低于環(huán)境的日間輻射冷卻通過向外太空發(fā)射熱輻射，使溫度能夠被動地低于環(huán)境溫度，即使在陽光直射下也是如此，這項技術(shù)有望應(yīng)用于許多激動人心的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，以前的亞環(huán)境日間輻射冷卻演示需要直接面向天空的表面，而這些表面不能應(yīng)用于在實際場景中無處不在的垂直表面，例如建筑物和車輛。
在這里，中國科學(xué)院長春光機(jī)所李煒研究員，美國斯坦福大學(xué)范汕洄教授和紐約城市大學(xué)Andrea Alu教授等人展示了在高峰陽光下，使用層次化設(shè)計、角度不對稱、光譜選擇性的熱發(fā)射器對垂直表面進(jìn)行亞環(huán)境日間輻射冷卻。在大約920瓦特每平方米的高峰陽光下，本文的發(fā)射器達(dá)到了比環(huán)境溫度低約2.5℃的溫度，與硅–聚合物混合輻射冷卻器和商業(yè)白色油漆相比，分別實現(xiàn)了約4.3℃和8.9℃的溫度降低。
相關(guān)文章以“Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces”為題發(fā)表在Science上。
隨著全球變暖和日間最高溫度的上升，對制冷的需求一直在飆升。然而，大多數(shù)傳統(tǒng)的制冷策略需要能源輸入，這進(jìn)一步增加了溫室氣體排放和全球變暖。實現(xiàn)不需要能源消耗的被動制冷策略對于應(yīng)對日益增長的制冷需求和實現(xiàn)節(jié)能至關(guān)重要。輻射制冷是一種可以通過大氣透明窗口將熱量以熱輻射的形式散發(fā)到外太空的過程，提供了一種有趣的被動制冷策略。在其發(fā)展過程中，一個重要的里程碑是展示了亞環(huán)境日間輻射制冷，這是通過設(shè)計一種納米光子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，該結(jié)構(gòu)能夠強(qiáng)烈反射陽光同時發(fā)射紅外（IR）熱輻射。這樣的設(shè)備即使在直射陽光下也能低于周圍環(huán)境溫度，并且不需要能源輸入。實現(xiàn)亞環(huán)境輻射制冷為建筑、車輛、紡織品以及水和能源收集的制冷開辟了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其中達(dá)到亞環(huán)境溫度是至關(guān)重要或非常有益的。迄今為止，已經(jīng)在多種系統(tǒng)中展示了亞環(huán)境日間輻射制冷器，包括納米光子結(jié)構(gòu)、混合超材料、多孔和納米纖維材料以及聚合物薄膜。
大多數(shù)關(guān)于日間輻射制冷的先前報告考慮的是一個直接面向天空的表面，通常實施在屋頂上。這種幾何形狀有助于紅外熱輻射向太空發(fā)射，這是這種制冷方法的核心。然而，在許多需要制冷的場景中，如建筑物、車輛和紡織品，大多數(shù)外表面實際上是垂直的，因此并不直接面向外太空，這使得通過紅外熱輻射進(jìn)行有效制冷變得困難。盡管已有幾項努力嘗試這樣做，但為垂直表面展示亞環(huán)境日間輻射制冷一直具有挑戰(zhàn)性
為了理解這種展示的挑戰(zhàn)，本文考慮了一個垂直表面的凈制冷功率Pnet(T)（圖1A）：
基于Pnet(T)，表面通過熱輻射發(fā)射Prad(T)，并吸收太陽能PSun、向下的大氣熱輻射Patm(Tamb)、向上的地面熱輻射Pground(Tg)，以及來自周圍環(huán)境的對流和傳導(dǎo)熱功率Pcond+conv。Pground(Tg)這一項是垂直表面獨有的，通常在屋頂制冷場景中并不相關(guān)。
為了實現(xiàn)垂直表面的亞環(huán)境日間輻射冷卻，發(fā)射器必須滿足一系列非常嚴(yán)格的約束條件，包括在太陽波長范圍內(nèi)具有強(qiáng)烈的反射率，以及在中紅外波長范圍內(nèi)具有強(qiáng)烈的角向和光譜選擇性熱輻射率。與水平表面相比，垂直表面的冷卻能力大大減少，因為天空的可及性遠(yuǎn)遠(yuǎn)有限，這轉(zhuǎn)化為對太陽反射率的更為嚴(yán)格的要求。本文的理論分析和實驗結(jié)果表明，垂直表面需要將PSun限制在<40 W m-2以實現(xiàn)亞環(huán)境冷卻。此外，垂直表面還受到向上的地面輻射的影響。在白天，由于太陽加熱，地面溫度Tg可能遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。因此，針對在水平表面上部署而優(yōu)化的傳統(tǒng)熱發(fā)射器，通常是全向的，當(dāng)放置在垂直表面上時，在假定的日間高峰陽光條件下無法達(dá)到亞環(huán)境溫度。相反，發(fā)射器需要支持強(qiáng)烈的角向不對稱熱發(fā)射，以最小化來自向上地面輻射Pground(Tg)的吸收，同時最大限度地向天空發(fā)射。最后，發(fā)射率還需要在大氣透明窗口（8至13 μm）內(nèi)具有光譜選擇性，以最小化向下大氣熱輻射Patm(Tamb)和太陽吸收PSun。
圖1：垂直表面日間亞環(huán)境輻射冷卻的設(shè)計考慮。
作者提出了、設(shè)計并展示了一種角向不對稱、光譜選擇性（AS）熱發(fā)射器，以在日間高峰陽光下實現(xiàn)垂直表面的亞環(huán)境日間輻射冷卻。本文的發(fā)射器由鋸齒狀光柵組成，其周期遠(yuǎn)大于熱波長，上面覆蓋有紫外線–可見光（UV-VIS）反射紅外透明納米多孔聚乙烯（nanoPE）薄膜。在超過920 W m-2的峰值太陽輻照度下，發(fā)射器達(dá)到了比環(huán)境溫度低2.5° ± 0.7°C的溫度，以及與具有最先進(jìn)性能的硅–聚合物混合輻射冷卻器和商業(yè)白色油漆相比，分別實現(xiàn)了4.3° ± 0.2°C和8.9° ± 0.2°C的溫度降低。結(jié)果實現(xiàn)了熱輻射的角向和光譜控制，并展示了即使在日間高峰陽光下，垂直表面也能達(dá)到亞環(huán)境日間輻射冷卻。這一展示表明了輻射冷卻中未開發(fā)的機(jī)會，并指向了操縱輻射熱流的新方向。
圖2：AS發(fā)射器的設(shè)計。
圖5：建筑墻體應(yīng)用的實驗與理論分析。
Fei Xie?, Weiliang Jin?, J. Ryan Nolen?, Hao Pan?, Naiqin Yi, Yang An, Zhiyu Zhang, Xiangtong Kong, Fei Zhu, Ke Jiang, Sicong Tian, Tianji Liu, Xiaojuan Sun, Longnan Li, Dabing Li, Yun-Feng Xiao, Andrea Alu*, Shanhui Fan*, Wei Li*,?Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces, Science,
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