天空輻射制冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

郭晨玥 潘浩丹 徐琪皓 王佳云 盛茗峰 趙東亮

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096)

能源危機(jī)與全球變暖是當(dāng)今世界面臨的重大挑戰(zhàn)。目前，制冷能耗約占全球建筑總用電量的20%，占全球總用電量的10%[1]。提高現(xiàn)有制冷系統(tǒng)效率和探索新型制冷技術(shù)成為目前亟待開展的工作。天空輻射制冷技術(shù)是指地球表面物體通過“大氣窗口”波段(主要在8～13 μm)向宇宙發(fā)射紅外輻射以實(shí)現(xiàn)自身降溫的過程。由于宇宙背景近乎一個溫度為2.7 K的理想黑體光譜[2]，而地球表面平均溫度約為290 K，因此地球向宇宙的紅外輻射可用于冷卻地球表面物體[3]。

傳統(tǒng)的輻射制冷材料及其應(yīng)用僅限于夜間，這是由于材料在白天對太陽輻射的吸收抵消了其紅外輻射的制冷量。近幾年，隨著納米光子學(xué)和超材料領(lǐng)域的發(fā)展，新型光譜選擇性輻射制冷材料得到迅速發(fā)展，這些新型輻射制冷材料在太陽輻射波段具有高反射率，同時在“大氣窗口”波段具有高發(fā)射率，可實(shí)現(xiàn)全天輻射制冷。作為一種無需能量輸入的制冷技術(shù)，天空輻射制冷可為應(yīng)對能源危機(jī)及全球變暖提供一種新的思路。

本文在已有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，對天空輻射制冷技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的回顧，涉及基本原理、材料與結(jié)構(gòu)，分析了其潛在應(yīng)用前景，同時總結(jié)了輻射制冷應(yīng)用的創(chuàng)新性擴(kuò)展以及當(dāng)前研究熱點(diǎn)，如動態(tài)輻射制冷材料、顏色多樣性輻射制冷材料以及與其他技術(shù)的綜合應(yīng)用等，并重點(diǎn)討論了目前應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，可為后續(xù)天空輻射制冷技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用提供參考。

1 天空輻射制冷原理

地表和大氣層吸收太陽輻射，同時也會以紅外輻射的形式向外太空輻射能量，這兩者之間的平衡決定了地表的平均溫度(如圖1(a))。由于各類大氣分子、氣溶膠以及云的散射和吸收作用，太陽輻射(0.3～2.5 μm)會沿傳播路徑逐漸衰減。同時，地表紅外輻射(2.5～50 μm)在通過大氣層時也會發(fā)生吸收和散射，僅有一部分可以穿透大氣層進(jìn)入外太空，該部分可以穿透大氣層的輻射波段即“大氣窗口”波段(主要在8～13 μm)，其輻射能即為天空輻射制冷的冷量來源。

“大氣窗口”的產(chǎn)生是由于大氣層由多種氣體組成，包含紅外光譜吸收性氣體，如水蒸氣、CO2和臭氧等，基于不同氣體的綜合作用，大氣輻射主要集中在中紅外波段，但如圖1(b)所示，大氣輻射在8～13 μm波段內(nèi)是高度透明的，表現(xiàn)出明顯的光譜選擇性。為使熱量可以通過“大氣窗口”釋放到宇宙中，需要最大程度地增加被制冷物體通過“大氣窗口”的紅外熱輻射。由于熱輻射與構(gòu)成物質(zhì)的電子的振蕩和躍遷而釋放的能量密切相關(guān)[4]，故熱輻射的波長主要取決于輻射體的材料共振頻率和溫度。目前輻射制冷材料主要為熱輻射波長被調(diào)制到“大氣窗口”波段的光譜選擇性輻射體或整個中紅外波段(即4 μm以上)的寬譜輻射體。但在“大氣窗口”波段外對大氣輻射的額外吸收限制了寬譜輻射體在白天的冷卻性能，因此選擇性輻射體在白天應(yīng)用更具潛力。

輻射制冷過程中輻射體表面能量平衡如圖1(c)所示，其中Prad表示輻射體表面的熱輻射，Psolar表示吸收的太陽輻射，Patm表示吸收的大氣輻射，Pnon-radiative表示非輻射損耗。根據(jù)能量平衡理論，輻射體表面的凈輻射制冷功率可表示為[5]：

Pnet-cooling=Prad-Patm-Psolar-Pnon-radiative

(1)

日間輻射制冷由于陽光照射會導(dǎo)致輻射體表面溫度升高，故輻射制冷材料需要對太陽輻射有很高的反射率(一般大于0.9)。大氣質(zhì)量系數(shù)(air mass，AM)常用來表征太陽光穿過大氣層后的太陽光譜，定義為直接穿過大氣層的光程長度。標(biāo)準(zhǔn)的太陽平均輻照度通常由AM1.5太陽光譜表示，具體分布如圖1(b)所示。為保證輻射制冷效果，至少須反射90%的入射陽光[5]。輻射體表面太陽反射率的微小變化，會對材料的輻射制冷性能產(chǎn)生顯著影響[6-7]。

輻射制冷過程中，由于輻射體的溫度低于周圍環(huán)境空氣的溫度，周圍環(huán)境會通過導(dǎo)熱和對流向輻射體進(jìn)行傳熱，即非輻射損耗。輻射體的制冷量損耗不僅與環(huán)境風(fēng)速和溫度等因素有關(guān)，也與裝置的保溫性能有關(guān)，為簡化該過程，多數(shù)研究采用總傳熱系數(shù)K來表征非輻射損耗，可表示為：

Pnon-radiative=KA(Tamb-Ts)

(2)

式中：K為導(dǎo)熱和對流總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為輻射體面積，m2；Tamb為環(huán)境溫度，K；Ts為輻射體表面溫度，K。

圖1 輻射制冷基本原理Fig. 1 Fundamental principles of radiative cooling

2 天空輻射制冷材料與結(jié)構(gòu)

基于輻射制冷原理，材料的光譜選擇性輻射特性對實(shí)現(xiàn)高效輻射制冷至關(guān)重要。從發(fā)展歷程看，夜間輻射制冷自20世紀(jì)中葉起已有較多研究。但這些夜間輻射制冷材料難以同時滿足在“大氣窗口”波段具有高發(fā)射率，且對太陽輻射具有高反射率，因此限制了其在白天的應(yīng)用。隨著研究的深入，目前已設(shè)計出新材料或結(jié)構(gòu)可用于全天輻射制冷。本節(jié)對夜間和日間輻射制冷材料進(jìn)行了回顧，并對動態(tài)輻射制冷材料的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

2.1 夜間輻射制冷材料

夜間輻射制冷指在夜間達(dá)到低于環(huán)境溫度的冷卻，寬譜和選擇性輻射材料均可實(shí)現(xiàn)這一功能。夜間輻射制冷材料一般可分為：1)聚合物：PMMA[9]、PVC、PPO樹脂[10]和其他復(fù)合高分子材料；2)無機(jī)薄膜：一氧化硅[11]、二氧化硅[12]、氮氧化硅[13]和各類涂料(如TiO2、BaSO4等)[14]；3)氣體：氨[15]、環(huán)氧乙烷[15]、乙烯[16]或這些氣體的混合物。

基于聚合物的夜間輻射制冷材料可由少量聚合物涂層以及下方的金屬層組成[17]。聚合物涂層由紅外透射聚合物與納米粒子混合制備，通過改變納米粒子的濃度，可在整個“大氣窗口”內(nèi)調(diào)整吸收光譜[18]。由硅基氮化物、氮氧化物和氧化物制造的無機(jī)薄膜可在中紅外波段實(shí)現(xiàn)高發(fā)射率[19]。氣體通過分子拉伸和旋轉(zhuǎn)使分子在“大氣窗口”波段內(nèi)具有強(qiáng)烈的紅外吸收，使用氣體作為工質(zhì)的輻射制冷裝置具有無需額外傳熱流體的優(yōu)勢[15]。

2.2 日間輻射制冷材料

由于太陽輻射能量密度約為輻射制冷能量密度的10倍[20]，這給輻射制冷的日間應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。近年來，得益于微納技術(shù)研究的進(jìn)展，使新型輻射制冷材料如光學(xué)薄膜材料[21-24]、超材料及超表面[25-26]、光子晶體[27-30]等既具有高太陽光譜反射率，又在“大氣窗口”波段具有高發(fā)射率的材料，得以實(shí)現(xiàn)日間輻射制冷。

以光子材料和超材料為代表的納米光學(xué)材料為日間輻射制冷的光學(xué)性質(zhì)設(shè)計提供了新思路。由于具有周期性的多層膜結(jié)構(gòu)光子晶體可強(qiáng)化“大氣窗口”波段的發(fā)射能力，A.P.Raman等[5]研究了由7層SiO2和HfO2組成的光子晶體以實(shí)現(xiàn)白天低于環(huán)境溫度的日間輻射制冷，如圖2(a)所示，該材料可反射97%的入射陽光，并在“大氣窗口”波段具有高發(fā)射率，在超過850 W/m2的直射陽光下冷卻功率可達(dá)到40.1 W/m2。

上述多層膜結(jié)構(gòu)材料雖具有較好的冷卻性能，但加工難度及成本限制了其廣泛應(yīng)用。近年來，聚合物輻射制冷材料受到廣泛關(guān)注，如PET[29]、PVF[31]、PDMS[23]、PMMA[32]等。Zhai Yao等[33]提出了一種如圖2(b)所示的可卷對卷制造的低成本聚合物-顆粒物超材料。嵌入聚合物中的SiO2顆粒通過高階Fr?hlich共振增強(qiáng)紅外發(fā)射[34]，該超材料在“大氣窗口”波段的紅外發(fā)射率可達(dá)到0.93，在正午實(shí)現(xiàn)了93 W/m2的冷卻功率。此外，采用溫度誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)化工藝制備的多孔聚乙烯冷卻布也可兼容卷對卷生產(chǎn)技術(shù)[35]。

圖2 日間輻射制冷材料Fig. 2 Daytime radiative cooling materials

目前，大多數(shù)基于聚合物的輻射制冷材料仍然依靠高反射金屬層來確保日間輻射制冷性能，但這限制了其應(yīng)用靈活性，也增加了成本。為解決預(yù)制輻射制冷材料不能直接應(yīng)用于各種紋理和形狀表面的缺點(diǎn)，如圖2(c)所示，J. Mandal等[36]采用相轉(zhuǎn)化工藝制備分層多孔P(VdF-HFP)HP輻射制冷涂層，其孔隙結(jié)構(gòu)利用了空氣與聚合物之間的折射率不匹配這一特點(diǎn)強(qiáng)化了光的散射，通過散射可見光和近紅外光，多孔聚合物可以實(shí)現(xiàn)約0.96的太陽光譜反射率和0.97的紅外發(fā)射率，并且可通過嵌入無機(jī)染料顆粒來制備不同顏色的涂層。此外，該課題組還提出將Al2O3和BaSO4顆粒嵌入聚合物涂層可進(jìn)一步提高太陽反射率[37]。

空氣濕度會顯著影響輻射制冷性能。目前大多數(shù)輻射制冷材料是在干燥氣候下進(jìn)行測試的，而在潮濕環(huán)境下“大氣窗口”透射率會急劇下降，因此，開發(fā)適合潮濕地區(qū)的輻射制冷材料仍是一項挑戰(zhàn)。Wang Tong等[38]提出一種分層多孔陣列PMMA薄膜，其表面密堆積微孔陣列，內(nèi)部通過模版法結(jié)合了豐富的隨機(jī)分布納米孔，薄膜表現(xiàn)出0.95的太陽光譜反射率與0.98的中紅外發(fā)射率，即使在潮濕的氣候下也可達(dá)到相對環(huán)境溫度約5.5 ℃的溫降。此外，孔徑與孔隙率也會對輻射制冷特性產(chǎn)生影響，光學(xué)模擬結(jié)果表明混合納米孔在特定厚度下明顯比單一孔徑具有更高的反射率[39]。

現(xiàn)有輻射制冷材料大多為聚合物或無機(jī)薄膜，而木材作為一種可再生材料和碳匯材料，基于其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保優(yōu)勢，拓展其性能將對未來的能源格局產(chǎn)生重要影響。Li Tian等[40]通過去木質(zhì)素和再壓制制造了一種機(jī)械強(qiáng)度為天然木材8倍以上的輻射制冷木材，如圖2(d)所示，基于纖維素納米纖維的低光學(xué)損耗和無序光子結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)全天輻射制冷。

雖然輻射制冷材料的應(yīng)用顯示出極大的節(jié)能潛力，但現(xiàn)有材料大多為白色或銀白色表面，出于美觀等原因并非總是可取的。目前已有研究致力于制造色彩更為豐富的輻射制冷材料[41-42]，雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計可使材料具有所需顏色的同時保證其輻射制冷性能，頂層選擇性吸收與所需顏色互補(bǔ)的可見光并對紅外輻射高度透明，底層則強(qiáng)烈反射透射的紅外輻射，使材料整體表現(xiàn)出高反射率[43]。

除濕度、云量、風(fēng)速等氣候因素[44-45]，表面污染、積水等也會對輻射制冷性能產(chǎn)生顯著影響，針對該問題，已有研究利用飛秒激光刻蝕[46]、模版法[47-48]等方法對輻射材料表面進(jìn)行改進(jìn)使其具有自清潔功能。Liu Bingying等[49]模仿甲蟲、撒哈拉銀蟻和荷葉的結(jié)構(gòu)和功能開發(fā)了一種分層自清潔多孔涂層。Wu Junrui等[46]通過飛秒激光燒蝕技術(shù)制造了具有珊瑚狀微納結(jié)構(gòu)的分層PTFE薄膜，Wang Huidi等[50]開發(fā)了一種由EPDM和疏水性SiO2顆粒組成的多孔復(fù)合膜。即使在高濕度和強(qiáng)陽光照射下，這些材料仍有良好的疏水性、抗破壞性和熱穩(wěn)定性。

2.3 動態(tài)輻射制冷材料

由于靜態(tài)輻射制冷材料不具備自行調(diào)節(jié)紅外輻射的能力，在夜間或非制冷季節(jié)易造成過度冷卻，因此能夠主動或被動響應(yīng)外界變化而動態(tài)調(diào)節(jié)自身光學(xué)性能的智能材料受到廣泛關(guān)注。動態(tài)輻射制冷利用發(fā)射率可變的材料來實(shí)現(xiàn)加熱或冷卻需求變化時紅外輻射的自行調(diào)節(jié)[51]，目前其研究主要包括熱致變色、電致變色和機(jī)械應(yīng)變響應(yīng)等。

熱致變色是指物質(zhì)的顏色隨溫度變化而發(fā)生改變的現(xiàn)象，屬于可逆化學(xué)變化[52]。其中二氧化釩(VO2，相變溫度約為68 ℃)和硫系化合物(GST，相變溫度約為150 ℃)熱致變色材料在相變前為紅外透射率高的半導(dǎo)體態(tài)，相變后為紅外吸收率高的金屬態(tài)[53-54]。Tang Kechao等[55]將WxV1-xO2嵌入到銀膜上層的BaF2介質(zhì)層中，其結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，通過吸收共振的設(shè)計可將材料室溫?zé)岚l(fā)射率從半導(dǎo)體態(tài)的0.20切換至金屬態(tài)的0.90。Xu Ziquan等[56]通過控制激光脈沖的頻率加熱以替代傳統(tǒng)加熱方式，使GST膜發(fā)生非易失性相變和可重構(gòu)性凸起，材料發(fā)射率峰值可在0.1和0.7間切換，該方法為熱輻射控制開辟了新的途徑。

基于氧化鎢(WO3)、聚苯胺(PANI)和石墨烯等具有可見光-紅外電致變色性能材料的器件通常為多層結(jié)構(gòu)，由夾在兩個電極間通過電解液分隔的光學(xué)和電化學(xué)活性層組成，依靠改變外加電位差產(chǎn)生離子或電子的插入/提取，從而改變材料在中紅外和“大氣窗口”波段的光學(xué)性質(zhì)。WO3在質(zhì)子/鋰離子插入下從透明/絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色/金屬狀態(tài)[57]。M.S.Ergoktas等[58]采用如圖3(b)所示的鋰離子插層石墨烯來實(shí)現(xiàn)石墨烯光學(xué)可調(diào)性和非易失性。此外，Xu Gaoping等[59]基于H2SO4摻雜PANI薄膜，構(gòu)建了一種光學(xué)可變和熱管理同時進(jìn)行的雙功能電致變色器件，在8～14 μm波長范圍內(nèi)紅外發(fā)射率變化約為0.4。

圖3 動態(tài)輻射制冷材料Fig. 3 Switchable radiative cooling materials

應(yīng)變響應(yīng)是指通過加載/卸載應(yīng)力動態(tài)改變材料的形貌或結(jié)構(gòu)，從而連續(xù)調(diào)諧材料的光學(xué)性能。A. Krishna等[60]通過施加應(yīng)力來動態(tài)改變石墨烯表面皺褶的間距大小，由于該褶皺可造成光的多次內(nèi)部反射和干涉，使材料表面透射率降低并提高了發(fā)射率。Zhao Huaixia等[61]提出一種基于PDMS涂層的動態(tài)空化冷卻/加熱模式切換材料，在機(jī)械刺激下，PDMS涂層中的亞穩(wěn)態(tài)折痕產(chǎn)生空洞，從透明固體態(tài)可逆地變化至多孔態(tài)，多孔態(tài)可實(shí)現(xiàn)93%的太陽反射和94%的紅外發(fā)射，而透明固體態(tài)則允許95%的太陽光透過以實(shí)現(xiàn)太陽能加熱。

3 輻射制冷技術(shù)的應(yīng)用

雖然目前已有許多可實(shí)現(xiàn)全天輻射制冷的材料，但輻射制冷技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如冷卻功率密度低、裝置和系統(tǒng)的開發(fā)尚不完全成熟等[62]。本節(jié)回顧了輻射制冷技術(shù)現(xiàn)有的及正在探索的應(yīng)用領(lǐng)域，對如建筑節(jié)能、光伏冷卻、個人熱管理及淡水收集等進(jìn)行了介紹與討論。

3.1 被動式建筑節(jié)能

國際能源署2021年報告指出，在過去的三十年中用于建筑制冷的能耗增長了兩倍多，制冷用電量占建筑總用電量的近20%[63]。因此，被動冷卻技術(shù)的應(yīng)用對于建筑節(jié)能具有至關(guān)重要的意義。本節(jié)中提到的被動式建筑節(jié)能，特指無需額外能量輸入的輻射制冷建筑節(jié)能應(yīng)用。

輻射制冷技術(shù)以天空作為冷源對建筑進(jìn)行降溫，將輻射制冷材料直接應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面，尤其是高天空視域因子的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如屋頂，將帶來可觀的節(jié)能效果。輻射制冷屋頂相比普通屋頂具有更高的太陽光反射率和中紅外發(fā)射率，不僅可以減少建筑冷負(fù)荷，而且可顯著緩解城市熱島效應(yīng)[64-65]。

圖4(a)所示為Fang Hong等[66]在美國懷俄明州測試對比輻射制冷超材料屋頂與普通瓦屋頂搭建的模型室，測試結(jié)果顯示屋頂表面和室內(nèi)的最大溫差分別為28.6 ℃和11.2 ℃。目前，輻射制冷屋面已有應(yīng)用于大型公共建筑中的案例，例如杭州蕭山國際機(jī)場T4航站樓廊橋，在應(yīng)用輻射制冷技術(shù)后，單個廊橋的年空調(diào)制冷節(jié)能率可達(dá)43.7%[67]。

針對輻射制冷技術(shù)應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的研究，雖然屋頂在天空視野因素方面更具優(yōu)勢，但其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計靈活性方面同樣可行。目前，對于透明輻射制冷材料的研究拓展了該技術(shù)在建筑窗戶上的應(yīng)用，與現(xiàn)有節(jié)能玻璃相比，不僅能減少通過窗戶的得熱，還可以對建筑進(jìn)行冷卻。研究可分為兩種類型，即透明輻射制冷薄膜[68]和在玻璃材料表面添加透明涂層[69-70]。如圖4(b)所示，Yi Zhitong等[68]將由PET和SiO2微球組成的混合透明超材料薄膜應(yīng)用于屋頂天窗，在中國寧波8月份測得有無透明超材料薄膜的兩個玻璃模型箱內(nèi)部空氣的最大溫差為21.6 ℃。K.W.Lee等[71]通過在有機(jī)硅彈性基質(zhì)內(nèi)的SiO2氣凝膠微粒中布置光學(xué)調(diào)制器(正十六烷)來合成透明的輻射制冷超材料，并將該材料制成玻璃，與普通玻璃相比，超材料玻璃下方的室內(nèi)空氣溫度降低了約3.6 ℃。

圖4 輻射制冷技術(shù)在建筑節(jié)能中的被動式應(yīng)用Fig. 4 Passive applications of radiative cooling in buildings

3.2 主動式建筑應(yīng)用

3.2.1 基于空氣和水循環(huán)的輻射制冷系統(tǒng)

除直接應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面，采用空氣或水作為傳熱介質(zhì)的輻射制冷系統(tǒng)同樣具有靈活的應(yīng)用形式?；诳諝庋h(huán)的系統(tǒng)相對簡單且安裝成本低，而基于水循環(huán)的系統(tǒng)則具有更好的傳熱性能[72]。輻射制冷器件與介質(zhì)的傳熱效率及介質(zhì)的最佳質(zhì)量流量是研究的重點(diǎn)[72-74]，空氣和水的流量對實(shí)現(xiàn)輻射制冷的最佳冷卻性能具有至關(guān)重要的作用。

相比于自然通風(fēng)，采用與輻射制冷技術(shù)相結(jié)合的空氣冷卻系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更顯著的降溫效果，同時也可避免直接在圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面應(yīng)用輻射制冷材料造成的冬季“過冷”現(xiàn)象[75]。如圖5(a)所示，Zhao Dongliang等[76]提出一種可由多個并聯(lián)輻射制冷空氣冷卻器組成的住宅建筑屋頂集成輻射制冷空氣系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，雖然通風(fēng)和冷屋頂都能實(shí)現(xiàn)一定溫降，但只有屋頂集成輻射制冷空氣系統(tǒng)能將閣樓溫度全天降至低于環(huán)境溫度。

圖5 基于空氣和水循環(huán)的輻射制冷系統(tǒng)Fig. 5 Building-integrated air-based/water-based radiative cooling systems

以水作為傳熱介質(zhì)不僅比空氣具有更高的熱容量，且易于與水箱等儲冷設(shè)備相結(jié)合。Wang Weimin等[77]提出的用于辦公樓的輻射制冷系統(tǒng)由輻射制冷回路和空間冷卻回路組成，輻射制冷回路使水通過屋頂輻射制冷器件循環(huán)，相比于VAV(variable air volume)系統(tǒng)可節(jié)省45%～68%的冷卻耗電。如圖5(b)所示，A. Aili等[74]提出一個可全天連續(xù)運(yùn)行的千瓦級輻射制冷水循環(huán)系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和模型分析，結(jié)果顯示日間水以低流速(<0.25 L/(m2·min))運(yùn)行，夜間以高流速(>1 L/(m2·min))運(yùn)行，可提升系統(tǒng)冷卻效果。

此外，將基于水的冷卻系統(tǒng)與其他空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合也拓展了輻射制冷技術(shù)在建筑中的應(yīng)用范圍[78]，例如可將輻射制冷得到的冷水用于吊頂/地板輻射供冷，或用于預(yù)冷進(jìn)入冷水機(jī)組的工質(zhì)。Zhao Dongliang等[73]設(shè)計了一種基于超材料的輻射制冷冷水收集系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)用于冷卻空調(diào)冷凝器，通過儲冷設(shè)備和控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)冷卻以顯著提高空調(diào)系統(tǒng)效率，模擬顯示該系統(tǒng)在不同地點(diǎn)(美國鳳凰城、休斯頓和邁阿密)與商業(yè)辦公樓空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器集成時，夏季制冷耗電量可減少32%～45%。

3.2.2 與太陽能集熱相結(jié)合的可調(diào)控利用

目前發(fā)展較成熟的太陽能集熱技術(shù)在原理上與輻射制冷技術(shù)有一定關(guān)聯(lián)性，將兩者結(jié)合以實(shí)現(xiàn)制冷與供熱模式切換具有很大的建筑節(jié)能潛力。Li Xiuqiang等[79]設(shè)計了靜電控制熱接觸傳導(dǎo)的薄膜滾動雙模式裝置，冷卻功率可達(dá)71.6 W/m2，加熱功率可達(dá)643.4 W/m2，模擬顯示若在美國廣泛布置該系統(tǒng)，可節(jié)省19.2%的制冷及供暖用能。

如圖6(a)所示，Xia Zhilin等[80]設(shè)計了一種自適應(yīng)溫控裝置來調(diào)整輻射制冷器件的冷卻能力，通過溫度形狀記憶彈簧來驅(qū)動板材張角的變化，并在板材的上表面加入太陽能吸收材料以實(shí)現(xiàn)工作模式的切換。Hu Mingke等[81-82]在研究中將太陽能加熱和輻射制冷兩種空氣加熱/冷卻裝置相結(jié)合，通過兩種模塊旋轉(zhuǎn)和移動，系統(tǒng)的運(yùn)行模式可以靈活切換。除了與空氣系統(tǒng)相結(jié)合外，太陽能加熱-輻射制冷裝置也可用于循環(huán)水的加熱和冷卻，如圖6(b)所示，該裝置使太陽能加熱-輻射制冷面板與外管一起圍繞內(nèi)管旋轉(zhuǎn)，并有效地將熱量或冷量傳遞給通過內(nèi)管的水流[83]。上述采用機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)冷熱模式切換的系統(tǒng)具有構(gòu)造簡單、維護(hù)方便等特點(diǎn)，但自適應(yīng)程度更高、調(diào)控更智能的雙模式系統(tǒng)仍有待進(jìn)一步研究。

圖6 與太陽能集熱相結(jié)合的輻射制冷應(yīng)用Fig. 6 Applications of radiative cooling integrated with solar thermal harvesting

3.3 光伏冷卻

光伏發(fā)電(photovoltaic，PV)愈發(fā)成為重要的電力來源。雖然光伏電池吸收了約80%的入射太陽輻射，但其中只有一小部分轉(zhuǎn)化為電力輸出，大部分則轉(zhuǎn)化為熱量使面板溫度升高。一般溫度每升高1 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率下降0.4%～0.6%[84]?；谳椛渲评涔ぷ鳝h(huán)境與光伏電池十分相似并且可實(shí)現(xiàn)全天被動制冷的特性，出現(xiàn)了多種形式的輻射制冷與光伏電池綜合應(yīng)用[85]。最直接的結(jié)合形式即將透明輻射制冷材料敷設(shè)在光伏電池表面，旨在提高光伏電池表面的紅外發(fā)射率。與常規(guī)PV-玻璃的形式相比，將PDMS敷設(shè)于光伏電池表面，光伏電池平均溫度下降約1.0 ℃，可見簡單的直接將輻射制冷與光伏結(jié)合的降溫效果并不顯著，遠(yuǎn)不及通過增強(qiáng)對流所帶來的效益[86]。在此基礎(chǔ)上，Zhao Bin等[87]設(shè)計了由一維多層堆疊結(jié)構(gòu)與二維光子晶體組成的輻射制冷結(jié)構(gòu)，在保證光伏轉(zhuǎn)換波段(0.3～1.1 μm)太陽輻射吸收的同時選擇性反射其他波段太陽輻射，實(shí)驗(yàn)表明運(yùn)用該結(jié)構(gòu)，光伏電池效率比常規(guī)PV-玻璃的形式高出6.9%。為使輻射制冷技術(shù)發(fā)揮更大潛力，輻射制冷與光伏電池的間接結(jié)合形式也得到了廣泛研究。如通過熱管(heat pipe, HP)連接光伏(PV)和輻射制冷(radiative cooling, RC)的系統(tǒng)[84]。但采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或額外的機(jī)械部件，會增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素且使制作工藝復(fù)雜化，需權(quán)衡系統(tǒng)成本與光伏效率間的關(guān)系。

3.4 淡水收集及濕度發(fā)電

由于淡水資源短缺，很多研究聚焦于如何從空氣、海水中獲取更多的淡水?？捎糜诼端占囊归g輻射制冷箔片已投入實(shí)際應(yīng)用[88]，然而現(xiàn)有的露水收集裝置很難在日間太陽直射的條件下工作。將夜間輻射制冷材料和太陽能蒸發(fā)材料相結(jié)合，既可在夜間收集露水也可以在日間收集太陽能蒸發(fā)蒸汽的凝水，從而實(shí)現(xiàn)全天淡水收集[89]。近幾年超材料的發(fā)展拓展了輻射制冷技術(shù)在淡水收集方面的應(yīng)用。如圖7(a)所示，Zhou Ming等[90]將背襯銀的PDMS薄膜置于聚苯乙烯盒中冷卻濕空氣，其收集的淡水量幾乎是夜間輻射制冷箔的兩倍。I. Haechler等[91]通過對超材料輻射冷卻器的背面做疏水處理并結(jié)合輻射匯聚器，設(shè)計出如圖7(b)所示的高效且可全天工作的露水收集裝置。該系統(tǒng)在96%的相對濕度下的產(chǎn)水率超過50 g/(m2·h)。

圖7 輻射制冷在收集淡水中的應(yīng)用Fig. 7 Applications of radiative cooling in fresh water harvesting

但應(yīng)用輻射制冷技術(shù)收集露水時，集露面上凝水的增多會降低輻射制冷功率[92]。此外，雖然干燥晴朗的環(huán)境有利于輻射制冷，但也意味著環(huán)境中沒有足夠的水蒸氣可以冷凝[8,93]，地理和氣候仍然是被動式淡水收集的決定性因素。然而水蒸氣的來源可以不局限于空氣，還可通過太陽能蒸發(fā)海水或污水來供給。此外，在利用輻射冷卻器收集淡水時，集露面附近的相對濕度較大，而濕電量會隨著環(huán)境相對濕度的增大而增加[94]。因此利用輻射制冷來增強(qiáng)濕度發(fā)電量可能會成為未來的研究方向。

3.5 個人熱管理

隨著人們越來越注重?zé)崾孢m性，可穿戴電子設(shè)備及智能紡織品的出現(xiàn)催生了個人熱管理技術(shù)的發(fā)展[95]。該技術(shù)聚焦于將個人體溫調(diào)節(jié)功能融入日常服裝設(shè)計中。將輻射制冷技術(shù)理念中對人體紅外波段的輻射或太陽輻射的調(diào)控與個人熱管理技術(shù)相融合，衍生出了多樣的可穿戴織物，一般包括以下幾類：

1)靜態(tài)織物。該類織物可通過添加納米金屬顆粒層或多層纖維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對不同波段輻射的調(diào)控。Zeng Shaoning等[96]采用PTFE粒子、TiO2粒子以及PLA纖維編織了輻射制冷織物，如圖8(a)所示，與普通棉織物對比實(shí)驗(yàn)中，該織物表面溫降可達(dá)4.8 ℃。通過對輻射制冷技術(shù)進(jìn)行逆向思考，Yue Xuejie等[97]利用多孔銀/纖維素/碳納米管(CNT)制備納米纖維膜，基于CNT涂層90%以上的太陽吸收率和Ag涂層高于70%紅外反射率，實(shí)現(xiàn)了太陽熱量輸入最大化和人體輻射熱量輸出最小化，可顯著提高寒冷環(huán)境中的人體熱舒適性。

2)有色織物。顏色作為織物的基本屬性，影響著不同波段輻射的發(fā)射與吸收，通過添加可強(qiáng)烈共振散射可見光的納米粒子層，可產(chǎn)生不同顏色的織物。Cai Lili等[98]利用無機(jī)納米顆粒如魯士藍(lán)(PB)、氧化鐵(Fe2O3)和硅(Si)制備可擴(kuò)展的彩色聚乙烯織物，該織物表現(xiàn)出80%的高紅外透明度且相比傳統(tǒng)織物可實(shí)現(xiàn)1.6～1.8 ℃的溫降。

3)動態(tài)織物。受變色龍、烏賊等生物在放松與興奮狀態(tài)下改變顏色的啟發(fā)，該類織物通過動態(tài)改變表面納米晶體的松緊排布，實(shí)現(xiàn)對不同波段輻射的調(diào)控。Zhang Xu′a 等[99]通過在三醋酸纖維素雙形態(tài)纖維上涂抹一層碳納米管薄層，根據(jù)織物相鄰纖維層之間的距離依賴性電磁耦合原理，實(shí)現(xiàn)了如圖8(b)所示的紅外輻射調(diào)節(jié)，當(dāng)皮膚的相對濕度發(fā)生變化時，織物紅外輻射調(diào)節(jié)能力改變超過35%。Wang Yang等[100]通過整合紗線紡絲和連續(xù)浸漬涂層技術(shù)制備了熱致變色絲綢，其快速且可控的熱致變色特性使織物具有調(diào)控太陽輻射的能力。

雖然輻射制冷技術(shù)在個人熱管理方面的應(yīng)用較為靈活，但仍有諸多問題亟待研究：織物材料既需滿足光譜選擇性輻射特性，也需滿足其作為織物的基本屬性，如保證透氣性、水蒸氣轉(zhuǎn)移率等；織物是否具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度滿足日?；顒?、織物輻射性能是否會衰減、織物材料是否可水洗等仍是需要解決的問題。

3.6 其他應(yīng)用

日間輻射制冷材料的規(guī)模化生產(chǎn)使很多大型工業(yè)設(shè)備采用輻射制冷技術(shù)來達(dá)到節(jié)能的目的成為可能。由于電廠的乏汽需要冷凝，將輻射制冷作為凝汽器的附加冷源是提高電廠發(fā)電效率的潛在途徑之一。圖9(a)所示為Zhang Kai等[101]提出的以大面積輻射制冷模塊和大容量蓄冷罐作為附加冷源的空冷式電廠乏汽冷凝系統(tǒng)。A. Aili等[102]對水冷式電廠使用輻射制冷技術(shù)后的節(jié)水情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)輻射制冷可以有效抑制冷卻水的蒸發(fā)從而節(jié)約電廠至少30%的用水量。

除生產(chǎn)設(shè)備外，輻射制冷還可用于倉儲。由于糧食需要儲存在低溫干燥的環(huán)境中，相關(guān)研究表明，當(dāng)淺圓儲糧倉屋頂使用輻射制冷技術(shù)后，最上層的糧溫最大可以降低4.7 ℃[103]。研究顯示當(dāng)倉庫屋頂采用輻射制冷材料時，倉庫全年的制冷能耗可減少65.2%[104]。

熱電也是輻射制冷的熱門應(yīng)用方向之一。很多研究將輻射制冷技術(shù)應(yīng)用于熱電器件的冷端來提高發(fā)電溫差[105]。如圖9(b)所示，當(dāng)柔性可穿戴熱電設(shè)備和輻射制冷技術(shù)結(jié)合時，不僅可減少熱電設(shè)備的體積，還可以提高設(shè)備的發(fā)電功率[106-107]。

圖9 輻射制冷在其他領(lǐng)域的應(yīng)用Fig. 9 Other applications of radiative cooling

由于輻射制冷量具有時間依賴性，輻射制冷在夜間效果更好，但白天對制冷的需求更大。因此可將相變材料和輻射制冷技術(shù)結(jié)合起到對冷量削峰填谷的作用。這要求相變材料具有較低的相變溫度和較高的相變焓[108]。Yang Luyao等[109]通過一種新型柔性交聯(lián)聚合物將相變材料和輻射制冷結(jié)合起來，由于兼具較好的導(dǎo)熱性能，該材料顯示出良好的控溫能力。

4 挑戰(zhàn)與展望

4.1 提高冷卻功率及有效面積

由于輻射制冷技術(shù)固有的低能量密度特性，因此需要較大部署面積來滿足制冷量需求，但隨著對可再生能源需求的不斷增加，有限的面向天空的面積使輻射制冷與太陽能系統(tǒng)間的競爭不可避免，特別是對于城市多層或高層建筑。因此，提高輻射制冷功率或與光伏、光熱等系統(tǒng)耦合具有重要意義。由于太陽輻射能量密度相對更高，進(jìn)一步提高太陽反射率仍有很大潛力提高輻射制冷功率。大氣輻射是另一個影響輻射制冷功率的重要因素，通過減少大氣輻射吸收來提高冷卻功率將是潛在的研究方向。非輻射傳熱對輻射制冷應(yīng)用是否有利取決于輻射制冷表面工作溫度與環(huán)境溫度間的關(guān)系，對于低于環(huán)境溫度的應(yīng)用，屏蔽非輻射傳熱是必要的，設(shè)計一種透光率高且同時具備耐久性和機(jī)械強(qiáng)度的對流屏蔽層仍是研究的重點(diǎn)。此外，由于局部大氣條件變化和云層覆蓋使輻射制冷具有間歇性，尋找一種有效的冷量存儲方式及用冷側(cè)與供冷側(cè)之間的有效耦合至關(guān)重要。

4.2 測試標(biāo)準(zhǔn)及區(qū)域適用性

4.3 穩(wěn)定性及耐久性

輻射制冷材料的穩(wěn)定性及耐久性對其實(shí)際應(yīng)用具有決定性影響，目前許多研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段，一些研究對輻射制冷材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室條件下的強(qiáng)化衰老測試，但大多數(shù)研究只進(jìn)行了短期的戶外測試。進(jìn)行長期戶外測試將有助于評估輻射制冷器件在實(shí)際戶外條件下的穩(wěn)定性和使用壽命。積水、積塵以及材料和下方金屬層隨時間推移的劣化等因素，給輻射制冷材料在室外保持良好的性能與機(jī)械穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)。雖然目前已有針對自清潔疏水輻射制冷材料的研究，然而由于其制造工藝復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)自清潔材料規(guī)?；a(chǎn)仍有一定困難，并且已有的研究中并未對自清潔材料的使用壽命與穩(wěn)定性進(jìn)行評估。此外，在輻射制冷技術(shù)應(yīng)用的研究中應(yīng)考慮設(shè)備和系統(tǒng)如何進(jìn)行合理的維護(hù)并定期對其性能進(jìn)行測試，以保證其穩(wěn)定性與耐久性。

4.4 經(jīng)濟(jì)性分析

如何平衡材料成本、加工工藝與制冷性能是日間輻射制冷材料商業(yè)化利用的關(guān)鍵問題。大部分基于聚合物的輻射制冷材料都具有實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的潛力，這是實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢。但仍然存在材料老化與性能下降的問題，在實(shí)際應(yīng)用中需考慮和評估這些材料的壽命，生命周期分析可作為關(guān)鍵參考，同時綜合投資回收期分析以指導(dǎo)輻射制冷材料的選擇。在經(jīng)濟(jì)性評估中，應(yīng)因地制宜，綜合考慮如冬季采暖損失、當(dāng)?shù)仉妰r以及應(yīng)用場景保溫性能，風(fēng)速、云量、降水等變動的天氣因素也應(yīng)被考慮在內(nèi)，未來的研究中可設(shè)計詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)性分析模型以評估輻射制冷技術(shù)的應(yīng)用可行性。

5 結(jié)論

全球氣候變化對人類社會構(gòu)成重大威脅，作為全球最大的溫室氣體排放國，中國對于近零碳排放技術(shù)的探索和創(chuàng)新具有重大意義。天空輻射制冷技術(shù)作為一種無需額外能量輸入的清潔冷卻技術(shù)，具有巨大的節(jié)能減碳潛力和廣闊的應(yīng)用前景。受益于納米光子學(xué)及超材料領(lǐng)域的發(fā)展，包括光學(xué)薄膜材料、超材料及超表面、光子晶體等新型輻射制冷材料得以用于全天輻射制冷，但實(shí)現(xiàn)與大規(guī)模制造技術(shù)兼容的高性能輻射冷卻仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。由于輻射制冷效果與地理位置和氣候條件密切相關(guān)，因此，選擇合適的部署位置并因地制宜設(shè)計輻射冷卻器光譜特性至關(guān)重要。此外，利用發(fā)射率可變的材料來實(shí)現(xiàn)加熱或冷卻需求變化時紅外輻射的自行調(diào)節(jié)也可在提高輻射制冷效率方面發(fā)揮重要作用。

輻射制冷技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用場景也得到了很大拓展，包括建筑節(jié)能、提高光伏發(fā)電效率、淡水收集、個人熱管理及電廠節(jié)水等。將輻射冷卻技術(shù)與其他可再生能源技術(shù)如太陽能集熱、光伏發(fā)電等相結(jié)合，可在有限的屋頂部署面積下帶來可觀的節(jié)能收益。而冷量可調(diào)節(jié)的主動式輻射制冷系統(tǒng)如結(jié)合相變材料、利用機(jī)械變形等提高了輻射制冷技術(shù)應(yīng)用的靈活性。此外，多種顏色與透明輻射制冷材料的進(jìn)展也擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。在實(shí)際應(yīng)用中，除冷卻性能外，需考慮的關(guān)鍵因素還應(yīng)包括成本、穩(wěn)定性和耐久性，這也將作為未來輻射制冷技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的重要參考。