Light | 高效降低空调能耗，密闭空间辐射制冷

在全球气候变暖大背景下，碳中和已经成为国际社会的共识，中国提出在 2030 年实现碳达峰，2060 年左右实现碳中和，达成这一目标不仅需要大力发展清洁能源，还需要优化能源利用效率，减少不必要的能耗。当下，建筑能耗占中国总能耗的35%以上，而这其中，供暖通风及空气调节系统（HVAC，heating, ventilation, and air conditioning system）的能耗占比达到 44%。

近年来，辐射制冷作为一种被动冷却方式得到了广泛研究，通过提高物体表面热辐射率和太阳反射率，可以有效降低目标温度。然而，现有的研究主要集中在优化材料性能上，单一的外表面辐射调控难以对某个密闭空间（例如建筑、车辆）进行高效的热管理，此外，将被动辐射制冷和现有主动制冷手段相结合的研究也被忽视。

鉴于此，近日，浙江大学李强教授和西湖大学仇旻教授研究团队提出一种新型辐射制冷设计理念，在现有密闭空间（如建筑、车辆等）基础上，通过微纳结构改变内外层表面光谱，实现对能量的高效调控，将密闭空间的有源制冷功耗降低了 63%。

该成果以“Color-preserving passive radiative cooling for an actively temperature regulated enclosure” 为题发表在 Light: Science & Applications。

图1 （a）有源制冷空间和外界换热模型示意图。（b）稳态下系统的能量流动模型。（c）双层辐射制冷对内外表面光谱的要求。

本研究首先对有源制冷空间和外界的热交换进行建模仿真，构建了以光热-热光转换为核心，多个热力学源及温度场相互耦合的能量流动模型。根据这一模型，综合实际环境因素，作者提出，建筑外表面需同时反射太阳波段能量以及辐射红外能量，内表面则需要隔绝热辐射进入内部空间，同时，为了能够更好地适用于现有墙体或屋顶，内外层的需要拥有高透明性。

在此基础上，研究团队通过光学仿真优化，设计并制备了这一器件，其外层采用了二氧化硅和二氧化钛的一维光子晶体膜系，实现了可见透过率达 0.74，近红外反射率达 0.87，中红外辐射率约为 0.88；其内层采用了 ITO-PET 膜，实现了可见透过率达 0.73，中红外辐射率约为 0.21。

随后，研究团队通过搭建模拟有源制冷空间装置，对器件的制冷性能以及节能效果进行了测试，结果显示，在相同有源制冷功率下，采用该器件的室内温度相比于没有器件的降低了 9.6℃；而在维持室内温度约为 26℃ 时，采用该器件的有源制冷功耗相比于没有器件降低了 63%，从而证明该双层辐射制冷器件具有相当可观的节能效应。

此外，得益于器件在可见波段的整体高透明性，各种颜色表面在覆盖该器件前后几乎没有区别，研究团队测试了红绿蓝三色覆盖内外层器件前后的色差值（ΔE76），结果均优于市面上的商业透明热镜。

图2 （a）内外层器件覆盖在彩色图案上。（b）模拟有源制冷密闭空间的实验装置。（c）实验结果：对比单纯屋顶、屋顶+热镜以及热镜+双层辐射制冷器件（ECRC）的制冷效果及能耗。

本研究针对建筑节能问题，先通过传热学理论进行光谱设计，再通过电磁学理论进行结构设计，而到实际应用中，从材料学的角度设计制备工艺，从应用场景的角度设计模拟实验，最终验证了所制备器件的热管理性能。

利用光学结构调控光热-热光转换，能够高效地控制能量流动，在很多热管理场景中具有应用价值。在未来，针对一些场合的特殊需求，可以设计更加特异化的光谱选择性器件，在能源利用、信息传感等方面具备相当大的应用潜力。

| 论文信息 |

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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