作為一種新興的制冷技術，被動式日間輻射制冷技術（PDRC）利用大氣窗口（ATW，8-13μm）通過輻射換熱將物體表面熱量傳輸到-270°C外太空，并通過增強太陽光譜（0.3-2.5μm）的反射率來減少熱量吸收。在不消耗任何能源的情況下實現溫度降低，可廣泛應用于零能耗建筑、太陽能電池、戶外電力設備等場景。但現有的PDRC技術缺乏自適應調控輻射特性能力，在寒冷冬季持續(xù)冷卻物體導致供暖能耗顯著增加，入射太陽輻射功率（~1000W/m2）與輻射制冷功率（~100W/m2）間近十倍的差異使得ATW的高效調控變得困難。因此，迫切需要開發(fā)針對太陽光的具備自適應光譜調控能力的PDRC技術來實現“冬暖夏涼”。
近日，哈爾濱工業(yè)大學王富強教授課題組與中建中環(huán)合作，針對太陽輻射功率是輻射制冷功率近十倍這一特點，受納米比亞變色龍跨季節(jié)自適應皮膚控溫啟發(fā)，將溫度自適應輻射調控技術與PDRC技術有效結合。針對目前輻射制冷涂層寒冷季節(jié)增加額外采暖能耗的問題，提出了一種高溫制冷、低溫吸熱的“冬暖夏涼”仿生變色龍跨季節(jié)自適應控溫輻射制冷涂層并探索其應用潛力。設計并制備的具有顏色可變性的溫度自適應輻射冷卻涂層（TARCC）實現了41%的可見光調節(jié)能力，跨季節(jié)戶外測試證實其可靠性：在夏季，TARCC表現出高太陽反射率(～93%)和大氣透射窗發(fā)射率 (～94%)，實現低于環(huán)境溫度6.5 °C。冬季，TARCC的深色強烈吸收太陽輻射，實現高于環(huán)境溫度4.3 °C。TARCC在中緯度地區(qū)每年可節(jié)省高達20%的能源，并可增加55%的適宜小時數。該工作為自適應控溫輻射制冷技術的實際應用提供了新的研究思路，設計制備的TARCC以其低成本、易于準備和簡單的結構，有望實現可持續(xù)和舒適的室內環(huán)境。
圖1. 自適應輻射制冷涂層（TARCC）的理論設計。（A）TARCC在不同季節(jié)的工作原理示意圖；（B）不同粒子在不同入射光下的電場強度圖；（C）非均一混合粒徑設計；（D）自適應控溫變色機理。
圖2. TARCC的制備和表征。（A）制備過程示意圖；（B）SEM圖像；（C）不同溫度下的光譜特性；（D）升溫和降溫過程的平均光譜反射率；（E）熱循環(huán)穩(wěn)定性；（F）不同溫度下的顏色響應；（G）顏色拓展性。
圖3. 自適應輻射制冷涂料戶外測試。（A）標準化實驗裝置示意圖及實物圖；（B）不同環(huán)境溫度和太陽輻照度下的溫度對比；不同材料在炎熱季節(jié)（夏季，C）、寒冷季節(jié)（冬季，D）以及過渡季節(jié)（春季/秋季，E）的溫度對比。
圖4. TARCC在戶外建筑的應用測試。（A）三座相同的戶外建筑，分別涂有輻射制冷涂層/彩鋼瓦/自適應輻射制冷涂層；（B）建筑屋頂的紅外熱圖像；不同建筑在炎熱季節(jié)（夏季，C）、寒冷季節(jié)（冬季，D）和過渡季節(jié)（春季/秋季，E）的室外溫度對比。
圖5. 節(jié)能潛力分析。（A）不同材料屋頂表面溫度的適宜小時數對比；（B）全球典型城市能耗分析；（C） 全球涂料節(jié)能潛力圖。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02733
課題組相關進展
哈爾濱工業(yè)大學王富強《Nano Energy》：仿生人體皮膚褶皺結構的高效輻射制冷涂層
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521006327
哈爾濱工業(yè)大學王富強《Advanced Optical Materials》封面文章：具有多波段輻射調節(jié)性能的低成本、可規(guī)模化生產的仿生輻射制冷玻璃
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202202031
哈爾濱工業(yè)大學王富強《ACS Photonics》封面文章：兼顧光學性能和應用需求的仿生皮膚輻射制冷織物
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.3c00241
哈爾濱工業(yè)大學王富強《Applied Energy》：具備遮蓋層的日間輻射制冷涂層，兼顧高光學性能、薄厚度以及優(yōu)異的戶外耐用性
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261923006372
