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，温暖天气会使建筑物吸收热量，寒冷天气会使其损失热量，这限制了传统建筑全向发射围护结构的热性能。本文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 ）来应对这一挑战，该设计向寒冷的天空辐射热量，同时阻断其与地表环境的辐射热交换，从而实现建筑物在四季中的被动温控。 μDE 可以由低成本材料和可扩展制造技术制成，外观有金属色和白色两种，并且可以根据不同的城市环境几何调整其定向发射率，适用于墙体和窗户的应用。它在温暖条件下制冷、凉爽条件下制热的温控机制显著节省了它的季节性能源消耗，优于传统的全向建筑围护结构， μDE 在温控建筑方面具有很高的潜力。相关工作以 Beyond cooling: Radiative thermoregulation in the Earth ’ s glow with micropatterned directional emitters 为题 发表在Joule期刊 。

本文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）：首先从温暖和寒冷天气中建筑物的热量流动平衡出发，分析了建筑立面辐射环境的季节变化原理，据此给出了μDE的设计方案，如图1所示；为了展示在建筑物立面面临多种天空视图因素以及复杂冷却需求的条件下μDEs的温控潜力，考虑了一种梯度定向发射器的冷却性能，图2为梯度定向发射器与全向发射器的热调节潜力对比；设计了一种用于墙壁的太阳反射型变体，图3为该μDE的材料和光学表征；设计了一种用于窗户的可见透明型变体图4为透明μDE的设计和光学表征；为了测试μDE相对于全向发射器的被动热调节性能，进行了实验演示，结果如图5所示；图6为μDEs在建筑层面上相比于传统白色涂料的节能优势。

图1.建筑立面辐射环境的季节变化及μDE设计。(A)建筑物温度示意图，展示了在温暖和寒冷天气中流入流出的净辐射热流；夏季和冬季地表热流造成的不必要加热和冷却负荷；(b)解决方案示意图，锯齿状μDE面向地面的面用金属覆盖以减少与地面的季节性辐射热交换，而其面向天空的面则保持裸露以保证热量向天空持续散失。层压板反射阳光，透射TIR辐射，并提供防风避雨保护。

图2.定向发射器相对于全向发射器的热调节潜力。(A)在沙漠（TPW = 10.5 mm）和极度潮湿（TPW = 58.6 mm）条件下，梯度定向发射器（Tdirectional）与理想全向发射器（Tomnidirectional）之间的Pcooling差异随Tground和Tamb的变化；(B)梯度定向发射器（Tdirectional）与理想全向发射器（Tomnidirectional）之间的稳态温差。

图3.μDE的材料和光学表征。(A) μDE顶部为具有太阳反射性的多孔PE层压板；(B)显微照片显示了三角形的微图案，其中金属化面朝地面，裸露的水平面朝天空；(C)纳米多孔PE层压板的扫描电子显微照片；(D)从上方和下方观察μDE的照片和LWIR热成像图，μDE安装在部分涂漆的铝基板上，左侧是高ε（油漆涂层），右侧是低ε（裸铝）。从照片中铝的蓝色反射和热图中的低辐射度（黑色）可以明显看出装置位置反映了寒冷的天空。从上方看，μDE显示出微图案发射器的颜色（照片中的白色、蓝色和黄色）以及高辐射度（热图中的白色），表明ε很高。从下方看，μDE显示出天空的金属反射和低ε（照片中的蓝调，热图中的黑色）；(E)梯度定向发射器、μDE和PE层压μDE在地平线上下45°处的光谱反射率。(F) μDE和PE层压μDE的发射率随相对于地平线角度的变化。蓝色背景表示地平线以上的环境，而红色背景则对应地平线以下的地球环境。

图4.透明μDE的设计和光学表征。(a)具有锯齿状图案的透明μDE的示意图，透明PE层压板恢复了因图案和折射率变化的组合效应而被扭曲的图像。(B)透明μDE样品与PE层压板的显微图和照片；(C)透过透明μDE看到的图像；(D)透明μDE的发射率随相对于地平线角度的变化。图3中的不透明μDE的曲线用于对比。蓝色背景表示地平线以上的环境，而红色背景则对应地平线以下的地球环境。(E)透明μDE的紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）直接透射率、总透射率和反射率以及低ε涂层在正入射条件下的总透射率；(F)透明μDE在正常入射角和地平线以上和以下45◦处的TIR光谱全反射率。

图5. μDE相对于全向发射器的被动热调节的实验演示。(A)稳态温度测量的实验设置，功率流测量类似，只是热负荷连接在发射器背面；(B)在温暖和寒冷天气下，μDE与传统白色油漆之间的稳态温差，☼和☾分别表示白天和夜晚，误差条代表测量或理论预测的不确定性；(C)实验1的温度-时间图，显示了环境空气温度（Tamb）、环境宽带辐射温度（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）在温暖天气下的温度。物体的辐射温度定义为发出相同热辐射量的黑体的温度。

图6.与传统白色涂料相比，μDEs在建筑层面上实现节能。(A)研究的中型住宅建筑示意图（跨度为30 m×30 m，高度为15 m），其中15%的立面是窗户；(B)模拟场景，每个场景都涉及用μDEs替换应用于墙壁和窗户的全向发射器。场景1考虑了假设的发射器，而场景2和3则考虑了所制造的μDEs；(C)在凤凰城、海伦娜和迈阿密的场景1中实现了节能。青绿色柱状图表示温暖季节（5月至10月）的节能情况，这一时期以冷却需求为主；红色柱状图则对应凉爽季节（11月至4月），深青绿色/红色柱状图代表墙体保温良好（R-13）的建筑，浅青绿色/红色柱状图代表砖墙建筑，虚线表示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。(E)情景3的类似图。

小结：本文展示了一种具有超宽带定向热发射率的微图案定向发射器μDE，其发射面和反射面赋予了它在热波长范围内以及大角度下的超宽带、方位选择性热发射。在建筑物上，μDE可以通过减少夏季的地面辐射热量吸收和冬季的地面辐射热量损失来实现一种新颖且被动的季节性温控功能。本文利用常见且低成本的材料以及有前景的或适合建筑的可扩展工艺展示了μDE的几种实施方案，包括金属、白色和透明变体。除了材料和制造技术外，本文还展示了几何可调性，即利用基于不同城市场景预期的天空视图因子来调整方向发射率。在户外实验中，将μDEs与传统建筑围护结构做了对比，结果显示出理论一致的稳态温度和高的相对冷却及加热功率，这取决于实际的天气条件。建筑能源模型显示，μDEs可以实现与凉爽屋顶相当甚至更高的建筑节能效果，同时具有方向发射率和高太阳反射率的优势。综上所述，本文研究结果表明μDE概念在建筑上的应用非常有前途。

论文信息：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.

都看到这里了，关注一下吧^_^

声明：本文部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流，不代表本公众号立场，如有不当，请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作，我们将竭诚为您免费推送，投稿邮箱：SpaceEnergy@163.com.