輻射冷卻作為一種可持續(xù)的被動冷卻方法，在建筑和城市環(huán)境領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。然而，以往的研究大多集中在朝向天空的表面，如屋頂。相比之下，對于暴露在更為復(fù)雜的換熱環(huán)境中的建筑物立面，相關(guān)研究卻較少。地球周圍環(huán)境的季節(jié)變化是個重要影響因素，溫暖天氣會使建筑物吸收熱量，寒冷天氣會使其損失熱量，這限制了傳統(tǒng)建筑全向發(fā)射圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能。本文設(shè)計(jì)了一種具有超寬帶定向熱發(fā)射率的微圖案定向發(fā)射器（ μDE ）來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，該設(shè)計(jì)向寒冷的天空輻射熱量，同時阻斷其與地表環(huán)境的輻射熱交換，從而實(shí)現(xiàn)建筑物在四季中的被動溫控。 μDE 可以由低成本材料和可擴(kuò)展制造技術(shù)制成，外觀有金屬色和白色兩種，并且可以根據(jù)不同的城市環(huán)境幾何調(diào)整其定向發(fā)射率，適用于墻體和窗戶的應(yīng)用。它在溫暖條件下制冷、涼爽條件下制熱的溫控機(jī)制顯著節(jié)省了它的季節(jié)性能源消耗，優(yōu)于傳統(tǒng)的全向建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)， μDE 在溫控建筑方面具有很高的潛力。相關(guān)工作以 Beyond cooling: Radiative thermoregulation in the Earth ’ s glow with micropatterned directional emitters 為題 發(fā)表在Joule期刊 。

本文設(shè)計(jì)了一種具有超寬帶定向熱發(fā)射率的微圖案定向發(fā)射器（μDE）：首先從溫暖和寒冷天氣中建筑物的熱量流動平衡出發(fā)，分析了建筑立面輻射環(huán)境的季節(jié)變化原理，據(jù)此給出了μDE的設(shè)計(jì)方案，如圖1所示；為了展示在建筑物立面面臨多種天空視圖因素以及復(fù)雜冷卻需求的條件下μDEs的溫控潛力，考慮了一種梯度定向發(fā)射器的冷卻性能，圖2為梯度定向發(fā)射器與全向發(fā)射器的熱調(diào)節(jié)潛力對比；設(shè)計(jì)了一種用于墻壁的太陽反射型變體，圖3為該μDE的材料和光學(xué)表征；設(shè)計(jì)了一種用于窗戶的可見透明型變體圖4為透明μDE的設(shè)計(jì)和光學(xué)表征；為了測試μDE相對于全向發(fā)射器的被動熱調(diào)節(jié)性能，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示，結(jié)果如圖5所示；圖6為μDEs在建筑層面上相比于傳統(tǒng)白色涂料的節(jié)能優(yōu)勢。

圖1.建筑立面輻射環(huán)境的季節(jié)變化及μDE設(shè)計(jì)。(A)建筑物溫度示意圖，展示了在溫暖和寒冷天氣中流入流出的凈輻射熱流；夏季和冬季地表熱流造成的不必要加熱和冷卻負(fù)荷；(b)解決方案示意圖，鋸齒狀μDE面向地面的面用金屬覆蓋以減少與地面的季節(jié)性輻射熱交換，而其面向天空的面則保持裸露以保證熱量向天空持續(xù)散失。層壓板反射陽光，透射TIR輻射，并提供防風(fēng)避雨保護(hù)。

圖2.定向發(fā)射器相對于全向發(fā)射器的熱調(diào)節(jié)潛力。(A)在沙漠（TPW = 10.5 mm）和極度潮濕（TPW = 58.6 mm）條件下，梯度定向發(fā)射器（Tdirectional）與理想全向發(fā)射器（Tomnidirectional）之間的Pcooling差異隨Tground和Tamb的變化；(B)梯度定向發(fā)射器（Tdirectional）與理想全向發(fā)射器（Tomnidirectional）之間的穩(wěn)態(tài)溫差。

圖3.μDE的材料和光學(xué)表征。(A) μDE頂部為具有太陽反射性的多孔PE層壓板；(B)顯微照片顯示了三角形的微圖案，其中金屬化面朝地面，裸露的水平面朝天空；(C)納米多孔PE層壓板的掃描電子顯微照片；(D)從上方和下方觀察μDE的照片和LWIR熱成像圖，μDE安裝在部分涂漆的鋁基板上，左側(cè)是高ε（油漆涂層），右側(cè)是低ε（裸鋁）。從照片中鋁的藍(lán)色反射和熱圖中的低輻射度（黑色）可以明顯看出裝置位置反映了寒冷的天空。從上方看，μDE顯示出微圖案發(fā)射器的顏色（照片中的白色、藍(lán)色和黃色）以及高輻射度（熱圖中的白色），表明ε很高。從下方看，μDE顯示出天空的金屬反射和低ε（照片中的藍(lán)調(diào)，熱圖中的黑色）；(E)梯度定向發(fā)射器、μDE和PE層壓μDE在地平線上下45°處的光譜反射率。(F) μDE和PE層壓μDE的發(fā)射率隨相對于地平線角度的變化。藍(lán)色背景表示地平線以上的環(huán)境，而紅色背景則對應(yīng)地平線以下的地球環(huán)境。

圖4.透明μDE的設(shè)計(jì)和光學(xué)表征。(a)具有鋸齒狀圖案的透明μDE的示意圖，透明PE層壓板恢復(fù)了因圖案和折射率變化的組合效應(yīng)而被扭曲的圖像。(B)透明μDE樣品與PE層壓板的顯微圖和照片；(C)透過透明μDE看到的圖像；(D)透明μDE的發(fā)射率隨相對于地平線角度的變化。圖3中的不透明μDE的曲線用于對比。藍(lán)色背景表示地平線以上的環(huán)境，而紅色背景則對應(yīng)地平線以下的地球環(huán)境。(E)透明μDE的紫外-可見-近紅外（UV-vis-NIR）直接透射率、總透射率和反射率以及低ε涂層在正入射條件下的總透射率；(F)透明μDE在正常入射角和地平線以上和以下45?處的TIR光譜全反射率。

圖5. μDE相對于全向發(fā)射器的被動熱調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)演示。(A)穩(wěn)態(tài)溫度測量的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，功率流測量類似，只是熱負(fù)荷連接在發(fā)射器背面；(B)在溫暖和寒冷天氣下，μDE與傳統(tǒng)白色油漆之間的穩(wěn)態(tài)溫差，?和?分別表示白天和夜晚，誤差條代表測量或理論預(yù)測的不確定性；(C)實(shí)驗(yàn)1的溫度-時間圖，顯示了環(huán)境空氣溫度（Tamb）、環(huán)境寬帶輻射溫度（Tradiant; ground+sky）、地平線以下的輻射溫度（Tradiant;ground）以及傳統(tǒng)發(fā)射器（Ttraditional）和PE層壓μDE（Tdirectional）在溫暖天氣下的溫度。物體的輻射溫度定義為發(fā)出相同熱輻射量的黑體的溫度。

圖6.與傳統(tǒng)白色涂料相比，μDEs在建筑層面上實(shí)現(xiàn)節(jié)能。(A)研究的中型住宅建筑示意圖（跨度為30 m×30 m，高度為15 m），其中15%的立面是窗戶；(B)模擬場景，每個場景都涉及用μDEs替換應(yīng)用于墻壁和窗戶的全向發(fā)射器。場景1考慮了假設(shè)的發(fā)射器，而場景2和3則考慮了所制造的μDEs；(C)在鳳凰城、海倫娜和邁阿密的場景1中實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。青綠色柱狀圖表示溫暖季節(jié)（5月至10月）的節(jié)能情況，這一時期以冷卻需求為主；紅色柱狀圖則對應(yīng)涼爽季節(jié)（11月至4月），深青綠色/紅色柱狀圖代表墻體保溫良好（R-13）的建筑，淺青綠色/紅色柱狀圖代表磚墻建筑，虛線表示將深色屋頂涂成白色所實(shí)現(xiàn)的節(jié)能效果。(D)情景2的類似圖。(E)情景3的類似圖。

小結(jié)：本文展示了一種具有超寬帶定向熱發(fā)射率的微圖案定向發(fā)射器μDE，其發(fā)射面和反射面賦予了它在熱波長范圍內(nèi)以及大角度下的超寬帶、方位選擇性熱發(fā)射。在建筑物上，μDE可以通過減少夏季的地面輻射熱量吸收和冬季的地面輻射熱量損失來實(shí)現(xiàn)一種新穎且被動的季節(jié)性溫控功能。本文利用常見且低成本的材料以及有前景的或適合建筑的可擴(kuò)展工藝展示了μDE的幾種實(shí)施方案，包括金屬、白色和透明變體。除了材料和制造技術(shù)外，本文還展示了幾何可調(diào)性，即利用基于不同城市場景預(yù)期的天空視圖因子來調(diào)整方向發(fā)射率。在戶外實(shí)驗(yàn)中，將μDEs與傳統(tǒng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)做了對比，結(jié)果顯示出理論一致的穩(wěn)態(tài)溫度和高的相對冷卻及加熱功率，這取決于實(shí)際的天氣條件。建筑能源模型顯示，μDEs可以實(shí)現(xiàn)與涼爽屋頂相當(dāng)甚至更高的建筑節(jié)能效果，同時具有方向發(fā)射率和高太陽反射率的優(yōu)勢。綜上所述，本文研究結(jié)果表明μDE概念在建筑上的應(yīng)用非常有前途。

論文信息：Degeorges M, Anand J, Tsang Y C A, Li Z, Varghese NJ, Mandal J. Beyond cooling: Radiative thermoregulation in the Earth’s glow with micropatterned directional emitters[J]. Joule, 2025, 9: 101965.

都看到這里了，關(guān)注一下吧^_^

聲明：本文部分素材源自網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有。分享旨在促進(jìn)信息傳遞與學(xué)術(shù)交流，不代表本公眾號立場，如有不當(dāng)，請聯(lián)系我們處理。歡迎從事【太陽能綜合利用/輻射制冷/微納尺度傳熱】等相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者分享您最新的研究工作，我們將竭誠為您免費(fèi)推送，投稿郵箱：SpaceEnergy@163.com.