碳中和背景下天空輻射冷卻技術的應用

周志華，張吉，張云飛，劉俊偉

（1.天津大學環境科學與工程學院，天津300350；2.清華大學建筑學院，北京100084）

0 引言

CO2等溫室氣體的大量排放導致全球氣溫升高、氣候異常，已嚴重威脅地球上生物的生存［1］。2020 年，南極氣溫首次突破20 ℃，預計到2050 年，酷暑將成為全球常態［2］。有學者警告稱，若不減少化石燃料的使用，2100 年全球的平均氣溫將會升高6.5～7.0 ℃。

我國作為全球最大的發展中國家，目前仍然處于碳排放“總量高、增量高”的階段，碳排放占全球總量的28.8%［3］。2020 年9 月，我國政府在第七十五屆聯合國大會上宣布將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。2020 年11 月，《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》［4］中指出，要加快綠色低碳循環發展，推動經濟社會綠色轉型。

為實現可持續低碳發展，發展節能環保的冷卻方式勢在必行。傳統的制冷方式如蒸汽-壓縮式制冷、吸收式制冷等，不僅消耗大量的能源，而且會引發一系列環境問題（溫室氣體、臭氧空洞等）。而新興的可再生能源驅動的制冷方式需要復雜的系統將可再生能源轉化為電能或熱能，然后用于制冷，系統效率較低，如水能、風能、潮汐能、太陽能等驅動的電制冷以及太陽能熱制冷（太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷、太陽能除濕制冷、太陽能蒸汽壓縮式制冷等）；同時，這些可再生能源均受時間和地域的限制，如太陽能受晝夜的限制，水能、潮汐能受地域的限制，而風能受時間和地域的限制。

相比上述制冷方式，天空輻射冷卻是一種在不消耗任何外部能量、不產生任何環境污染的情況下進行的被動式、可持續冷卻方式［5］。將外太空（熱力學溫度為3 K）看做是不受空間和時間限制的巨大冷源庫，利用電磁波通過大氣層透過率高的大氣窗口（8～13μm波段），將地球表面物體（熱力學溫度為300 K）的熱量以熱輻射的形式發射到低溫外太空，與宇宙空間進行輻射換熱，從而降低自身溫度并實現被動冷卻［6］。研究表明，輻射冷卻無時無刻不在進行著，地表不斷向外太空發射大約100 PW的熱輻射，這些能量理論上可以滿足人類所有的生產和生活需求［7］。

本文首先介紹天空輻射冷卻技術的基礎理論模型，在此基礎上探討輻射冷卻技術的關鍵技術及冷卻效果，依據應用領域對其研究現狀進行分類綜述，最后討論天空輻射冷卻技術在碳中和背景下的應用場景。

1 輻射冷卻技術理論模型

除發射體本身熱輻射功率外，太陽光輻射、大氣輻射以及周圍介質的非輻射換熱都對凈輻射冷卻功率有影響，其能量平衡圖如圖1所示，計算公式見式（1）［8］。

圖1 天空輻射冷卻技術能量平衡示意［8］Fig.1 Energy balance of radiative sky cooling technology［8］

式中：Pnet（Tamb，Tr）為冷卻材料的凈輻射冷卻功率，W/m2；Tamb和Tr分別為環境溫度和發射體表面的溫度，K；Prad（Tr）為發射體的中紅外輻射度，W/m2；Psolar，Patm（Tamb）和Pnonrad分別為發射體吸收的太陽光輻照度、大氣輻照度和物體與周圍環境的非輻射換熱功率，W/m2。

1.1 發射體熱輻射

熱輻射的大小與構成該物質的許多電子振蕩和躍遷而釋放的能量密切相關［9］，而這些電子的振蕩或躍遷與物體的溫度有關，任何溫度高于絕對零度的物體均會對周圍環境產生熱輻射。一個面積為A、溫度為Tr的發射體的熱輻射度為［10］

式中：A 為發射體面積，m2；θ 為紅外線發射角度；λ為紅外線波長，μm；IBB(Tr，λ)為溫度為Tr的黑體熱輻射度，W/m2，可由普朗克定律給出；?(λ，θ)為發射體的角譜發射率，可由傅里葉變換紅外光譜儀測出［11］。

式中：h 為普朗克常數，取6.63×10-34J·s；c 為真空中的光速，取3×108m/s；kB為玻爾茲曼常數，取1.38×10-23J/K。

1.2 太陽光吸收

一般情況下，夏季晴朗天空的太陽直射強度高達1 000 W/m2，散射強度也有50～100 W/m2［12］，因此，對于日間輻射冷卻，必須考慮發射體吸收太陽輻射。面積為A的發射體吸收的太陽光強度為［8］

式中：IAM1.5(λ)為標準地面太陽光譜輻照度，W/m2；?(λ，θsun)為發射體太陽光角譜吸收率。

1.3 大氣輻射

大氣層由各種氣體組成（如水蒸氣、氮氣、二氧化碳和臭氧等），不同的氣體吸收不同的電磁波段，從而削弱地球到外太空的熱輻射，但在不同氣體吸收峰之間存在電磁波高透波段，稱為大氣窗口。常溫下，黑體輻射峰值的波段恰巧處于大氣窗口內，這為以外太空為冷源的輻射冷卻技術提供了有效輻射通道。對于處于環境溫度Tamb的發射體，其吸收的大氣輻照度為［13］

式中：IBB(Tamb，λ)表示溫度為Tamb的黑體熱輻射度，W/m2；?atm(λ，θ)為大氣角譜發射率，是大氣層中各種氣體吸收的綜合作用，一般可以用天空紅外透過率t(λ)計算［14］

但是，由于多數地區無法提供逐時的長波透過率，所以只能根據天空中云量、水蒸氣分壓力和露點溫度來簡單評估大氣平均發射率。如根據空氣中水蒸氣分壓力給出的大氣輻射模型為［15］

式中：p為水蒸氣分壓力，MPa；pb為飽和水蒸氣分壓力，MPa；φ 為相對濕度，%；?(0)為水平方向的大氣發射率；?a為天空中無云時大氣的總發射率。

另外，也有學者根據露點溫度給出大氣輻射模型［16］

式中：Tdp為露點溫度，K。

多云或陰天時，需要根據天空中的云量采用式（11）對上述模型進行修正［17］。

式中：C 為天空中的云量，可以根據天空中的云占天空的面積來估算，從0—10，表示無云到陰天。

1.4 非輻射換熱

非輻射換熱包括發射體與周圍環境的對流和導熱。如果發射體工作溫度高于環境溫度，如光伏冷卻等，非輻射傳熱有利于散熱；如果發射體工作溫度低于環境溫度，如建筑冷卻、低溫冷卻等，非輻射換熱不利于發射體降溫。輻射換熱模型如下

式中：Pcond+conv(Tr，Tamb)為非輻射換熱強度，W/m2；hc為對流和導熱綜合換熱系數，W/（m2?K）。

早期的試驗研究表明，風速對板面非輻射換熱系數的影響可以用風速的線性形式來量化［18］

式中：v為風速，m/s；a，b為系數。

有、無風屏的非輻射換熱系數模型可分別采用式（14）、式（15）計算［19-20］

2 關鍵技術及其冷卻效果

從能量密度看，太陽光的吸收和輻射換熱限制了天空輻射冷卻的實際效果，因此，目前國內外針對天空輻射冷卻的研究主要集中在太陽光反射和中紅外發射2個方面。

2.1 太陽光反射

太陽光反射可通過金屬層反射、微納顆粒散射和多孔散射等方式實現，從而降低太陽光吸收率，提高天空輻射冷卻效果。

2.1.1 銀涂層反射

金屬銀涂層采用圖2 中內嵌圖（銀涂層與發射體結合）的結構，可反射絕大部分太陽光，使輻射冷卻材料取得較高的太陽光反射率。2014 年，斯坦福大學的Raman 等［21］將銀涂層與多層光子結構結合，取得了97.0%的太陽光反射率和40.1 W/m2的冷卻功率，首次實現了日間輻射冷卻（圖2中綠色曲線），自此，多個團隊將銀涂層與不同發射材料結合，實現了日間輻射冷卻。Kou 等［22］將銀涂層與熔融石英及聚二甲基硅氧烷（PDMS）結合，取得了約96.0%的太陽光反射率和環境溫度下127.0 W/m2的冷卻功率（圖2中紅色曲線）?？屏_拉多大學的Zhai等［23］將銀涂層與SiO2結合，取得了96.0%的太陽光反射率和環境溫度下93.0 W/m2的冷卻功率（圖2中藍色曲線）；同時，該團隊還報道了銀涂層與聚合物結合，即有機玻璃（PMMA）和聚偏氟乙烯（PVDF），實現日間輻射冷卻（圖2中橙色曲線）［24］。

圖2 采用銀涂層的不同輻射冷卻材料太陽光反射光譜［21-24］Fig.2 Solar reflection spectra of different radiative cooling materials with silver coatings［21-24］

2.1.2 微納顆粒散射

此類反射利用太陽光吸收系數較小的微納顆粒，通過調控顆粒粒徑、填充系數等參數，可有效提高太陽光反向散射效率，進而提高輻射冷卻材料的太陽光反射率。Huang 等［25］模擬分析TiO2顆粒嵌入丙烯酸樹脂的太陽光反射性能，由于TiO2在紫外波段有較高的吸收系數，且丙烯酸樹脂會吸收部分近紅外線，所提出的TiO2嵌入膜僅能取得約90.0%的太陽光反射率（圖3 中橙色曲線）；Ao 等［26］將NaZnPO4顆粒嵌入異丙醇，由于異丙醇吸收部分近紅外線，制備的NaZnPO4嵌入膜僅能取得約93.0%的太陽光反射率（圖3 中綠色曲線）；鑒于有機基底吸收太陽光中的近紅外線，Bao 等［20］采用無基底的TiO2涂層（約10 μm 厚）散射太陽光，但由于TiO2的紫外吸收以及所用TiO2涂層厚度不足，僅取得了90.7%的太陽光反射率（圖3 中紅色曲線），在濕度較大的上海地區，該材料無法取得實際冷卻效果；Atiganyanun 等［27］采用無基底的SiO2涂層散射太陽光，采用厚500 μm、粒徑為2 μm 的SiO2涂層（填充系數為60%），可取得97.0%的太陽光反射率（圖3中藍色曲線）。

圖3 顆粒嵌入輻射冷卻材料太陽光反射光譜Fig.3 Solar reflection spectra of particle embedded radiative cooling materials

2.1.3 多孔散射

多孔結構散射太陽光的機理與微納顆粒相近，但該形式降低了對微納顆粒的依賴，拓寬了可用材料范圍，進而可制備成本較低的輻射冷卻材料，推動天空輻射冷卻技術的實際應用。Li 等［28］提出輻射冷卻木材，以此來控制多孔纖維素結構有效散射太陽光（圖4 中橙色曲線），總太陽光反射率高達96.0%，可實現全天24 h的輻射冷卻；Mandal等［29］采用反相法制備分級多孔聚合物膜（PVDF-HFP），通過分布在0.2μm 和5.0μm 附近的孔隙分別散射太陽光中短波（紫外線和可見光）和近紅外線，300μm厚的分級多孔聚合物膜能取得96.0%的太陽光反射率（圖4 中紅色曲線），而當厚度達到800 μm 時，多孔聚合物膜能取得99.0%的太陽光反射率；Wang等［30］利用靜電紡絲技術，制備了PVDF 和四乙氧基硅烷復合多孔膜，300μm 厚的多孔聚合物膜能達到約97.0%的太陽光反射率（圖4 中藍色曲線）；Yang等［31］將煅燒的聚四氟乙烯（PTFE）平鋪于銀涂層表面，只需240 μm 厚的銀底多孔PTFE 膜就能取得99.1%的太陽光反射率（圖4 中綠色曲線），但由于多孔結構表面粗糙，鍍銀難度較大，從而限制了銀底多孔PTFE膜的實際應用。

圖4 多孔散射輻射冷卻材料太陽光反射光譜Fig.4 Solar reflection spectra of porous scattering radiative cooling materials

2.2 中紅外發射

根據中紅外發射光譜是否集中分布在大氣窗口（8～13μm 波段）內，可將發射體分為選擇性發射體和廣譜發射體。研究表明，選擇性發射體在低溫輻射冷卻領域優勢較大，而廣譜發射體在環境溫度附近的冷卻功率更大。

2.2.1 選擇性發射體

2010年，Gentle等［32］將SiO2和SiC顆粒嵌入聚乙烯膜，從而制備了SiO2和SiC 嵌入的選擇性發射體（如圖5a所示），中紅外發射光譜如圖6中黑色曲線。但由于SiC 顆粒吸收太陽光，限制了SiO2和SiC 混合嵌入膜在日間輻射冷卻領域的應用。2014 年，Fan等［21］提出由SiO2和二氧化鉿（HfO2）組成的多層光子結構（如圖5b所示），但該多層光子結構在大氣窗口內發射率較低，不到70%（圖6中綠色曲線），在非輻射換熱系數約為6.9 W/（m2·K）的環境中，僅取得了4.9 K 的日間輻射冷卻溫降。2015 年，Hossain 等［33］提出由鋁和鍺組成的錐形超材料（如圖5c所示），在大氣窗口內取得了約80%的紅外發射率（圖6 中藍色曲線），但由于鍺層吸收太陽光，限制了其在日間輻射冷卻領域的應用。2016年，Chen等［34］提出由氮化硅和硅單層組成的光子結構制備選擇性發射體，但該光子結構在大氣窗口內發射率較低（圖6 中橙色曲線），通過采用外遮陽和近真空處理（非輻射換熱系數僅為0.2 W/（m2·K）），取得了平均37 K 的冷卻溫降。

圖5 選擇性發射體結構示意Fig.5 Structure of selective emitters

圖6 選擇性輻射冷卻材料中紅外發射光譜Fig.6 Mid-IR emission spectra of selective radiative cooling materials

2.2.2 廣譜發射體

2017 年，Kou 等［22］采用PDMS 涂層增強熔融石英的中紅外發射率，實現近黑體的紅外發射（圖8中綠色曲線），取得了環境溫度下127.0 W/m2的冷卻功率。同年，Zhai 等［23］提出的SiO2顆粒嵌入的聚甲基戊烯（TPX）的超材料（如圖7a 所示），取得了大氣窗口內93%的紅外發射率（圖8中橙色曲線）和環境溫度下93.0 W/m2的冷卻功率。2018 年，Mandal等［29］采用多孔結構提高聚合物材料中紅外發射率（如圖7b所示），取得了大氣窗口內97%的紅外發射率（圖8 中藍色曲線）和環境溫度下96.0 W/m2的冷卻功率。2019 年，Aili 等［24］采用的PMMA 和PVDF膜以及本團隊提出的透明環氧樹脂［35］（如圖7c 所示），均取得了較高的中紅外發射率及輻射冷卻效果。但普通聚合物在大氣窗口的紅外發射率（圖8中灰色和土黃色曲線）相對較低，而采用多孔結構能有效提高中紅外發射率（圖8中藍色曲線）。

圖7 廣譜發射體結構示意Fig.7 Structure of broad-spectrum emitters

圖8 廣譜輻射冷卻材料中紅外發射光譜Fig.8 Mid-IR emission spectra of broad-spectrum radiative cooling materials

根據大氣窗口內外的中紅外發射率，可以將目前提出的輻射冷卻材料進行分類，適用于不同領域［36］，如圖9 所示。主要領域包括：能量收集（Energy Harvesting，EH）、低溫冷卻（Cryogenic Cooling，CC）、建筑冷卻（Building Cooling，BC）和光伏冷卻（Photovoltaic Cooling，PC）。主要材料包括：納米顆?；旌喜牧希∟anoparticle Mixture Material，NPM）（2010 年）［32］、2D 光子材料（2013 年）［37］、1D 光子材料（2014 年）［21］、超材料（Metamaterial，MM）（2015 年）［38］、聚合物（Polymer）（2015 年）［39］、1D 光子材料（2016 年）［34］、超表面（Metasurface）（2017年）［40］、MM（2017 年）［23］、NPM（2017 年）［20］、聚合物（Polymer）（2017 年）［22］、2D 光子材料（2018 年）［41］、聚合物（Polymer）（2018 年）［29］、NPM（2018 年）［42］、超表面（Metasurface）（2018 年）［43］、1D 光子材料（2018年）［44］、Al2O3（2019年）［45］。

圖9 輻射冷卻材料的分類［36］Fig.9 Classification of radiative cooling materials［36］

2.3 其他因素

除了上述太陽光反射和中紅外發射2個主要因素，輻射冷卻的效果還受環境因素的影響。首先，物體向外太空輻射能量的多少主要取決于大氣窗口的透明度，大氣窗口透明度越高，物體向外太空輻射的能量越多，自身溫度下降也越大。而大氣窗口的透明度會隨大氣層中水蒸氣的含量變化而明顯改變，水蒸氣的含量越多，大氣窗口的透明度也就越低。多云天氣時，紅外大氣窗口將變為不透明，被動輻射降溫也將失去效果。其次，物體向外太空輻射能量的多少取決于其朝向天空的角度，當物體朝向天頂角的方向時，輻射走過大氣的路徑最短，輻射的效果最好，當物體偏離天頂角時，偏離的角度越大，輻射的效果也就越差。除此之外，被動輻射降溫還受環境中非輻射熱（傳導和對流）的影響，將對流和熱傳導等的影響降到最小時，物體低于環境溫度的輻射冷卻效果最好［46］。

3 應用領域研究現狀

近年來，隨著對天空輻射冷卻機理的探索以及多種形式冷卻材料的發展，天空輻射冷卻技術在節能減排方面得到了廣泛的應用，主要包括建筑冷卻、光伏冷卻、輔助冷源、淡水收集、衣服和發電技術等領域。

3.1 建筑冷卻

對于屋頂面積較大的建筑，在屋頂鋪裝天空輻射冷卻材料能有效降低建筑能耗。如果屋頂的太陽光反射率由目前的10.0%～20.0%提升到60.0%，則建筑制冷能耗將減少20%以上［47］。Zhao 等［48］對比測試了安裝超材料屋頂和普通灰色屋頂建筑的溫度變化，超材料建筑的室內溫度比普通建筑的室內溫度低11.2 ℃，位于美國佛羅里達州奧蘭多的超材料建筑每年在制冷用電上可節省91 kW·h/m2。

除了直接與建筑結合，天空輻射冷卻技術在建筑中的應用主要是通過冷卻工質將冷量輸入空調系統，從而提高系統的制冷能效。Goldstein 等［49］將雙折射率聚合物冷卻材料與盤管集成，制成輻射冷卻模塊并通過板式換熱器與空調系統進行耦合，若60%的屋頂面積采用該輻射模塊，拉斯維加斯一棟3 300 m2的辦公建筑整個夏季可節省電量14.3 MW·h，相當于整個夏季制冷電耗的21%，如圖10所示。由于輻射冷卻模塊在夜間不受太陽輻射的影響，一般會有更大的凈冷卻功率［50］，而此時室內需冷量較低，因此可以將其與蓄冷系統耦合，儲存冷量，日間用冷峰值期間提取冷量接入空調系統，從而最大限度利用輻射冷卻冷量，進一步降低制冷能耗。Zhao 等［19］提出了SiO2嵌入聚合物的冷卻材料與多通道模型集成的冷卻模塊（如圖11所示），使用該模塊對美國菲尼克斯、休斯敦和邁阿密的5 000 m2商業辦公建筑進行能耗模擬（輻射面積為810 m2），制冷系統可節電32%～45%，可見采用蓄冷系統與輻射冷卻模塊結合能進一步提高節能效果，如圖12所示。

圖10 Goldstein等提出的輻射冷卻與空調系統結合方式及試驗效果［49］Fig.10 Combination mode and experimental effect of the radiative cooling integrated with air conditioning system proposed by Goldstein，et al.［49］

圖11 Zhao等提出的輻射冷卻模塊及試驗效果［19］Fig.11 Radiative cooling module and its experimental effect proposed by Zhao，et al.［19］

圖12 輻射冷卻模塊與蓄冷裝置結合［20］Fig.12 Combination of radiative cooling module and cold storage device［20］

3.2 光伏冷卻

光伏板接收的太陽輻射并不能完全轉換成電能，有一部分會轉換成熱能從而加熱電池板，研究表明，硅基光伏板溫度每上升1 ℃，效率就會下降約0.45%，溫度每上升10 ℃，老化速率會翻倍［51］。而輻射冷卻材料在進行冷卻時無需消耗其他能源，因此可以利用輻射冷卻來降低光伏電池運行溫度，延長其壽命。

Zhu 等［51］在硅基光伏電池片上沉積二氧化硅金字塔形光子陣列結構（如圖13a 所示），可以使光伏電池的工作溫度降低18.3 ℃；Long等［52］利用等離子體化學氣相沉積法，設計并制備了SiO2光柵作為光伏電池的冷卻涂層（如圖13b 所示），試驗結果顯示光伏電池板溫度下降了2.0 ℃；Zhu 等［53］指出透明SiO2光子晶體擁有較為優異的紅外發射率，甚至能夠提高光伏板太陽光吸收率（如圖13c 所示），將SiO2光子晶體放置于光伏板的頂部能夠使基板溫度大幅降低（降幅超過13.0 ℃），該研究為輻射冷卻材料在光伏領域的應用提供了新的方向。

圖13 用于光伏冷卻的輻射冷卻材料Fig.13 Radiative cooling materials for photovoltaic cooling

另一方面，Li 等［54］制備了一種由Al2O3，SiN，TiO2和SiO2組成的多層薄膜涂層材料，該涂層能使光伏板溫度降低5.7 ℃以上，但該材料包含40 層薄膜，涂層較厚會影響其太陽光吸收。為解決此問題，Kumar 等［55］通過試驗證明僅SiO2，Si3N4，TiO2這3層薄膜材料便使將光伏板溫度降低1.9 ℃以上，盡管降溫幅度較小，但該材料僅165 nm 厚且具有較高的透射率，能夠將光伏模塊的效率提升1%，具有極高的實用價值。此外，Kumar［56］對上述材料實際應用性能進行試驗與仿真模擬分析，結果表明：在炎熱和干燥的氣候條件下，具有3 層薄膜輻射冷卻層的光伏電池組件在經過25 a的室外運行后效率并未衰減；同時，與單層薄膜材料相比，在30.0 ℃的環境溫度下3 層薄膜材料可使電池板溫度降低5.4 ℃；當環境溫度為45.0 ℃，風速為1 m/s 時，溫度降幅高達6.8 ℃。

3.3 輔助冷源

雖然前人對輻射冷卻技術進行了大量研究，但該技術目前仍不成熟，暫無商用設備投放市場。主要原因在于，與其他主動冷卻技術相比，輻射冷卻的冷卻功率密度相對較低，同時受天氣與環境的影響，因此可以將輻射冷卻技術作為輔助冷源與其他技術手段相結合，以實現更為優異的冷卻效果。

Zeyghami 等［57］通過計算CSP 電廠冷卻系統的補充冷卻負荷與冷卻系統傳熱模型的輻射冷卻熱通量，得到了復合冷卻系統中所需的輻射冷卻結構面積，供冷系統如圖14a所示。模擬計算結果表明，理想工作條件下輻射冷卻結構能提供135.0 W/m2的補充冷卻功率。另一方面，Zhao 等［58］設計了一種輻射冷卻輔助熱電冷卻系統（如圖14b 所示），超材料薄膜制成的輻射冷卻結構能夠全天不間斷冷卻。試驗結果表明，輻射冷卻結構的制冷量在日間與夜間分別占復合冷卻系統的55%與45%。

圖14 輻射冷卻作為輔助冷源的供冷系統Fig.14 Cooling system taking radiative cooling as auxiliary cooling source

此外，輻射冷卻技術還能與其他非冷卻技術相結合來實現多功能能源結構。Hu 等［59］將硅基太陽能選擇性吸收層與聚對苯二甲酸（PET）相結合（如圖15a所示），制備的復合材料在太陽輻射和大氣窗口波長中具有高光譜吸收率（發射率）。測試結果表明，該系統的加熱效率為86.4%，夜間最大輻射冷卻功率為50.3 W/m2，具有較優異的全天工作能力。Vall等［60］提出將自適應覆蓋層與太陽能集熱和輻射冷卻技術相結合，如圖15b 所示。試驗結果表明，復合系統日間的加熱功率峰值達583.0 W/m2，夜間冷卻功率峰值為33.0 W/m2，該研究為太陽能集熱/輻射冷卻復合系統的實際應用提供了新的思路。

圖15 輻射冷卻-太陽能熱利用復合系統Fig.15 A system combined radiative cooling with solar heat collection

3.4 淡水收集

當物體的溫度低于露點溫度時，其表面會凝結露水，因此，可以利用天空輻射冷卻大氣中的水汽，收集淡水。從20個世紀開始，相關研究就利用夜間天空輻射冷卻大氣中的水汽［61］。Beysens［62］等對不同夜間輻射冷卻材料在不同地區收集大氣中凝結水的效果進行了長時間測試，結果表明產水量和環境因素相關，測試地區每晚的最大產水量小于0.5 L/m2。Li等［63］對太陽能光伏電池板在夜間用于凝結露水進行了理論模擬，結果表明，迪拜地區的光伏板每周平均能獲得261 mL/m2的液態水，這些水足夠清潔光伏板。Zhou等［64］采用PDMS和銀涂層作為輻射冷卻材料，在直射太陽光下可實現8 ℃的最大溫降，采用該材料設計了如圖16所示的大氣水回收裝置，該裝置在中午可以收集10.0 mL/（m2·h）的水，白天的集水率約為0.2 L/（m2·d）。

圖16 利用輻射冷卻技術收集淡水［64］Fig.16 Fresh water harvesting by radiative cooling technology［64］

3.5 衣服

人體皮膚熱輻射主要處于7～14μm 波段，人體與周圍環境的輻射換熱占總散熱量的40%以上，所以將冷卻材料用于衣物紡織品，炎熱天氣時可提供足夠的冷量，從而節約能源。

聚乙烯材料具有優異的中紅外透明性以及可見光低透性［65］，是目前研究最為廣泛的紡織品輻射冷卻材料。Peng 等［66］將納米多孔聚乙烯超細纖維作為基礎材料，制備如棉布般柔軟的機織織物，如圖17a所示，其實物如圖17b所示。該紡織物可使室內測試物體溫度降低2.3 ℃，相當于節約了20%的制冷能耗。在此基礎上，Cai 等［67］將納米氧化鋅顆粒嵌入納米多孔聚乙烯材料，開發了用于室外環境中人體輻射冷卻的納米復合織物，如圖17c 所示。該材料具有超過90.0%的太陽光反射率和人體熱輻射透過率，測試結果表明，該納米復合織物能將人體皮膚溫度上升幅度控制在10.0 ℃以內，相當于超過200.0 W/m2的冷卻功率。

圖17 輻射冷卻衣服材料Fig.17 Radiative cooling clothing materials

3.6 發電技術

天空輻射冷卻技術還可用于產生電能。Raman等［68］將天空輻射冷卻技術與熱電技術結合，將輻射體作為熱電材料冷端，空氣作為熱電材料熱端，利用冷端和熱端的溫度梯度發電，系統如圖18a所示。該系統實現了夜間25 mW/m2的發電量，可以驅動發光二極管（LED）照明。除此之外，輻射冷卻技術還可與濕電技術結合，通過輻射冷卻技術降低溫度，從而提高相對濕度，利用水蒸氣驅動LED 照明（如圖18b所示），為解決偏遠地區夜間照明問題提供了有效途徑［69］。Fan 等［70］從理論上分析了以宇宙空間為冷源、地球為熱源進行發電或做功的上限。目前，基于天空輻射冷卻的發電技術性能還有較大優化空間，隨著技術的成熟將會有更多的應用場景。

圖18 基于天空輻射冷卻的發電技術Fig.18 Power generation technology based on radiative sky cooling

4 碳中和應用場景及展望

4.1 建筑領域

據統計，冷卻系統消耗了全球15%的電力，排放了全球10%的溫室氣體。這種現狀迫使我們尋找一種能降低建筑供冷能耗的技術，進而切斷能源危機與氣候變暖之間的惡性循環。

對于新建建筑物或屋頂面積較大的工廠，尤其是偏遠地區，適合采用直接輻射冷卻技術，即與建筑物一體化。但天空輻射冷卻建筑一體化應用也存在一些問題，如會導致冬季過度供冷，尤其是供暖時間比較長的高緯度地區，因此，對冷量需求更大的低緯度地區適合發展天空輻射冷卻技術。

然而，由于建筑物屋頂的熱阻較大，直接鋪設在屋頂上的高反射冷卻材料只能部分降低建筑物的冷負荷；同時，對于多層建筑，由于屋頂面積有限，天空輻射冷卻技術不能滿足整體需求，需要輻射冷卻系統可以靈活控制建筑物的冷量輸入。因此，與空調系統耦合的間接方式對于既有多層建筑具有較好的應用前景，適用于晝夜溫差較大的地區。

另外，建筑輻射冷卻材料應用面積較大，而目前金屬反射型輻射體大多數是鏡面反射，眩光會影響人的視覺甚至干擾飛機飛行；多次散射反射型輻射體雖然沒有眩光，但白色外表也容易引起視覺不舒適。為解決日間冷卻材料干擾視覺的問題，可以對建筑冷卻涂料進行廣泛研究，以便大范圍推廣使用。Li 等［28］提出，輻射冷卻木材力學性能良好，是普通木材的8倍，而且可以反射96%的太陽光輻射，可直接作為建筑結構材料，對室內進行降溫。因此，挖掘具有良好輻射冷卻特性與機械強度的結構材料是降低我國建筑能耗的新路徑。

4.2 光伏領域

輻射冷卻材料能在無需其他能耗的情況下有效降低光伏板的工作溫度，提高光電轉化效率，但該技術目前還處于試驗階段，阻礙其實際應用的原因在于：（1）當前研究中并未考慮所選材料的導熱率，導熱率較低將會在實際應用中降低光伏電池的散熱效率；（2）材料成本較高，較長的投資回收期阻礙了該材料的實際應用。因此，未來應從這2 點出發，對提升光伏電池所用輻射冷卻材料的導熱率以及進一步降低其成本進行廣泛研究。

4.3 個人熱管理領域

目前，用于增強人體輻射冷卻的新型紡織物的研究已經較為成熟且擁有大規模推廣使用的潛力，但原料較為昂貴且制備過程較為復雜，成為其實際應用的阻礙。未來還應繼續研究利用簡單原材料代替已有研究中的復雜原材料，以獲得較為優異的輻射冷卻效果；同時，由于聚合物材料耐磨性以及透氣性較差，未來的研究有必要從這2 方面入手進一步提升輻射冷卻材料的各項性能。此外，未來研究還應從汗液浸漬損耗、摩擦損耗、紫外線照射損耗等方面對新型紡織物材料輻射冷卻能力的影響進行深入研究。

5 結束語

全球氣候變化是人類社會面臨的深層次危機，“雙碳”目標的提出彰顯了中國積極應對氣候變化、實現經濟高質量發展的決心，同時給制冷技術未來的發展帶來深遠影響，并將促使其向綠色低碳轉型。利用宇宙冷能的天空輻射冷卻技術不消耗任何能源且不產生環境污染，作為一種完全被動式的冷卻技術極具發展前景，其相關材料的研制與應用將對我國節能減排事業做出巨大貢獻。