波段，但如图 1( b) 所示，大气辐射在8～13 μm 波段内是高度透明的，表现出明显的光谱选择性。为使热量可以通过“大气窗口”释放到宇宙中，需要最大程度地增加被制冷物体通过“大气窗口”的红外热辐射。由于热辐射与构成物质的电子的振荡和跃迁而释放的能量密切相关，故热辐射的波长主要取决于辐射体的材料共振频率和温度。目前辐射制冷材料主要为热辐射波长被调制到“大气窗口”波段的光谱选择性辐射体或整个中红外波段(即 4 μm 以上) 的宽谱辐射体。但在“大气窗口”波段外对大气辐射的额外吸收限制了宽谱辐射体在白天的冷却性能，因此选择性辐射体在白天应用更具潜力。

辐射制冷过程中辐射体表面能量平衡如图 1(c)所示，其中 P _rad 表示辐射体表面的热辐射， P _solar 表示吸收的太阳辐射，P _atm 表示吸收的大气辐射，P _{non-radiative} 表示非辐射损耗。根据能量平衡理论，辐射体表面的净辐射制冷功率可表示为：

P _net-cooling = P _rad - P _atm - P _solar - P _{non-radiative} (1)

图 1 辐射制冷基本原理

日间辐射制冷由于阳光照射会导致辐射体表面温度升高，故辐射制冷材料需要对太阳辐射有很高的反射率( 一般大于 0. 9)。大气质量系数( air mass，AM)常用来表征太阳光穿过大气层后的太阳光谱，定义为直接穿过大气层的光程长度。标准的太阳平均辐照度通常由 AM1.5 太阳光谱表示，具体分布如图 1( b) 所示。为保证辐射制冷效果，至少须反射 90%的入射阳光。辐射体表面太阳反射率的微小变化，会对材料的辐射制冷性能产生显著影响。

辐射制冷过程中，由于辐射体的温度低于周围环境空气的温度，周围环境会通过导热和对流向辐射体进行传热，即非辐射损耗。辐射体的制冷量损耗不仅与环境风速和温度等因素有关，也与装置的保温性能有关，为简化该过程，多数研究采用总传热系数 K 来表征非辐射损耗，可表示为：

P _{non-radiative} = KA(T _amb - T _s ) (2)

式中：K 为导热和对流总传热系数，W/(m ² ·K);A 为辐射体面积，m ² ; T _amb 为环境温度，K; T _s 为辐射体表面温度，K。

二、 天空辐射制冷材料与结构

基于辐射制冷原理，材料的光谱选择性辐射特性对实现高效辐射制冷至关重要。从发展历程看，夜间辐射制冷自 20 世纪中叶起已有较多研究。但这些夜间辐射制冷材料难以同时满足在“大气窗口”波段具有高发射率，且对太阳辐射具有高反射率，因此限制了其在白天的应用。随着研究的深入，目前已设计出新材料或结构可用于全天辐射制冷。本节对夜间和日间辐射制冷材料进行了回顾，并对动态辐射制冷材料的最新研究进展进行了总结。

2.1 夜间辐射制冷材料

夜间辐射制冷指在夜间达到低于环境温度的冷却，宽谱和选择性辐射材料均可实现这一功能。夜间辐射制冷材料一般可分为: 1) 聚合物: PMMA、PVC、PPO 树脂和其他复合高分子材料;2)无机薄膜:一氧化硅、二氧化硅、氮氧化硅和各类涂料(如 TiO ₂ 、BaSO ₄ 等);3) 气体:氨、环氧乙烷、乙烯或这些气体的混合物。基于聚合物的夜间辐射制冷材料可由少量聚合物涂层以及下方的金属层组成。聚合物涂层由红外透射聚合物与纳米粒子混合制备，通过改变纳米粒子的浓度，可在整个“大气窗口”内调整吸收光谱。由硅基氮化物、氮氧化物和氧化物制造的无机薄膜可在中红外波段实现高发射率。气体通过分子拉伸和旋转使分子在“大气窗口”波段内具有强烈的红外吸收，使用气体作为工质的辐射制冷装置具有无需额外传热流体的优势。

2.2 日间辐射制冷材料

由于太阳辐射能量密度约为辐射制冷能量密度的 10 倍，这给辐射制冷的日间应用带来了挑战。近年来，得益于微纳技术研究的进展，使新型辐射制冷材料如光学薄膜材料、超材料及超表面、光子晶体等既具有高太阳光谱反射率，又在“大气窗口”波段具有高发射率的材料，得以实现日间辐射制冷。

以光子材料和超材料为代表的纳米光学材料为日间辐射制冷的光学性质设计提供了新思路。由于具有周期性的多层膜结构光子晶体可强化“大气窗口”波段的发射能力，A.P.Ｒaman 等研究了由 7 层 Si O ₂ 和 Hf O ₂ 组成的光子晶体以实现白天低于环境温度的日间辐射制冷，如图 2(a)所示，该材料可反射97%的入射阳光，并在“大气窗口”波段具有高发射率，在超过 850 W/ m ² 的直射阳光下冷却功率可达到 40.1 W/ m ² 。

上述多层膜结构材料虽具有较好的冷却性能，但加工难度及成本限制了其广泛应用。近年来，聚合物辐射制冷材料受到广泛关注，如 PET、PVF、PDMS、PMMA等。Zhai Yao 等提出了一种如图 2(b)所示的可卷对卷制造的低成本聚合物-颗粒物超材料。嵌入聚合物中的 Si O ₂ 颗粒通过高阶 Fr?hlich 共振增强红外发射，该超材料在“大气窗口”波段的红外发射率可达到 0.93，在正午实现了 93 W/ m ² 的冷却功率。此外，采用温度诱导相转化工艺制备的多孔聚乙烯冷却布也可兼容卷对卷生产技术。

图 2 日间辐射制冷材料

目前，大多数基于聚合物的辐射制冷材料仍然依靠高反射金属层来确保日间辐射制冷性能，但这限制了其应用灵活性，也增加了成本。为解决预制辐射制冷材料不能直接应用于各种纹理和形状表面的缺点，如图 2(c)所示，J.Mandal 等采用相转化工艺制备分层多孔 P(VdF-HFP) HP辐射制冷涂层，其孔隙结构利用了空气与聚合物之间的折射率不匹配这一特点强化了光的散射，通过散射可见光和近红外光，多孔聚合物可以实现约 0.96 的太阳光谱反射率和 0.97 的红外发射率，并且可通过嵌入无机染料颗粒来制备不同颜色的涂层。此外，该课题组还提出将 Al ₂ O ₃ 和BaS O ₄ 颗粒嵌入聚合物涂层可进一步提高太阳反射率。

空气湿度会显著影响辐射制冷性能。目前大多数辐射制冷材料是在干燥气候下进行测试的，而在潮湿环境下“大气窗口”透射率会急剧下降，因此，开发适合潮湿地区的辐射制冷材料仍是一项挑战。Wang Tong 等提出一种分层多孔阵列 PMMA 薄膜，其表面密堆积微孔阵列，内部通过模版法结合了丰富的随机分布纳米孔，薄膜表现出 0.95 的太阳光谱反射率与 0.98 的中红外发射率，即使在潮湿的气候下也可达到相对环境温度约 5.5℃ 的温降。此外，孔径与孔隙率也会对辐射制冷特性产生影响，光学模拟结果表明混合纳米孔在特定厚度下明显比单一孔径具有更高的反射率。

现有辐射制冷材料大多为聚合物或无机薄膜，而木材作为一种可再生材料和碳汇材料，基于其经济性和环保优势，拓展其性能将对未来的能源格局产生重要影响。Li Tian 等通过去木质素和再压制制造了一种机械强度为天然木材 8 倍以上的辐射制冷木材，如图 2(d)所示，基于纤维素纳米纤维的低光学损耗和无序光子结构，可实现全天辐射制冷。

虽然辐射制冷材料的应用显示出极大的节能潜力，但现有材料大多为白色或银白色表面，出于美观等原因并非总是可取的。目前已有研究致力于制造色彩更为丰富的辐射制冷材料，双层结构的设计可使材料具有所需颜色的同时保证其辐射制冷性能，顶层选择性吸收与所需颜色互补的可见光并对红外辐射高度透明，底层则强烈反射透射的红外辐射，使材料整体表现出高反射率。

除湿度、云量、风速等气候因素，表面污染、积水等也会对辐射制冷性能产生显著影响，针对该问题，已有研究利用飞秒激光刻蚀、模版法等方法对辐射材料表面进行改进使其具有自清洁功能。Liu Bingying 等模仿甲虫、撒哈拉银蚁和荷叶的结构和功能开发了一种分层自清洁多孔涂层。Wu Junrui 等通过飞秒激光烧蚀技术制造了具有珊瑚状微纳结构的分层 PTFE 薄膜，Wang Huidi 等开发了一种由 EPDM 和疏水性 SiO ₂ 颗粒组成的多孔复合膜。即使在高湿度和强阳光照射下，这些材料仍有良好的疏水性、抗破坏性和热稳定性。

2.3 动态辐射制冷材料

由于静态辐射制冷材料不具备自行调节红外辐射的能力，在夜间或非制冷季节易造成过度冷却，因此能够主动或被动响应外界变化而动态调节自身光学性能的智能材料受到广泛关注。动态辐射制冷利用发射率可变的材料来实现加热或冷却需求变化时红外辐射的自行调节，目前其研究主要包括热致变色、电致变色和机械应变响应等。

热致变色是指物质的颜色随温度变化而发生改变的现象，属于可逆化学变化。其中二氧化钒(V O ₂ ，相变温度约为 68℃) 和硫系化合物(GST，相变温度约为 150℃) 热致变色材料在相变前为红外透射率高的半导体态，相变后为红外吸收率高的金属态。Tang Kechao 等将 W _x V _1-x O ₂ 嵌入到银膜上层的 BaF ₂ 介质层中，其结构如图 3(a) 所示，通过吸收共振的设计可将材料室温热发射率从半导体态的 0.20 切换至金属态的 0.90。Xu Ziquan 等通过控制激光脉冲的频率加热以替代传统加热方式，使 GST 膜发生非易失性相变和可重构性凸起，材料发射率峰值可在 0.1 和 0.7 间切换，该方法为热辐射控制开辟了新的途径。

图 3 动态辐射制冷材料

基于氧化钨(WO ₃ )、聚苯胺(PANI)和石墨烯等具有可见光-红外电致变色性能材料的器件通常为多层结构，由夹在两个电极间通过电解液分隔的光学和电化学活性层组成，依靠改变外加电位差产生离子或电子的插入/提取，从而改变材料在中红外和“大气窗口”波段的光学性质。WO ₃ 在质子/锂离子插入下从透明/绝缘体转变为蓝色/金属状态。M.S.Ergoktas等采用如图 3(b)所示的锂离子插层石墨烯来实现石墨烯光学可调性和非易失性。此外，Xu Gaoping等基于 H ₂ SO ₄ 掺杂 PANI 薄膜，构建了一种光学可变和热管理同时进行的双功能电致变色器件，在 8～14 μm 波长范围内红外发射率变化约为 0.4。

应变响应是指通过加载/卸载应力动态改变材料的形貌或结构，从而连续调谐材料的光学性能。A.Krishna 等通过施加应力来动态改变石墨烯表面皱褶的间距大小，由于该褶皱可造成光的多次内部反射和干涉，使材料表面透射率降低并提高了发射率。Zhao Huaixia 等提出一种基于 PDMS 涂层的动态空化冷却/加热模式切换材料，在机械刺激下，PDMS涂层中的亚稳态折痕产生空洞，从透明固体态可逆地变化至多孔态，多孔态可实现 93% 的太阳反射和94%的红外发射，而透明固体态则允许 95%的太阳光透过以实现太阳能加热。

三、 辐射制冷技术的应用

虽然目前已有许多可实现全天辐射制冷的材料，但辐射制冷技术的商业化应用仍面临诸多挑战，如冷却功率密度低、装置和系统的开发尚不完全成熟等。本节回顾了辐射制冷技术现有的及正在探索的应用领域，对如建筑节能、光伏冷却、个人热管理及淡水收集等进行了介绍与讨论。

3.1 被动式建筑节能

国际能源署 2021 年报告指出，在过去的三十年中用于建筑制冷的能耗增长了两倍多，制冷用电量占建筑总用电量的近 20%。因此，被动冷却技术的应用对于建筑节能具有至关重要的意义。本节中提到的被动式建筑节能，特指无需额外能量输入的辐射制冷建筑节能应用。

辐射制冷技术以天空作为冷源对建筑进行降温，将辐射制冷材料直接应用于建筑围护结构表面，尤其是高天空视域因子的围护结构，如屋顶，将带来可观的节能效果。辐射制冷屋顶相比普通屋顶具有更高的太阳光反射率和中红外发射率，不仅可以减少建筑冷负荷，而且可显著缓解城市热岛效应。

图 4(a)所示为 Fang Hong 等在美国怀俄明州测试对比辐射制冷超材料屋顶与普通瓦屋顶搭建的模型室，测试结果显示屋顶表面和室内的最大温差分别为 28.6℃和 11.2℃。目前，辐射制冷屋面已有应用于大型公共建筑中的案例，例如杭州萧山国际机场T4 航站楼廊桥，在应用辐射制冷技术后，单个廊桥的年空调制冷节能率可达 43.7%。

针对辐射制冷技术应用于建筑围护结构的研究，虽然屋顶在天空视野因素方面更具优势，但其他围护结构在设计灵活性方面同样可行。目前，对于透明辐射制冷材料的研究拓展了该技术在建筑窗户上的应用，与现有节能玻璃相比，不仅能减少通过窗户的得热，还可以对建筑进行冷却。研究可分为两种类型，即透明辐射制冷薄膜和在玻璃材料表面添加透明涂层。如图 4 (b) 所示，Yi Zhitong 等将由 PET 和 SiO ₂ 微球组成的混合透明超材料薄膜应用于屋顶天窗，在中国宁波 8 月份测得有无透明超材料薄膜的两个玻璃模型箱内部空气的最大温差为 21.6℃。K.W.Lee 等通过在有机硅弹性基质内的 Si O ₂ 气凝胶微粒中布置光学调制器(正十六烷)来合成透明的辐射制冷超材料，并将该材料制成玻璃，与普通玻璃相比，超材料玻璃下方的室内空气温度降低了约 3.6 ℃。

图 4 辐射制冷技术在建筑节能中的被动式应用

3.2 主动式建筑应用

3.2.1 基于空气和水循环的辐射制冷系统

除直接应用于建筑围护结构表面，采用空气或水作为传热介质的辐射制冷系统同样具有灵活的应用形式。基于空气循环的系统相对简单且安装成本低，而基于水循环的系统则具有更好的传热性能。辐射制冷器件与介质的传热效率及介质的最佳质量流量是研究的重点，空气和水的流量对实现辐射制冷的最佳冷却性能具有至关重要的作用。

相比于自然通风，采用与辐射制冷技术相结合的空气冷却系统可实现更显著的降温效果，同时也可避免直接在围护结构表面应用辐射制冷材料造成的冬季“过冷”现象。如图 5(a) 所示，Zhao Dongliang等提出一种可由多个并联辐射制冷空气冷却器组成的住宅建筑屋顶集成辐射制冷空气系统，实验结果显示，虽然通风和冷屋顶都能实现一定温降，但只有屋顶集成辐射制冷空气系统能将阁楼温度全天降至低于环境温度。

图 5 基于空气和水循环的辐射制冷系统

以水作为传热介质不仅比空气具有更高的热容量，且易于与水箱等储冷设备相结合。Wang Weimin 等提出的用于办公楼的辐射制冷系统由辐射制冷回路和空间冷却回路组成，辐射制冷回路使水通过屋顶辐射制冷器件循环，相比于 VAV( variable air volume)系统可节省 45% ～68%的冷却耗电。如图 5(b)所示，A.Aili 等提出一个可全天连续运行的千瓦级辐射制冷水循环系统并进行实验研究和模型分析，结果显示日间水以低流速( ＜0.25 L/( m ² ·min)) 运行，夜间以高流速(＞1 L/(m ² ·min)) 运行，可提升系统冷却效果。

此外，将基于水的冷却系统与其他空调系统相结合也拓展了辐射制冷技术在建筑中的应用范围，例如可将辐射制冷得到的冷水用于吊顶 /地板辐射供冷，或用于预冷进入冷水机组的工质。Zhao Dongliang 等设计了一种基于超材料的辐射制冷冷水收集系统，并将该系统用于冷却空调冷凝器，通过储冷设备和控制系统可实现昼夜连续冷却以显著提高空调系统效率，模拟显示该系统在不同地点(美国凤凰城、休斯顿和迈阿密)与商业办公楼空调系统的冷凝器集成时，夏季制冷耗电量可减少 32%～45%。

3.2.2 与太阳能集热相结合的可调控利用

目前发展较成熟的太阳能集热技术在原理上与辐射制冷技术有一定关联性，将两者结合以实现制冷与供热模式切换具有很大的建筑节能潜力。Li Xiuqiang 等设计了静电控制热接触传导的薄膜滚动双模式装置，冷却功率可达 71.6 W/ m ² ，加热功率可达 643.4 W/m ² ，模拟显示若在美国广泛布置该系统，可节省 19.2%的制冷及供暖用能。

如图 6(a)所示，Xia Zhilin 等设计了一种自适应温控装置来调整辐射制冷器件的冷却能力，通过温度形状记忆弹簧来驱动板材张角的变化，并在板材的上表面加入太阳能吸收材料以实现工作模式的切换。Hu Mingke 等在研究中将太阳能加热和辐射制冷两种空气加热/冷却装置相结合，通过两种模块旋转和移动，系统的运行模式可以灵活切换。除了与空气系统相结合外，太阳能加热-辐射制冷装置也可用于循环水的加热和冷却，如图 6(b)所示，该装置使太阳能加热-辐射制冷面板与外管一起围绕内管旋转，并有效地将热量或冷量传递给通过内管的水流。上述采用机械方式实现冷热模式切换的系统具有构造简单、维护方便等特点，但自适应程度更高、调控更智能的双模式系统仍有待进一步研究。

图 6 与太阳能集热相结合的辐射制冷应用

3.3 光伏冷却

光伏发电(photovoltaic，PV) 愈发成为重要的电力来源。虽然光伏电池吸收了约 80%的入射太阳辐射，但其中只有一小部分转化为电力输出，大部分则转化为热量使面板温度升高。一般温度每升高 1℃，光电转换效率下降 0.4%～0.6%。基于辐射制冷工作环境与光伏电池十分相似并且可实现全天被动制冷的特性，出现了多种形式的辐射制冷与光伏电池综合应用。最直接的结合形式即将透明辐射制冷材料敷设在光伏电池表面，旨在提高光伏电池表面的红外发射率。与常规 PV-玻璃的形式相比，将 PDMS敷设于光伏电池表面，光伏电池平均温度下降约 1.0℃，可见简单的直接将辐射制冷与光伏结合的降温效果并不显著，远不及通过增强对流所带来的效益。

在此基础上，Zhao Bin 等设计了由一维多层堆叠结构与二维光子晶体组成的辐射制冷结构，在保证光伏转换波段(0.3～1.1 μm) 太阳辐射吸收的同时选择性反射其他波段太阳辐射，实验表明运用该结构，光伏电池效率比常规 PV-玻璃的形式高出6.9%。为使辐射制冷技术发挥更大潜力，辐射制冷与光伏电池的间接结合形式也得到了广泛研究。如通过热管( heat pipe，HP) 连接光伏( PV) 和辐射制冷(radiative cooling，RC) 的系统。但采用复杂的结构或额外的机械部件，会增加系统的不稳定因素且使制作工艺复杂化，需权衡系统成本与光伏效率间的关系。

3.4 淡水收集及湿度发电

由于淡水资源短缺，很多研究聚焦于如何从空气、海水中获取更多的淡水。可用于露水收集的夜间辐射制冷箔片已投入实际应用，然而现有的露水收集装置很难在日间太阳直射的条件下工作。将夜间辐射制冷材料和太阳能蒸发材料相结合，既可在夜间收集露水也可以在日间收集太阳能蒸发蒸汽的凝水，从而实现全天淡水收集。近几年超材料的发展拓展了辐射制冷技术在淡水收集方面的应用。如图 7(a)所示，Zhou Ming 等将背衬银的 PDMS 薄膜置于聚苯乙烯盒中冷却湿空气，其收集的淡水量几乎是夜间辐射制冷箔的两倍。I.Haechler 等通过对超材料辐射冷却器的背面做疏水处理并结合辐射汇聚器，设计出如图 7(b) 所示的高效且可全天工作的露水收集装置。该系统在 96%的相对湿度下的产水率超过 50 g /( m ² ·h)。

图 7 辐射制冷在收集淡水中的应用

但应用辐射制冷技术收集露水时，集露面上凝水的增多会降低辐射制冷功率。此外，虽然干燥晴朗的环境有利于辐射制冷，但也意味着环境中没有足够的水蒸气可以冷凝，地理和气候仍然是被动式淡水收集的决定性因素。然而水蒸气的来源可以不局限于空气，还可通过太阳能蒸发海水或污水来供给。此外，在利用辐射冷却器收集淡水时，集露面附近的相对湿度较大，而湿电量会随着环境相对湿度的增大而增加。因此利用辐射制冷来增强湿度发电量可能会成为未来的研究方向。

3.5 个人热管理

随着人们越来越注重热舒适性，可穿戴电子设备及智能纺织品的出现催生了个人热管理技术的发展。该技术聚焦于将个人体温调节功能融入日常服装设计中。将辐射制冷技术理念中对人体红外波段的辐射或太阳辐射的调控与个人热管理技术相融合，衍生出了多样的可穿戴织物，一般包括以下几类:

1)静态织物。 该类织物可通过添加纳米金属颗粒层或多层纤维结构实现对不同波段辐射的调控。Zeng Shaoning 等采用 PTFE 粒子、Ti O ₂ 粒子以及PLA 纤维编织了辐射制冷织物，如图 8(a)所示，与普通棉织物对比实验中，该织物表面温降可达 4.8 ℃。通过对辐射制冷技术进行逆向思考，Yue Xuejie 等利用多孔银/纤维素/碳纳米管(CNT)制备纳米纤维膜，基于 CNT 涂层 90%以上的太阳吸收率和 Ag 涂层高于 70%红外反射率，实现了太阳热量输入最大化和人体辐射热量输出最小化，可显著提高寒冷环境中的人体热舒适性。

图 8 辐射制冷技术在个人热管理中的应用

2)有色织物。 颜色作为织物的基本属性，影响着不同波段辐射的发射与吸收，通过添加可强烈共振散射可见光的纳米粒子层，可产生不同颜色的织物。Cai Lili 等利用无机纳米颗粒如鲁士蓝(PB)、氧化铁(Fe ₂ O ₃ )和硅(Si)制备可扩展的彩色聚乙烯织物，该织物表现出 80%的高红外透明度且相比传统织物可实现 1.6～1.8 ℃的温降。

3)动态织物。 受变色龙、乌贼等生物在放松与兴奋状态下改变颜色的启发，该类织物通过动态改变表面纳米晶体的松紧排布，实现对不同波段辐射的调控。Zhang Xu'a 等通过在三醋酸纤维素双形态纤维上涂抹一层碳纳米管薄层，根据织物相邻纤维层之间的距离依赖性电磁耦合原理，实现了如图 8(b) 所示的红外辐射调节，当皮肤的相对湿度发生变化时，织物红外辐射调节能力改变超过 35%。Wang Yang 等通过整合纱线纺丝和连续浸渍涂层技术制备了热致变色丝绸，其快速且可控的热致变色特性使织物具有调控太阳辐射的能力。

虽然辐射制冷技术在个人热管理方面的应用较为灵活，但仍有诸多问题亟待研究:织物材料既需满足光谱选择性辐射特性，也需满足其作为织物的基本属性，如保证透气性、水蒸气转移率等;织物是否具有足够的机械强度满足日常活动、织物辐射性能是否会衰减、织物材料是否可水洗等仍是需要解决的问题。

3.6 其他应用

日间辐射制冷材料的规模化生产使很多大型工业设备采用辐射制冷技术来达到节能的目的成为可能。由于电厂的乏汽需要冷凝，将辐射制冷作为凝汽器的附加冷源是提高电厂发电效率的潜在途径之一。图 9(a)所示为 Zhang Kai 等提出的以大面积辐射制冷模块和大容量蓄冷罐作为附加冷源的空冷式电厂乏汽冷凝系统。A.Aili 等对水冷式电厂使用辐射制冷技术后的节水情况进行了研究，发现辐射制冷可以有效抑制冷却水的蒸发从而节约电厂至少30%的用水量。

除生产设备外，辐射制冷还可用于仓储。由于粮食需要储存在低温干燥的环境中，相关研究表明，当浅圆储粮仓屋顶使用辐射制冷技术后，最上层的粮温最大可以降低 4.7℃。研究显示当仓库屋顶采用辐射制冷材料时，仓库全年的制冷能耗可减少 65.2%。热电也是辐射制冷的热门应用方向之一。很多研究将辐射制冷技术应用于热电器件的冷端来提高发电温差。如图 9(b) 所示，当柔性可穿戴热电设备和辐射制冷技术结合时，不仅可减少热电设备的体积，还可以提高设备的发电功率。

图 9 辐射制冷在其他领域的应用

由于辐射制冷量具有时间依赖性，辐射制冷在夜间效果更好，但白天对制冷的需求更大。因此可将相变材料和辐射制冷技术结合起到对冷量削峰填谷的作用。这要求相变材料具有较低的相变温度和较高的相变焓。Yang Luyao 等通过一种新型柔性交联聚合物将相变材料和辐射制冷结合起来，由于兼具较好的导热性能，该材料显示出良好的控温能力。

四、 挑战与展望

4.1 提高冷却功率及有效面积

由于辐射制冷技术固有的低能量密度特性，因此需要较大部署面积来满足制冷量需求，但随着对可再生能源需求的不断增加，有限的面向天空的面积使辐射制冷与太阳能系统间的竞争不可避免，特别是对于城市多层或高层建筑。因此，提高辐射制冷功率或与光伏、光热等系统耦合具有重要意义。由于太阳辐射能量密度相对更高，进一步提高太阳反射率仍有很大潜力提高辐射制冷功率。大气辐射是另一个影响辐射制冷功率的重要因素，通过减少大气辐射吸收来提高冷却功率将是潜在的研究方向。非辐射传热对辐射制冷应用是否有利取决于辐射制冷表面工作温度与环境温度间的关系，对于低于环境温度的应用，屏蔽非辐射传热是必要的，设计一种透光率高且同时具备耐久性和机械强度的对流屏蔽层仍是研究的重点。此外，由于局部大气条件变化和云层覆盖使辐射制冷具有间歇性，寻找一种有效的冷量存储方式及用冷侧与供冷侧之间的有效耦合至关重要。

4.2 测试标准及区域适用性

由于辐射制冷效果与地理位置和气候条件密切相关，目前的研究中缺乏统一的测试条件和标准方法来对比不同类型辐射制冷材料及器件的性能。此外，单独应用辐射制冷技术仍存在局限性，若要在多领域投入实际应用，需和其他技术相结合。因此，除了目前的辐射制冷性能评价指标如冷却功率、辐射表面与环境的温差及节能量外，辐射制冷技术在与其他技术结合时还应有其他评价标准。如针对与光伏相结合的应用，由于电能和热能具有不同的热力学性质，因此应使用更标准化的分析来计算系统总效率，类比于光伏的标准测试条件，未来应为辐射制冷器件制定测试标准和性能指标。此外，目前已有研究调查了一些国家应用辐射制冷技术的资源潜力。通过对不同区域环境因素的评估，也可为当地使用辐射制冷技术的预计收益及器件的设计策略提供指导。虽然大多数研究进行了室外测试，但并未考虑到在复杂城市环境下周围建筑、树木对视野的遮挡。通过对材料及结构的研究设计以增强红外辐射的方向性，可减小周围环境对辐射制冷性能的影响。

4.3 稳定性及耐久性

辐射制冷材料的稳定性及耐久性对其实际应用具有决定性影响，目前许多研究仍处于实验阶段，一些研究对辐射制冷材料进行了实验室条件下的强化衰老测试，但大多数研究只进行了短期的户外测试。进行长期户外测试将有助于评估辐射制冷器件在实际户外条件下的稳定性和使用寿命。积水、积尘以及材料和下方金属层随时间推移的劣化等因素，给辐射制冷材料在室外保持良好的性能与机械稳定性带来挑战。虽然目前已有针对自清洁疏水辐射制冷材料的研究，然而由于其制造工艺复杂，实现自清洁材料规模化生产仍有一定困难，并且已有的研究中并未对自清洁材料的使用寿命与稳定性进行评估。此外，在辐射制冷技术应用的研究中应考虑设备和系统如何进行合理的维护并定期对其性能进行测试，以保证其稳定性与耐久性。

4.4 经济性分析

如何平衡材料成本、加工工艺与制冷性能是日间辐射制冷材料商业化利用的关键问题。大部分基于聚合物的辐射制冷材料都具有实现规模化生产的潜力，这是实际应用中的优势。但仍然存在材料老化与性能下降的问题，在实际应用中需考虑和评估这些材料的寿命，生命周期分析可作为关键参考，同时综合投资回收期分析以指导辐射制冷材料的选择。在经济性评估中，应因地制宜，综合考虑如冬季采暖损失、当地电价以及应用场景保温性能，风速、云量、降水等变动的天气因素也应被考虑在内，未来的研究中可设计详细的经济性分析模型以评估辐射制冷技术的应用可行性。

05 结论

全球气候变化对人类社会构成重大威胁，作为全球最大的温室气体排放国，中国对于近零碳排放技术的探索和创新具有重大意义。天空辐射制冷技术作为一种无需额外能量输入的清洁冷却技术，具有巨大的节能减碳潜力和广阔的应用前景。受益于纳米光子学及超材料领域的发展，包括光学薄膜材料、超材料及超表面、光子晶体等新型辐射制冷材料得以用于全天辐射制冷，但实现与大规模制造技术兼容的高性能辐射冷却仍面临着诸多挑战。由于辐射制冷效果与地理位置和气候条件密切相关，因此，选择合适的部署位置并因地制宜设计辐射冷却器光谱特性至关重要。此外，利用发射率可变的材料来实现加热或冷却需求变化时红外辐射的自行调节也可在提高辐射制冷效率方面发挥重要作用。

辐射制冷技术的实际应用场景也得到了很大拓展，包括建筑节能、提高光伏发电效率、淡水收集、个人热管理及电厂节水等。将辐射冷却技术与其他可再生能源技术如太阳能集热、光伏发电等相结合，可在有限的屋顶部署面积下带来可观的节能收益。而冷量可调节的主动式辐射制冷系统如结合相变材料、利用机械变形等提高了辐射制冷技术应用的灵活性。此外，多种颜色与透明辐射制冷材料的进展也扩展了其应用范围。在实际应用中，除冷却性能外，需考虑的关键因素还应包括成本、稳定性和耐久性，这也将作为未来辐射制冷技术大规模应用的重要参考。

来源 | 制冷学报

作者 | 郭晨玥，潘浩丹，徐琪皓等

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