来源 | Joule

链接 | https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101956

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背景介绍

辐射冷却作为一种可持续的被动冷却方法，在建筑和城市环境领域受到越来越多的关注。然而，以往的研究大多集中在朝向天空的表面，如屋顶。相比之下，对于暴露在更为复杂的换热环境中的建筑物立面，相关研究却较少。地球周围环境的季节变化是个重要影响因素，虽然向寒冷空间辐射散热仍然是制冷所期望的，但陆地环境的季节性变化会导致在温暖天气下产生不必要的热量增益，以及在寒冷天气下的热量损失，这限制了传统建筑全向发射围护结构的热性能。

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成果掠影

近日，普林斯顿大学Jyotirmoy Mandal团队设计了一种具有超宽带定向热发射率的微图案定向发射器（μDE）。该设计向寒冷的天空辐射热量，同时阻挡与陆地环境的辐射热交换，并实现建筑物在各个季节的被动热调节。这种低成本且高度可扩展的设计与常见材料和成熟的工业制造技术相兼容，并且可以针对墙壁和窗户应用进行定制。团队的设计通过热调节机制，在广泛的天气条件下，显著节省了季节性能源消耗，优于传统的全向建筑围护结构。研究成果以“Beyond cooling: Radiative thermoregulation in the Earth’s glow with micropatterned directional emitters”为题发表在《Joule》期刊。

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图文导读

图1.建筑外墙辐射环境的季节性变化及所提出的μDE设计。(A) 一栋建筑的冬季图像，展示了其在温暖和寒冷天气中向或从其辐射的热流；夏季和冬季的陆地热流产生了不必要的加热和制冷负荷。(B) 我们提出的解决方案的示意图，一种锯齿形μDE，其朝向地面的面被金属覆盖，以最小化与地面的季节性辐射交换，而朝天空的面保持裸露，以维持向天空的热量损失。该层压板反射阳光，透射全内反射（TIR）辐射，并提供对环境因素的防护。 

图2.方向性发射体相对于全向发射体的热调节潜力。(A) 阶梯形方向性发射体（Pdirectional）与理想全向发射体（Pomnidirectional）之间的Pcooling差异，作为沙漠条件（TPW = 10.5毫米）和极端潮湿条件（TPW = 58.6毫米）下Tground（地面温度）和Tamb（环境温度）的函数。图S9显示了每种发射体的冷却潜力。(B) 阶梯形方向性发射体（Tdirectional）与理想全向发射体（Tomnidirectional）之间的稳态温度差异。图S10显示了每种发射体的稳态温度。假设理想的太阳能反射率（Rsolar = 1）和微风（h = 10 W/m²K）。从相对加热到冷却的转变表明，随着天气从冷变热，方向性发射体具有热调节能力。

图3. μDE的材料和光学特性。(A) 顶部带有太阳能反射多孔聚乙烯（PE）层压板的μDE。(B) 三角微图案的显微照片，其中识别出面向地面的金属化面以及面向天空的裸露水平面。(C) 纳米多孔PE层压板的扫描电子显微照片。(D) 面板显示了从上方（上）和下方（下）观察到的μDE的照片和长波红外（LWIR）热像图。μDE放置在一部分涂漆的铝基底上，左侧是高发射率（ε）（油漆涂层），右侧是低发射率（ε）（裸露铝）。该设置的位置是为了反射寒冷的天空，从照片中铝的蓝色反射和热像图中的低辐射率（黑色）可以明显看出。从上方观察，μDE显示了微图案发射体的颜色（照片中的白色、蓝色和黄色）和高辐射率（热像图中的白色），表明高发射率（ε）。从下方观察，μDE显示了天空的金属反射和低发射率（照片中的蓝白色，热像图中的黑色）。(E) 阶梯形方向性发射体（DE）和裸露及PE层压μDE在水平线上下45度角处的光谱反射率。(F) 裸露和PE层压μDE的发射率作为相对于水平线角度的函数。光学特性在附注S2中有详细说明。蓝色背景代表水平线以上的环境，而红色背景对应于下方的陆地环境。

图4.透明μDE的设计和光学特性。(A) 透明μDE的示意图，也具有锯齿形图案，带有一个透明的PE层压板，恢复由于图案和折射率变化综合效应而失真的图像。(B) 带有PE层压板的透明μDE样品的显微照片和照片。(C) 通过透明μDE看到的图像。(D) 透明μDE的发射率作为相对于水平线角度的函数。为了进行比较，图中包括了图3中不透明μDE的图表。蓝色背景代表水平线以上的环境，而红色背景对应于下方的陆地环境。(E) 透明μDE在垂直入射下的紫外线-可见光-近红外（UV-vis-NIR）直接透射率、总透射率和反射率，以及低ε涂层在垂直入射下的总透射率。(F) 透明μDE在垂直入射以及水平线上下45度角处的全内反射（TIR）光谱总反射率。

图5.μDE相对于全向发射体的被动热调节的实验演示。(A) 稳态温度测量的实验设置。功率流测量与此类似，除了发射器背面附着的热负荷。(B) 在温暖和寒冷天气下，μDE与传统白色涂料之间的稳态温度差异。☼ 和 ☾ 分别表示白天和夜晚。误差条代表测量或理论预测中的不确定性。(C) 实验1的温度-时间图，显示环境空气温度（Tamb）、环境的宽带辐射温度（Tradiant;ground+sky）、地平线以下的辐射温度（Tradiant;ground），以及传统发射器（Ttraditional）和PE层压μDE（Tdirectional）的温度在温暖天气下。物体的辐射温度被定义为发出相同数量热辐射的黑体的温度。

图6.与传统白色涂料相比，μDEs在建筑层面实现的节能效果。(A) 研究的中型住宅建筑示意图（跨度30米×30米，高度15米），其中15%的外墙是窗户。(B) 模拟的场景，每个场景都涉及将应用于墙壁和窗户的全向发射体替换为μDEs。情景1考虑假设的发射体，而情景2和3考虑我们制造的μDEs。(C) 在凤凰城、海伦娜和迈阿密实现的情景1的节能效果。浅蓝色柱子代表温暖季节（五月至十月）的节能，主要由制冷需求主导，而红色柱子对应于凉爽季节（十一月至四月）。深浅蓝色/红色柱子代表具有良好隔热（R-13）墙壁的建筑。浅色浅蓝色/红色柱子代表具有砖墙的建筑。所使用的模型详情在附注S6中呈现。虚线代表通过将深色屋顶涂成白色所实现的节能效果。(D) 情景2的类似图表。(E) 情景3的类似图表。