在全球氣候變暖大背景下，碳中和已經(jīng)成為國際社會(huì)的共識(shí)，中國提出在 2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年左右實(shí)現(xiàn)碳中和，達(dá)成這一目標(biāo)不僅需要大力發(fā)展清潔能源，還需要優(yōu)化能源利用效率，減少不必要的能耗。當(dāng)下，建筑能耗占中國總能耗的35%以上，而這其中，供暖通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)（HVAC，heating, ventilation, and air conditioning system）的能耗占比達(dá)到 44%。

近年來，輻射制冷作為一種被動(dòng)冷卻方式得到了廣泛研究，通過提高物體表面熱輻射率和太陽反射率，可以有效降低目標(biāo)溫度。然而，現(xiàn)有的研究主要集中在優(yōu)化材料性能上，單一的外表面輻射調(diào)控難以對(duì)某個(gè)密閉空間（例如建筑、車輛）進(jìn)行高效的熱管理，此外，將被動(dòng)輻射制冷和現(xiàn)有主動(dòng)制冷手段相結(jié)合的研究也被忽視。

鑒于此，近日，浙江大學(xué)李強(qiáng)教授和西湖大學(xué)仇旻教授研究團(tuán)隊(duì)提出一種新型輻射制冷設(shè)計(jì)理念，在現(xiàn)有密閉空間（如建筑、車輛等）基礎(chǔ)上，通過微納結(jié)構(gòu)改變內(nèi)外層表面光譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的高效調(diào)控，將密閉空間的有源制冷功耗降低了 63%。

該成果以“Color-preserving passive radiative cooling for an actively temperature regulated enclosure” 為題發(fā)表在 Light: Science & Applications。

圖1 （a）有源制冷空間和外界換熱模型示意圖。（b）穩(wěn)態(tài)下系統(tǒng)的能量流動(dòng)模型。（c）雙層輻射制冷對(duì)內(nèi)外表面光譜的要求。

本研究首先對(duì)有源制冷空間和外界的熱交換進(jìn)行建模仿真，構(gòu)建了以光熱-熱光轉(zhuǎn)換為核心，多個(gè)熱力學(xué)源及溫度場相互耦合的能量流動(dòng)模型。根據(jù)這一模型，綜合實(shí)際環(huán)境因素，作者提出，建筑外表面需同時(shí)反射太陽波段能量以及輻射紅外能量，內(nèi)表面則需要隔絕熱輻射進(jìn)入內(nèi)部空間，同時(shí)，為了能夠更好地適用于現(xiàn)有墻體或屋頂，內(nèi)外層的需要擁有高透明性。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過光學(xué)仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)并制備了這一器件，其外層采用了二氧化硅和二氧化鈦的一維光子晶體膜系，實(shí)現(xiàn)了可見透過率達(dá) 0.74，近紅外反射率達(dá) 0.87，中紅外輻射率約為 0.88；其內(nèi)層采用了 ITO-PET 膜，實(shí)現(xiàn)了可見透過率達(dá) 0.73，中紅外輻射率約為 0.21。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)通過搭建模擬有源制冷空間裝置，對(duì)器件的制冷性能以及節(jié)能效果進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示，在相同有源制冷功率下，采用該器件的室內(nèi)溫度相比于沒有器件的降低了 9.6℃；而在維持室內(nèi)溫度約為 26℃ 時(shí)，采用該器件的有源制冷功耗相比于沒有器件降低了 63%，從而證明該雙層輻射制冷器件具有相當(dāng)可觀的節(jié)能效應(yīng)。

此外，得益于器件在可見波段的整體高透明性，各種顏色表面在覆蓋該器件前后幾乎沒有區(qū)別，研究團(tuán)隊(duì)測試了紅綠藍(lán)三色覆蓋內(nèi)外層器件前后的色差值（ΔE76），結(jié)果均優(yōu)于市面上的商業(yè)透明熱鏡。

圖2 （a）內(nèi)外層器件覆蓋在彩色圖案上。（b）模擬有源制冷密閉空間的實(shí)驗(yàn)裝置。（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對(duì)比單純屋頂、屋頂+熱鏡以及熱鏡+雙層輻射制冷器件（ECRC）的制冷效果及能耗。

本研究針對(duì)建筑節(jié)能問題，先通過傳熱學(xué)理論進(jìn)行光譜設(shè)計(jì)，再通過電磁學(xué)理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而到實(shí)際應(yīng)用中，從材料學(xué)的角度設(shè)計(jì)制備工藝，從應(yīng)用場景的角度設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，最終驗(yàn)證了所制備器件的熱管理性能。

利用光學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)控光熱-熱光轉(zhuǎn)換，能夠高效地控制能量流動(dòng)，在很多熱管理場景中具有應(yīng)用價(jià)值。在未來，針對(duì)一些場合的特殊需求，可以設(shè)計(jì)更加特異化的光譜選擇性器件，在能源利用、信息傳感等方面具備相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。

| 論文信息 |

Zhu, Y., Luo, H., Yang, C. et al. Color-preserving passive radiative cooling for an actively temperature-regulated enclosure. Light Sci Appl 11, 122 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00810-y

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