碳中和背景下天空輻射冷卻技術(shù)的應(yīng)用

周志華，張吉，張?jiān)骑w，劉俊偉

（1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300350；2.清華大學(xué)建筑學(xué)院，北京100084）

0 引言

CO2等溫室氣體的大量排放導(dǎo)致全球氣溫升高、氣候異常，已嚴(yán)重威脅地球上生物的生存［1］。2020 年，南極氣溫首次突破20 ℃，預(yù)計(jì)到2050 年，酷暑將成為全球常態(tài)［2］。有學(xué)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(huì)升高6.5～7.0 ℃。

我國(guó)作為全球最大的發(fā)展中國(guó)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(guó)政府在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2020 年11 月，《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》［4］中指出，要加快綠色低碳循環(huán)發(fā)展，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色轉(zhuǎn)型。

為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)低碳發(fā)展，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的冷卻方式勢(shì)在必行。傳統(tǒng)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(huì)引發(fā)一系列環(huán)境問題（溫室氣體、臭氧空洞等）。而新興的可再生能源驅(qū)動(dòng)的制冷方式需要復(fù)雜的系統(tǒng)將可再生能源轉(zhuǎn)化為電能或熱能，然后用于制冷，系統(tǒng)效率較低，如水能、風(fēng)能、潮汐能、太陽(yáng)能等驅(qū)動(dòng)的電制冷以及太陽(yáng)能熱制冷（太陽(yáng)能吸收式制冷、太陽(yáng)能吸附式制冷、太陽(yáng)能除濕制冷、太陽(yáng)能蒸汽壓縮式制冷等）；同時(shí)，這些可再生能源均受時(shí)間和地域的限制，如太陽(yáng)能受晝夜的限制，水能、潮汐能受地域的限制，而風(fēng)能受時(shí)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(chǎn)生任何環(huán)境污染的情況下進(jìn)行的被動(dòng)式、可持續(xù)冷卻方式［5］。將外太空（熱力學(xué)溫度為3 K）看做是不受空間和時(shí)間限制的巨大冷源庫(kù)，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(xué)溫度為300 K）的熱量以熱輻射的形式發(fā)射到低溫外太空，與宇宙空間進(jìn)行輻射換熱，從而降低自身溫度并實(shí)現(xiàn)被動(dòng)冷卻［6］。研究表明，輻射冷卻無時(shí)無刻不在進(jìn)行著，地表不斷向外太空發(fā)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(chǎn)和生活需求［7］。

本文首先介紹天空輻射冷卻技術(shù)的基礎(chǔ)理論模型，在此基礎(chǔ)上探討輻射冷卻技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)及冷卻效果，依據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ溲芯楷F(xiàn)狀進(jìn)行分類綜述，最后討論天空輻射冷卻技術(shù)在碳中和背景下的應(yīng)用場(chǎng)景。

1 輻射冷卻技術(shù)理論模型

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

圖1 天空輻射冷卻技術(shù)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(huán)境溫度和發(fā)射體表面的溫度，K；Prad（Tr）為發(fā)射體的中紅外輻射度，W/m2；Psolar，Patm（Tamb）和Pnonrad分別為發(fā)射體吸收的太陽(yáng)光輻照度、大氣輻照度和物體與周圍環(huán)境的非輻射換熱功率，W/m2。

1.1 發(fā)射體熱輻射

熱輻射的大小與構(gòu)成該物質(zhì)的許多電子振蕩和躍遷而釋放的能量密切相關(guān)［9］，而這些電子的振蕩或躍遷與物體的溫度有關(guān)，任何溫度高于絕對(duì)零度的物體均會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生熱輻射。一個(gè)面積為A、溫度為Tr的發(fā)射體的熱輻射度為［10］

式中：A 為發(fā)射體面積，m2；θ 為紅外線發(fā)射角度；λ為紅外線波長(zhǎng)，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(fā)射體的角譜發(fā)射率，可由傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)出［11］。

式中：h 為普朗克常數(shù)，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(shù)，取1.38×10-23J/K。

1.2 太陽(yáng)光吸收

一般情況下，夏季晴朗天空的太陽(yáng)直射強(qiáng)度高達(dá)1 000 W/m2，散射強(qiáng)度也有50～100 W/m2［12］，因此，對(duì)于日間輻射冷卻，必須考慮發(fā)射體吸收太陽(yáng)輻射。面積為A的發(fā)射體吸收的太陽(yáng)光強(qiáng)度為［8］

式中：IAM1.5(λ)為標(biāo)準(zhǔn)地面太陽(yáng)光譜輻照度，W/m2；?(λ，θsun)為發(fā)射體太陽(yáng)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?dú)?、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(nèi)，這為以外太空為冷源的輻射冷卻技術(shù)提供了有效輻射通道。對(duì)于處于環(huán)境溫度Tamb的發(fā)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(fā)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(jì)算［14］

但是，由于多數(shù)地區(qū)無法提供逐時(shí)的長(zhǎng)波透過率，所以只能根據(jù)天空中云量、水蒸氣分壓力和露點(diǎn)溫度來簡(jiǎn)單評(píng)估大氣平均發(fā)射率。如根據(jù)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(duì)濕度，%；?(0)為水平方向的大氣發(fā)射率；?a為天空中無云時(shí)大氣的總發(fā)射率。

另外，也有學(xué)者根據(jù)露點(diǎn)溫度給出大氣輻射模型［16］

式中：Tdp為露點(diǎn)溫度，K。

多云或陰天時(shí)，需要根據(jù)天空中的云量采用式（11）對(duì)上述模型進(jìn)行修正［17］。

式中：C 為天空中的云量，可以根據(jù)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(fā)射體與周圍環(huán)境的對(duì)流和導(dǎo)熱。如果發(fā)射體工作溫度高于環(huán)境溫度，如光伏冷卻等，非輻射傳熱有利于散熱；如果發(fā)射體工作溫度低于環(huán)境溫度，如建筑冷卻、低溫冷卻等，非輻射換熱不利于發(fā)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(qiáng)度，W/m2；hc為對(duì)流和導(dǎo)熱綜合換熱系數(shù)，W/（m2?K）。

早期的試驗(yàn)研究表明，風(fēng)速對(duì)板面非輻射換熱系數(shù)的影響可以用風(fēng)速的線性形式來量化［18］

式中：v為風(fēng)速，m/s；a，b為系數(shù)。

有、無風(fēng)屏的非輻射換熱系數(shù)模型可分別采用式（14）、式（15）計(jì)算［19-20］

2 關(guān)鍵技術(shù)及其冷卻效果

從能量密度看，太陽(yáng)光的吸收和輻射換熱限制了天空輻射冷卻的實(shí)際效果，因此，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)天空輻射冷卻的研究主要集中在太陽(yáng)光反射和中紅外發(fā)射2個(gè)方面。

2.1 太陽(yáng)光反射

太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)，從而降低太陽(yáng)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(nèi)嵌圖（銀涂層與發(fā)射體結(jié)合）的結(jié)構(gòu)，可反射絕大部分太陽(yáng)光，使輻射冷卻材料取得較高的太陽(yáng)光反射率。2014 年，斯坦福大學(xué)的Raman 等［21］將銀涂層與多層光子結(jié)構(gòu)結(jié)合，取得了97.0%的太陽(yáng)光反射率和40.1 W/m2的冷卻功率，首次實(shí)現(xiàn)了日間輻射冷卻（圖2中綠色曲線），自此，多個(gè)團(tuán)隊(duì)將銀涂層與不同發(fā)射材料結(jié)合，實(shí)現(xiàn)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(jié)合，取得了約96.0%的太陽(yáng)光反射率和環(huán)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(xué)的Zhai等［23］將銀涂層與SiO2結(jié)合，取得了96.0%的太陽(yáng)光反射率和環(huán)境溫度下93.0 W/m2的冷卻功率（圖2中藍(lán)色曲線）；同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還報(bào)道了銀涂層與聚合物結(jié)合，即有機(jī)玻璃（PMMA）和聚偏氟乙烯（PVDF），實(shí)現(xiàn)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(yáng)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(yáng)光吸收系數(shù)較小的微納顆粒，通過調(diào)控顆粒粒徑、填充系數(shù)等參數(shù)，可有效提高太陽(yáng)光反向散射效率，進(jìn)而提高輻射冷卻材料的太陽(yáng)光反射率。Huang 等［25］模擬分析TiO2顆粒嵌入丙烯酸樹脂的太陽(yáng)光反射性能，由于TiO2在紫外波段有較高的吸收系數(shù)，且丙烯酸樹脂會(huì)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(yáng)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(yáng)光反射率（圖3 中綠色曲線）；鑒于有機(jī)基底吸收太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)光反射率（圖3 中紅色曲線），在濕度較大的上海地區(qū)，該材料無法取得實(shí)際冷卻效果；Atiganyanun 等［27］采用無基底的SiO2涂層散射太陽(yáng)光，采用厚500 μm、粒徑為2 μm 的SiO2涂層（填充系數(shù)為60%），可取得97.0%的太陽(yáng)光反射率（圖3中藍(lán)色曲線）。

圖3 顆粒嵌入輻射冷卻材料太陽(yáng)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(jié)構(gòu)散射太陽(yáng)光的機(jī)理與微納顆粒相近，但該形式降低了對(duì)微納顆粒的依賴，拓寬了可用材料范圍，進(jìn)而可制備成本較低的輻射冷卻材料，推動(dòng)天空輻射冷卻技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。Li 等［28］提出輻射冷卻木材，以此來控制多孔纖維素結(jié)構(gòu)有效散射太陽(yáng)光（圖4 中橙色曲線），總太陽(yáng)光反射率高達(dá)96.0%，可實(shí)現(xiàn)全天24 h的輻射冷卻；Mandal等［29］采用反相法制備分級(jí)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(yáng)光中短波（紫外線和可見光）和近紅外線，300μm厚的分級(jí)多孔聚合物膜能取得96.0%的太陽(yáng)光反射率（圖4 中紅色曲線），而當(dāng)厚度達(dá)到800 μm 時(shí)，多孔聚合物膜能取得99.0%的太陽(yáng)光反射率；Wang等［30］利用靜電紡絲技術(shù)，制備了PVDF 和四乙氧基硅烷復(fù)合多孔膜，300μm 厚的多孔聚合物膜能達(dá)到約97.0%的太陽(yáng)光反射率（圖4 中藍(lán)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(yáng)光反射率（圖4 中綠色曲線），但由于多孔結(jié)構(gòu)表面粗糙，鍍銀難度較大，從而限制了銀底多孔PTFE膜的實(shí)際應(yīng)用。

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

2.2 中紅外發(fā)射

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

2.2.1 選擇性發(fā)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(fā)射體（如圖5a所示），中紅外發(fā)射光譜如圖6中黑色曲線。但由于SiC 顆粒吸收太陽(yáng)光，限制了SiO2和SiC 混合嵌入膜在日間輻射冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用。2014 年，F(xiàn)an等［21］提出由SiO2和二氧化鉿（HfO2）組成的多層光子結(jié)構(gòu)（如圖5b所示），但該多層光子結(jié)構(gòu)在大氣窗口內(nèi)發(fā)射率較低，不到70%（圖6中綠色曲線），在非輻射換熱系數(shù)約為6.9 W/（m2·K）的環(huán)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(nèi)取得了約80%的紅外發(fā)射率（圖6 中藍(lán)色曲線），但由于鍺層吸收太陽(yáng)光，限制了其在日間輻射冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用。2016年，Chen等［34］提出由氮化硅和硅單層組成的光子結(jié)構(gòu)制備選擇性發(fā)射體，但該光子結(jié)構(gòu)在大氣窗口內(nèi)發(fā)射率較低（圖6 中橙色曲線），通過采用外遮陽(yáng)和近真空處理（非輻射換熱系數(shù)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(fā)射體結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of selective emitters

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

2.2.2 廣譜發(fā)射體

2017 年，Kou 等［22］采用PDMS 涂層增強(qiáng)熔融石英的中紅外發(fā)射率，實(shí)現(xiàn)近黑體的紅外發(fā)射（圖8中綠色曲線），取得了環(huán)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(nèi)93%的紅外發(fā)射率（圖8中橙色曲線）和環(huán)境溫度下93.0 W/m2的冷卻功率。2018 年，Mandal等［29］采用多孔結(jié)構(gòu)提高聚合物材料中紅外發(fā)射率（如圖7b所示），取得了大氣窗口內(nèi)97%的紅外發(fā)射率（圖8 中藍(lán)色曲線）和環(huán)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(tuán)隊(duì)提出的透明環(huán)氧樹脂［35］（如圖7c 所示），均取得了較高的中紅外發(fā)射率及輻射冷卻效果。但普通聚合物在大氣窗口的紅外發(fā)射率（圖8中灰色和土黃色曲線）相對(duì)較低，而采用多孔結(jié)構(gòu)能有效提高中紅外發(fā)射率（圖8中藍(lán)色曲線）。

圖7 廣譜發(fā)射體結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structure of broad-spectrum emitters

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

根據(jù)大氣窗口內(nèi)外的中紅外發(fā)射率，可以將目前提出的輻射冷卻材料進(jìn)行分類，適用于不同領(lǐng)域［36］，如圖9 所示。主要領(lǐng)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(yáng)光反射和中紅外發(fā)射2個(gè)主要因素，輻射冷卻的效果還受環(huán)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(huì)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(shí)，紅外大氣窗口將變?yōu)椴煌该?，被?dòng)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(dāng)物體朝向天頂角的方向時(shí)，輻射走過大氣的路徑最短，輻射的效果最好，當(dāng)物體偏離天頂角時(shí)，偏離的角度越大，輻射的效果也就越差。除此之外，被動(dòng)輻射降溫還受環(huán)境中非輻射熱（傳導(dǎo)和對(duì)流）的影響，將對(duì)流和熱傳導(dǎo)等的影響降到最小時(shí)，物體低于環(huán)境溫度的輻射冷卻效果最好［46］。

3 應(yīng)用領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

近年來，隨著對(duì)天空輻射冷卻機(jī)理的探索以及多種形式冷卻材料的發(fā)展，天空輻射冷卻技術(shù)在節(jié)能減排方面得到了廣泛的應(yīng)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(fā)電技術(shù)等領(lǐng)域。

3.1 建筑冷卻

對(duì)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?shù)奶?yáng)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(duì)比測(cè)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(nèi)溫度比普通建筑的室內(nèi)溫度低11.2 ℃，位于美國(guó)佛羅里達(dá)州奧蘭多的超材料建筑每年在制冷用電上可節(jié)省91 kW·h/m2。

除了直接與建筑結(jié)合，天空輻射冷卻技術(shù)在建筑中的應(yīng)用主要是通過冷卻工質(zhì)將冷量輸入空調(diào)系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)進(jìn)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(gè)夏季可節(jié)省電量14.3 MW·h，相當(dāng)于整個(gè)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(yáng)輻射的影響，一般會(huì)有更大的凈冷卻功率［50］，而此時(shí)室內(nèi)需冷量較低，因此可以將其與蓄冷系統(tǒng)耦合，儲(chǔ)存冷量，日間用冷峰值期間提取冷量接入空調(diào)系統(tǒng)，從而最大限度利用輻射冷卻冷量，進(jìn)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(duì)美國(guó)菲尼克斯、休斯敦和邁阿密的5 000 m2商業(yè)辦公建筑進(jìn)行能耗模擬（輻射面積為810 m2），制冷系統(tǒng)可節(jié)電32%～45%，可見采用蓄冷系統(tǒng)與輻射冷卻模塊結(jié)合能進(jìn)一步提高節(jié)能效果，如圖12所示。

圖10 Goldstein等提出的輻射冷卻與空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合方式及試驗(yàn)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(yàn)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(jié)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(yáng)輻射并不能完全轉(zhuǎn)換成電能，有一部分會(huì)轉(zhuǎn)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(huì)下降約0.45%，溫度每上升10 ℃，老化速率會(huì)翻倍［51］。而輻射冷卻材料在進(jìn)行冷卻時(shí)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(yùn)行溫度，延長(zhǎng)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(jié)構(gòu)（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(xué)氣相沉積法，設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)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(yōu)異的紅外發(fā)射率，甚至能夠提高光伏板太陽(yáng)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(lǐng)域的應(yīng)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(huì)影響其太陽(yáng)光吸收。為解決此問題，Kumar 等［55］通過試驗(yàn)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?qū)⒐夥K的效率提升1%，具有極高的實(shí)用價(jià)值。此外，Kumar［56］對(duì)上述材料實(shí)際應(yīng)用性能進(jìn)行試驗(yàn)與仿真模擬分析，結(jié)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(jīng)過25 a的室外運(yùn)行后效率并未衰減；同時(shí)，與單層薄膜材料相比，在30.0 ℃的環(huán)境溫度下3 層薄膜材料可使電池板溫度降低5.4 ℃；當(dāng)環(huán)境溫度為45.0 ℃，風(fēng)速為1 m/s 時(shí)，溫度降幅高達(dá)6.8 ℃。

3.3 輔助冷源

雖然前人對(duì)輻射冷卻技術(shù)進(jìn)行了大量研究，但該技術(shù)目前仍不成熟，暫無商用設(shè)備投放市場(chǎng)。主要原因在于，與其他主動(dòng)冷卻技術(shù)相比，輻射冷卻的冷卻功率密度相對(duì)較低，同時(shí)受天氣與環(huán)境的影響，因此可以將輻射冷卻技術(shù)作為輔助冷源與其他技術(shù)手段相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更為優(yōu)異的冷卻效果。

Zeyghami 等［57］通過計(jì)算CSP 電廠冷卻系統(tǒng)的補(bǔ)充冷卻負(fù)荷與冷卻系統(tǒng)傳熱模型的輻射冷卻熱通量，得到了復(fù)合冷卻系統(tǒng)中所需的輻射冷卻結(jié)構(gòu)面積，供冷系統(tǒng)如圖14a所示。模擬計(jì)算結(jié)果表明，理想工作條件下輻射冷卻結(jié)構(gòu)能提供135.0 W/m2的補(bǔ)充冷卻功率。另一方面，Zhao 等［58］設(shè)計(jì)了一種輻射冷卻輔助熱電冷卻系統(tǒng)（如圖14b 所示），超材料薄膜制成的輻射冷卻結(jié)構(gòu)能夠全天不間斷冷卻。試驗(yàn)結(jié)果表明，輻射冷卻結(jié)構(gòu)的制冷量在日間與夜間分別占復(fù)合冷卻系統(tǒng)的55%與45%。

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

此外，輻射冷卻技術(shù)還能與其他非冷卻技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)多功能能源結(jié)構(gòu)。Hu 等［59］將硅基太陽(yáng)能選擇性吸收層與聚對(duì)苯二甲酸（PET）相結(jié)合（如圖15a所示），制備的復(fù)合材料在太陽(yáng)輻射和大氣窗口波長(zhǎng)中具有高光譜吸收率（發(fā)射率）。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)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(yōu)異的全天工作能力。Vall等［60］提出將自適應(yīng)覆蓋層與太陽(yáng)能集熱和輻射冷卻技術(shù)相結(jié)合，如圖15b 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合系統(tǒng)日間的加熱功率峰值達(dá)583.0 W/m2，夜間冷卻功率峰值為33.0 W/m2，該研究為太陽(yáng)能集熱/輻射冷卻復(fù)合系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了新的思路。

圖15 輻射冷卻-太陽(yáng)能熱利用復(fù)合系統(tǒng)Fig.15 A system combined radiative cooling with solar heat collection

3.4 淡水收集

當(dāng)物體的溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，其表面會(huì)凝結(jié)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(gè)世紀(jì)開始，相關(guān)研究就利用夜間天空輻射冷卻大氣中的水汽［61］。Beysens［62］等對(duì)不同夜間輻射冷卻材料在不同地區(qū)收集大氣中凝結(jié)水的效果進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，結(jié)果表明產(chǎn)水量和環(huán)境因素相關(guān)，測(cè)試地區(qū)每晚的最大產(chǎn)水量小于0.5 L/m2。Li等［63］對(duì)太陽(yáng)能光伏電池板在夜間用于凝結(jié)露水進(jìn)行了理論模擬，結(jié)果表明，迪拜地區(qū)的光伏板每周平均能獲得261 mL/m2的液態(tài)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(yáng)光下可實(shí)現(xiàn)8 ℃的最大溫降，采用該材料設(shè)計(jì)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(shù)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(huán)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(shí)可提供足夠的冷量，從而節(jié)約能源。

聚乙烯材料具有優(yōu)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(xì)纖維作為基礎(chǔ)材料，制備如棉布般柔軟的機(jī)織織物，如圖17a所示，其實(shí)物如圖17b所示。該紡織物可使室內(nèi)測(cè)試物體溫度降低2.3 ℃，相當(dāng)于節(jié)約了20%的制冷能耗。在此基礎(chǔ)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(fā)了用于室外環(huán)境中人體輻射冷卻的納米復(fù)合織物，如圖17c 所示。該材料具有超過90.0%的太陽(yáng)光反射率和人體熱輻射透過率，測(cè)試結(jié)果表明，該納米復(fù)合織物能將人體皮膚溫度上升幅度控制在10.0 ℃以內(nèi)，相當(dāng)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(fā)電技術(shù)

天空輻射冷卻技術(shù)還可用于產(chǎn)生電能。Raman等［68］將天空輻射冷卻技術(shù)與熱電技術(shù)結(jié)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(fā)電，系統(tǒng)如圖18a所示。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了夜間25 mW/m2的發(fā)電量，可以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）照明。除此之外，輻射冷卻技術(shù)還可與濕電技術(shù)結(jié)合，通過輻射冷卻技術(shù)降低溫度，從而提高相對(duì)濕度，利用水蒸氣驅(qū)動(dòng)LED 照明（如圖18b所示），為解決偏遠(yuǎn)地區(qū)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?yàn)闊嵩催M(jìn)行發(fā)電或做功的上限。目前，基于天空輻射冷卻的發(fā)電技術(shù)性能還有較大優(yōu)化空間，隨著技術(shù)的成熟將會(huì)有更多的應(yīng)用場(chǎng)景。

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

4 碳中和應(yīng)用場(chǎng)景及展望

4.1 建筑領(lǐng)域

據(jù)統(tǒng)計(jì)，冷卻系統(tǒng)消耗了全球15%的電力，排放了全球10%的溫室氣體。這種現(xiàn)狀迫使我們尋找一種能降低建筑供冷能耗的技術(shù)，進(jìn)而切斷能源危機(jī)與氣候變暖之間的惡性循環(huán)。

對(duì)于新建建筑物或屋頂面積較大的工廠，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)，適合采用直接輻射冷卻技術(shù)，即與建筑物一體化。但天空輻射冷卻建筑一體化應(yīng)用也存在一些問題，如會(huì)導(dǎo)致冬季過度供冷，尤其是供暖時(shí)間比較長(zhǎng)的高緯度地區(qū)，因此，對(duì)冷量需求更大的低緯度地區(qū)適合發(fā)展天空輻射冷卻技術(shù)。

然而，由于建筑物屋頂?shù)臒嶙栎^大，直接鋪設(shè)在屋頂上的高反射冷卻材料只能部分降低建筑物的冷負(fù)荷；同時(shí)，對(duì)于多層建筑，由于屋頂面積有限，天空輻射冷卻技術(shù)不能滿足整體需求，需要輻射冷卻系統(tǒng)可以靈活控制建筑物的冷量輸入。因此，與空調(diào)系統(tǒng)耦合的間接方式對(duì)于既有多層建筑具有較好的應(yīng)用前景，適用于晝夜溫差較大的地區(qū)。

另外，建筑輻射冷卻材料應(yīng)用面積較大，而目前金屬反射型輻射體大多數(shù)是鏡面反射，眩光會(huì)影響人的視覺甚至干擾飛機(jī)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(duì)建筑冷卻涂料進(jìn)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(xué)性能良好，是普通木材的8倍，而且可以反射96%的太陽(yáng)光輻射，可直接作為建筑結(jié)構(gòu)材料，對(duì)室內(nèi)進(jìn)行降溫。因此，挖掘具有良好輻射冷卻特性與機(jī)械強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料是降低我國(guó)建筑能耗的新路徑。

4.2 光伏領(lǐng)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(zhuǎn)化效率，但該技術(shù)目前還處于試驗(yàn)階段，阻礙其實(shí)際應(yīng)用的原因在于：（1）當(dāng)前研究中并未考慮所選材料的導(dǎo)熱率，導(dǎo)熱率較低將會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中降低光伏電池的散熱效率；（2）材料成本較高，較長(zhǎng)的投資回收期阻礙了該材料的實(shí)際應(yīng)用。因此，未來應(yīng)從這2 點(diǎn)出發(fā)，對(duì)提升光伏電池所用輻射冷卻材料的導(dǎo)熱率以及進(jìn)一步降低其成本進(jìn)行廣泛研究。

4.3 個(gè)人熱管理領(lǐng)域

目前，用于增強(qiáng)人體輻射冷卻的新型紡織物的研究已經(jīng)較為成熟且擁有大規(guī)模推廣使用的潛力，但原料較為昂貴且制備過程較為復(fù)雜，成為其實(shí)際應(yīng)用的阻礙。未來還應(yīng)繼續(xù)研究利用簡(jiǎn)單原材料代替已有研究中的復(fù)雜原材料，以獲得較為優(yōu)異的輻射冷卻效果；同時(shí)，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(jìn)一步提升輻射冷卻材料的各項(xiàng)性能。此外，未來研究還應(yīng)從汗液浸漬損耗、摩擦損耗、紫外線照射損耗等方面對(duì)新型紡織物材料輻射冷卻能力的影響進(jìn)行深入研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

全球氣候變化是人類社會(huì)面臨的深層次危機(jī)，“雙碳”目標(biāo)的提出彰顯了中國(guó)積極應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的決心，同時(shí)給制冷技術(shù)未來的發(fā)展帶來深遠(yuǎn)影響，并將促使其向綠色低碳轉(zhuǎn)型。利用宇宙冷能的天空輻射冷卻技術(shù)不消耗任何能源且不產(chǎn)生環(huán)境污染，作為一種完全被動(dòng)式的冷卻技術(shù)極具發(fā)展前景，其相關(guān)材料的研制與應(yīng)用將對(duì)我國(guó)節(jié)能減排事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)。