NC：定向热辐射实现高效节能

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论文信息：Hao Pan, Naiqin Yi, Xuechao Li, Yuelun Leng, Yang An, Weifeng Meng, Xuezhi Zhang, Fan Jiang, Zifu Xu, Fei Xie, Weiqiang Chen, Tianji Liu, Longnan Li, Donglin Xue, Wei Li. Directional thermal emission enables efficient energy savings. Nature Communications (2026).

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76043-z

研究背景

热辐射是太阳能利用、辐射冷却、工业热处理、航天器热控、建筑与人居热舒适等领域的核心传热方式，占人体散热的50%以上、工业与建筑加热系统换热的60%以上。然而，传统辐射传热系统天然依赖全向热发射——热量均匀向所有方向发散，导致大量能量耗散在非目标方向上，从根本上限制了辐射换热效率的提升。

尽管学界已借助声子极化激元光栅、光子晶体、天线、超表面、梯度近零介电常数（ENZ）材料、微结构等多种策略实现了热辐射的方向控制，但既往研究大多聚焦于发射端结构设计本身，方向特性究竟如何影响辐射换热效率始终是开放问题；同时，传统视角因子（view factor）方法在方向上默认全向辐射的假设，无法直接用于方向辐射系统的定量分析。这两道鸿沟，使得"定向热发射能否、以及在多大程度上能提升换热效率"这一根本问题长期悬而未决。

研究内容

本文跳出"为定向而定向"的传统思路，首次建立定向辐射传热的理论框架，将辐射换热效率与发射端/吸收端的方向特性直接关联。突破视角因子法的全向假设，引入传递因子

该因子同时计入几何对准与方向辐射特性，定量刻画"发射端发出的辐射功率中真正被目标吸收端拦截并吸收的有效比例"，并直接决定辐射换热效率 η。

选用两种已有报道的定向发射器（角度非对称发射器、±40°高发射锥），分别在真空腔（~6×10⁻⁶ Torr）与典型室内环境（h_conv≈7 W·m⁻²·K⁻¹）中搭建System I/II/III三类系统对照测试。

图1|高效定向辐射传热的理论分析。a、三种系统中的辐射传热：系统Ⅰ（黑体发射器和黑体吸收器）、系统Ⅱ（定向发射器和黑体吸收器）和系统Ⅲ（定向发射器和定向吸收器）。定向发射器和吸收器有效地抑制了对背景的辐射损失。b、辐射传热效率对于三个系统作为传递因子的函数femi→abs和fabs→emi。系统Ⅲ（彩色表面）通过剪裁传递因子emi→abs和abs→emi实现了100%的理论效率，优于系统Ⅰ（星形标记）和系统Ⅱ（红线）。环境温度、吸收器温度和寄生传热系数分别设置为Tamb=20°C、Tabs=50°C和=0 W m−2 K−1。发射器和吸收器的宽度都为w=100 mm，并且面对面放置，间隔距离为d=50 mm。c，d，辐射传热效率（c）和发射器温度Temi（d）作为三个系统吸收器温度Tabs的函数。在相同的吸收器温度下，SystemⅢ（红色实线）不仅实现了更高的效率，而且比SystemⅠ（蓝色圆圈）和SystemⅡ（黄色虚线）表现出更低的发射器温度。在（c）和（d）中，系统 Ⅰ, Ⅱ, 和系统III的femi→abs分别为0.42、1和1。相应的传输因子fabs→emi值为0.42、0.42和1。

真空环境：定向辐射换热节能67.8%。场景一（100 mm×100 mm发射端水平放置、同尺寸吸收端垂直位于其边缘10 mm处）：吸收端加热至~36°C时，System I/II/III 功耗分别为375、232、153 W·m⁻²，效率7.3%/13.6%/17.6%，System III 相对 System I 节能59.2%。场景二（30 mm×30 mm发射端与吸收端平行、间距30 mm）：System I/II/III 功耗分别为643、365、207 W·m⁻²，效率9.2%/14.6%/20%，System III 相对 System I 节能67.8%。实验数据点（星形标记）与理论曲线吻合良好。

图2|真空环境下高效辐射传热演示。a、内表面温度为24℃的真空室中定制定向辐射加热装置示意图，方案1（b）和方案2（c）中定向发射器在10μm波长下的光谱角发射率 ε(, ) (左）和角发射率10μm(, ) (右）随天顶（θ）和方位（φ）角而变化。在这两种情况下，与SystemⅡ（黄色）和SystemⅠ（蓝色）相比，SystemⅢ（红色）都实现了最高的效率和最低的功耗。f， g，在不同吸收器温度下测量了方案1（f）和方案2（g）中三个系统的稳态发射极温度。

非真空室内环境：节能28.7%。在室内典型对流条件下同步测试三系统：场景一吸收端加热至~26°C时，System I/II/III 功耗786、668、565 W·m⁻²，效率6.7%/9.6%/11.2%，System III 节能28.1%；场景二功耗752、625、536 W·m⁻²，效率8.7%/10.8%/12.6%，System III 节能28.7%。尽管对流与传导引入了额外的寄生热损失，定向辐射换热仍展现出显著的节能潜力，且发射端温度依旧最低。

图3|典型室内环境中高效辐射传热的演示。a、典型室内环境中定制定向辐射供暖设置的示意图。b、c、场景1（b）和场景2（c）中不同吸收器温度下三个系统的功耗消耗和效率的理论（线）和实验（星形标记）结果。虽然典型的室内环境引入了额外的对流和传导热损失，但SystemⅢ（红色）与SystemⅡ（黄色）和SystemⅠ（蓝色）相比，在21°C的环境温度下仍然实现了最高的效率和最低的功耗。d、e、不同吸收器温度下场景1（d）和场景2（e）中三个系统的测量稳态发射极温度Temi和 Tabs。

车辆应用：电动车座舱加热节能22.7%。在环境模拟舱（ESC）中模拟-20°C、50%RH冬季工况，将200 mm×200 mm的定向发射器与黑体发射器分别置于仪表台上加热车内假人。将假人加热至约-17.2°C与-15.6°C时，黑体发射器需1540与1871 W·m⁻²，定向发射器仅需1190与1540 W·m⁻²，节能22.7%与17.7%；相同功耗下定向发射器可使假人达到更高温度。红外热像仪直观显示定向发射器将热流精准"投射"至目标区域，而非全向散射至整车舱内。

图4|车辆中的定向辐射加热性能。a、控制车外环境温度（-40至45°C）和相对湿度（10%至90%）的环境模拟室（ESC）中定向辐射加热装置的照片。b、放置在仪表板上的黑体发射器和定向发射器在车内加热人体模型的示意图。c、d、将人体模型加热到大约-17.2°C（c）和-15.6°C（d）时黑体发射器（红线）和定向发射器（绿线）的功耗。定向发射器与黑体发射器相比，在-17.2°C下实现了22.7%的功耗降低，在-15.5°C下实现了17.7%的功耗降低。e、不同功耗下定向和黑体发射器加热人体模型的红外图像。在相同功耗，定向发射器产生比黑体发射器更高的人体模型温度。

多场景工业与民用节能17%–46%。以车漆烘干（室内，T_amb=20°C，h_conv=2–8 W·m⁻²·K⁻¹）、人体加热（室内，T_amb=0°C，h_conv=2–8 W·m⁻²·K⁻¹）、铁路货车解冻（户外，T_amb=-20°C，h_conv=10–25 W·m⁻²·K⁻¹）为典型案例的计算分析表明：黑体发射器在向目标加热的同时，也将大量辐射浪费在周边物体上；定向发射器将辐射通量主瓣精准指向目标区域，节能幅度分别达22%–35%、32%–46%、17%–25%。

图5|各种实际场景中的高效辐射传热。a、在不同的环境温度和对流系数下，评估了定向辐射传热在三种场景下的节能潜力：车漆干燥、人体加热和轨道车解冻。b-g、辐射通量分布（b、d、f）和加热功耗（c、e、g），以实现目标温度。在车漆干燥、人体加热和轨道车解冻中，焦油分别为60℃、10℃和5℃。定向发射器将辐射通量集中在目标区域，实现了显着的节能，而黑体发射器加热目标区域和不需要的区域。辐射通量表示单位面积接收的总辐射。车漆干燥的环境温度设置为20℃（b，c），人体加热的环境温度设置为0℃（d，e），轨道车解冻的环境温度设置为20℃（f，g）。每个场景的对流系数hconv是根据现实条件确定的。

结论与展望

本工作突破了"辐射换热效率受限于几何视角因子"的传统认知，首次建立定向辐射换热的传递因子理论，证明当发射端与吸收端方向特性完美匹配时，平行板系统的辐射换热效率可从常规29%提升至理论上限100%。实验上在真空环境实现67.8%的节能，在非真空室内环境实现28.7%的节能；并在电动车座舱加热中实现22.7%的节能，在工业烘干、人体加热、铁路解冻等场景中实现17%–46%的节能。定向辐射换热不仅效率最高，且发射端工作温度最低——这对区域供热管网、工业高温加热等场景的安全稳定运行具有重要意义。后续需攻克定向发射器规模化制备与动态调控瓶颈，通过发射-吸收端协同设计推动技术落地，为辐射换热高效节能与多领域降碳提供新方案。