【技术前瞻】清华大学团队 | 告诉你如何根据应用场景进行辐射制冷设计

      日间辐射制冷（Passive daytime radiative cooling, PDRC）是基于地球（~300 K）和外太空（~3 K）之间的巨大温差，利用热辐射将热量源源不断地以电磁波的方式通过“大气窗口”（ 8-13μm）传递至外太空；同时通过合理的光子结构设计，反射绝大部分太阳辐射从而实现日间制冷效果。

       然而由于太阳的辐射功率（~1000 W m^-2）远高于理论辐射制冷功率（~160 W m^-2），吸收过量的太阳辐射会导致物体表面温度上升。如何解决日间辐射制冷一直是个难题。

二、按应用场景设计光谱

        传统 PDRC 材料设计，不管用在屋顶还是织物上，都用同一种 “白色高反射配方”，要么不美观，要么不实用。好的 PDRC 技术，得按场景设计光谱：

1. 建筑辐射制冷降温方案

         建筑是 PDRC 技术的主要应用领域，但屋顶、外墙、窗户的降温需求完全不同，光谱设计也得 “对症下药”。根据光谱特性，PDRC材料可分为三类：即发射型PDRC材料、反射型PDRC材质和可见光透射型PDRC材料。

         根据发射体在“大气窗口”的选择性，还可分为非选择性发射体、单选择性发射体与双选择性发射体。然而在实际应用中，建筑场景也对PDRC材料提出了更高的要求。

       人体散热量更小且热辐射占散射量的40-60%，因此夏天穿的衣服不仅要凉爽感，还得透气、不闷汗 ——PDRC 织物的光谱设计，即需要兼顾 “制冷” 和 “穿戴体验”：

• 透射型织物：适合日常穿，能让人体自身的热量通过织物辐射出去，同时反射太阳光，像某品牌的 PDRC T 恤，太阳光反射率 70%，中红外辐射率 96%，穿在身上比普通 T 恤凉 7℃，还能透水蒸气，出汗不粘身；
• 发射型织物：针对户外工作者，比如建筑工人的防晒衣，用特殊纤维增强红外发射，即使在 35℃以上的阳光下，体表温度也能控制在 32℃左右；
• 混合型织物：适合运动场景，结合了反射和发射优势，还加了导汗层，跑步时既能降温，又能快速排汗，不会闷得难受。

图3. 三种不同光谱辐射制冷材料用于人体热管理的示意图。a，透射型辐射制冷织物；b，发射型辐射制冷织物；c，混合型辐射制冷织物。

3. 其他应用：淡水收集与光伏电池

      淡水收集也是PDRC应用的重要场景之一，PDRC技术可以将材料的表面和内部温度降到露点以下促进空气中的水分冷凝实现淡水收集。

      光伏电池可以以清洁的方式将太阳能直接转化为电能，然而，其过高的太阳能吸收率使得光伏板工作温度超过40 ℃，降低了光电转换效率。将PDRC材料与光伏电池集成可以通过增强中远红外发射显著降低光伏温度，从而提高能源效率和寿命。

4. 自调节PDRC材料，解决冬冷也散热问题

      传统 PDRC 材料还有个大问题：夏天能降温，冬天却会 “过度散热”，反而增加供暖能耗，尤其在昼夜温差大的地区（比如新疆，白天 30℃，晚上 10℃以下）更明显。为了适应复杂的环境，研究人员开发了一系列具有动态切换加热/制冷功能的辐射制冷材料（即自调节PDRC材料）—— 这种材料能根据温度自动切换 “模式”：温度高时，它是 “制冷模式”，高反射、高辐射；温度低时，它会变成 “保温模式”，减少热量辐射。比如某类温敏材料，温度高于 25℃时，红外发射率 95%（制冷）；低于 20℃时，发射率降到 60%（保温），完美适配四季分明的地区。