网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

Adv. Func. Mater.:方向选择性天空辐射制冷超薄膜用于日间采光窗户

0
分享至





垂直表面(如建筑窗户)的辐射冷却受限于可见光透光率与方向性热发射之间的内在矛盾:传统非对称发射器虽能抑制地面辐射,但完全不透明,无法集成于窗户;现有透明导电氧化物和金属薄膜方案亦因中红外反射率不足或可见光不透明而难以兼顾。基于此,本文提出一种几何介导的透明非对称发射器(Transparent asymmetric emitter, TAE),通过微棱镜阵列设计,在朝向地面的棱镜面上进行部分银覆盖(覆盖率ρAg = 0.6),实现了可见光透光率与中红外方向性发射的解耦控制。角分辨测量显示,TAE在天空方向具有75%的可见光透光率和0.95的中红外发射率,而地面方向的中红外发射率被抑制至0.16。真空实验中最大降温达26.4°C,户外实测在地面温度31.5°C时实现约10°C降温,全球建筑能耗模型预测其在低纬度地区节能效果最优,为窗户集成辐射冷却提供了可行路径。相关工作以Sky-Directional Radiative Cooling Meta-Films for Daylighting Windows为题发表在Advanced Functional Materials期刊。


文章首先提出基于微棱镜阵列的透明非对称发射器设计方案,以三角棱柱的上角α、底角β和地面侧棱面银覆盖率ρAg为结构参数,定义兼顾天空方向可见光透光率和地面方向中红外反射率的品质因子(Figure-of-merit, FoM),经参数扫描确定最优结构(α = 90°、β = 45°、ρAg = 0.6),并通过几何光学追迹揭示银覆盖率过高时全内反射导致透光率下降的机理(图2a–d)。随后通过卷对卷压印和电子束倾斜蒸镀制备该微棱镜薄膜,角分辨光谱测量验证了天空方向平均可见光透光率75%、中红外发射率0.95和地面方向中红外发射率0.16的非对称光学响应,可见光与红外相机图像证实了其角度选择性透明和发射特性(图2e–f)。接着在真空腔中构建冷热板环境以排除对流和传导干扰,随热板温度从30°C升至80°C,TAE相比黑体发射器最大降温26.4°C;户外实测中,TAE与对照样品太阳透光率匹配以解耦太阳加热影响,在地面温度31.5°C时TAE室内空气温度较黑体发射器低10.1°C、较白体发射器低3.2°C,验证了抑制地面辐射和增强天空辐射的双重效果(图3)。之后建立考虑角度依赖光学特性和真实地面温度的建筑能耗模型,以首尔为基准计算逐月能耗,发现TAE在制冷季优势显著,在供暖季接近白体发射器,全年能耗与“理想季节调制”相当;对武汉、菲尼克斯、首尔和费尔班克斯四城市的对比表明低纬度地区TAE节能优势明显,高纬度地区白体发射器更优;进一步将模型扩展至全球6697个气象站点,绘制了TAE相对黑体发射器的年度节能潜力分布图,显示干旱低纬度地区节能最高可达106.5 MJ/m2,而高纬度冷区优势减弱(图4)。最后,通过对比已有非对称发射器的性能,凸显TAE在保持高天空方向发射率的同时兼具可见光透明的独特优势,并讨论了微棱镜结构对成像清晰度的影响以及未来通过减缩特征尺寸实现自清洁功能的改进方向。


图1窗户的透明非对称发射器概念。(a)黑体发射器(Black emitter, BE)、不透明非对称发射器和透明非对称发射器中辐射和太阳相互作用的示意性比较。(B)黑体发射器(顶部)和透明非对称发射器(底部)垂直表面的太阳光谱辐照度和净光谱辐照度。黄线、红线和蓝线表示太阳热收入、地面热通量和净MIR热通量;正值和负值表示净加热和冷却。(c)透明非对称发射器的工作原理的示意图。(d)在Ag涂覆之前(左)和之后(右)PET基微棱镜膜的照片。


图2透明非对称发射器的设计和测量。(a)几何设计和优化过程。定义设计参数的横截面单位晶胞,包括棱镜角(α,β)和银覆盖率(ρAg)(左),以及作为α,β,和ρAg函数的计算优值(FoM)(右)。(b)计算优化结构的全方位光学性能(α= 45 °,β= 90 °,ρAg= 0.6)。可见光透射率(左)和中红外发射率(右)作为入射角(θ)和方位角(ϕ)的函数。蓝色和红色区域分别代表天空和地面角区域。(c)对于各种银覆盖率,ρAg(左),在-90°C至+90°C的入射角(θ)范围内计算的角度分辨可见光透射率,以及ρAg= 1和ρAg= 0时θ= 30°的内部光线跟踪图(右)。(d)计算出的到达后玻璃界面的透射率与后入射角(θr)的函数关系。阴影轨迹表示在后玻璃表面发生全内反射(Total internal reflection, TIR)的光路。(e)测量的可见光透射率的角度分辨光谱(左)。(f)在θ= −60°、−30°、0°、30°和60°时拍摄的TAE可见光和红外图像。


图3透明非对称发射器的室内和室外现场试验。(a-c)采用冷台(0℃)和温控热台的室内真空室测量。(a)真空室配置示意图。(b)TAE和BE热台温度逐步升高时随时间变化的样品温度。(c)稳态温度随热台温度的变化。TAE和BE的阶段温度。(d,e)2025年11月12日在龙仁露天条件下的室外测量。(d)实验装置的照片和示意图,说明了使用黑体吸收器和铝聚酯薄膜反射器的样品安装和热电偶放置。(e)白体发射器(White emitter, WE),TAE,BE、地面和环境空气(顶部)。TAE和WE/BE之间的温差(底部)。


图4全年能耗。(a)建筑能耗模型示意图,包括太阳能增益(Psolar)、传导热传递(Pcond)、辐射交换(Prad)和对流热传递(Pconv),室内和室外窗表面温度(Tw, in和Tw, out)。(b)韩国首尔的Emon(Monthly cooling and heating energy)和平均地面温度。(c)计算四个代表性城市(武汉、凤凰城、首尔和费尔班克斯)的年平均温度。(d)考虑相邻结构时,计算出的相同四个城市的年制冷量。(e)计算出的全世界许多城市的TAE与具有相邻结构的建筑物的BE相比的年制冷节能潜力。

小结:为解决垂直窗户辐射冷却中可见光透明与方向性热发射难以兼顾的问题,文章提出了基于微棱镜阵列几何光学设计的透明非对称发射器策略。研究首先建立以三角棱柱角度和地面侧棱面银覆盖率为变量的品质因子优化框架,经参数扫描确定最优几何构型(α = 90°、β = 45°、ρAg = 0.6),并通过光线追迹阐明银覆盖率过高时全内反射导致透光率损失的机理。随后通过卷对卷压印和电子束倾斜蒸镀制备TAE薄膜,角分辨光谱和红外热像表征显示其天空方向可见光透光率达75%、中红外发射率0.95,而地面方向中红外发射率仅0.16。冷却性能上,真空腔中TAE在热板80°C时相对黑体发射器降温26.4°C;户外实测中在地面温度31.5°C时室内空气温度较黑体发射器低10.1°C、较白体发射器低3.2°C,证实了抑制地面寄生热吸收和增强天空辐射冷却的双重收益。最后,建立包含角度依赖光学特性和真实地面温度的建筑能耗模型,计算全球6697个气象站点的年度能耗,揭示低纬度干旱地区节能潜力最高可达106.5 MJ/m2,且TAE全年能耗与“理想季节调制“相当,为窗户集成辐射冷却提供了可扩展、高效且与现有玻璃基础设施兼容的解决方案。

论文信息:Yu, S., Kim, J., He, J., Kang, G., Ko, H., Koo, D., Hu, R., &Kim, S. Sky-Directional Radiative Cooling Meta-Films for Daylighting Windows. Advanced Functional Materials e77831 (2026).

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:wangcunhai@ustb.edu.cn,微信:Cunhai_Wang (读者交流群也请添加此微信并注明姓名-单位-空天热辐射交流群).

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
出差回来的第一晚,为什么性生活格外爽?

出差回来的第一晚,为什么性生活格外爽?

精彩分享快乐
2026-10-16 21:00:07
薄一波究竟属于哪一级别?是正国级,还是副国级?

薄一波究竟属于哪一级别?是正国级,还是副国级?

人生录
2026-10-15 05:18:24
奉劝60到70岁的男性,这个岁数如果贪色,就是这辈子最致命的坑

奉劝60到70岁的男性,这个岁数如果贪色,就是这辈子最致命的坑

皓皓情感说
2026-09-16 09:00:29
公安紧急提醒:门外响起这5句话,千万别开门!

公安紧急提醒:门外响起这5句话,千万别开门!

娱乐洞察点点
2026-10-26 14:37:47
塞尔维亚政坛一夜变天!武契奇爆冷落败!中国73亿欧元投资怎么办

塞尔维亚政坛一夜变天!武契奇爆冷落败!中国73亿欧元投资怎么办

余憁搞笑段子
2026-10-26 18:30:18
以政坛变天!内塔总理之位不保,美国增兵中东,伊朗做好最坏打算

以政坛变天!内塔总理之位不保,美国增兵中东,伊朗做好最坏打算

浮光惊掠影
2026-10-27 00:32:30
街霸 真人快打被搬上大银幕 下一款拳皇还是VR战士?

街霸 真人快打被搬上大银幕 下一款拳皇还是VR战士?

游民星空
2026-10-25 22:38:04
老话说“深秋吃三宝,秋冬腿脚好”,“3宝”指的是啥?别不懂吃

老话说“深秋吃三宝,秋冬腿脚好”,“3宝”指的是啥?别不懂吃

江江食研社
2026-10-26 11:30:23
出名后出轨保姆、气死原配,如今77岁的他晚景凄凉,子女与其割席

出名后出轨保姆、气死原配,如今77岁的他晚景凄凉,子女与其割席

不似少年游
2026-10-23 16:49:52
再打下去可能灭国,四年前乌克兰还有4300多万人,如今还有多少?

再打下去可能灭国,四年前乌克兰还有4300多万人,如今还有多少?

纪史行者
2026-10-27 02:50:05
恭喜郭富城61岁大寿!和满1周岁三宝一起庆生,送女儿传家宝礼物

恭喜郭富城61岁大寿!和满1周岁三宝一起庆生,送女儿传家宝礼物

安海客
2026-10-27 11:45:15
8登春晚的“金童”毛宁,57岁县城唱《涛声依旧》,早已无人问津

8登春晚的“金童”毛宁,57岁县城唱《涛声依旧》,早已无人问津

仙气美少女
2026-10-27 10:17:45
拉赫季丢了,亚丁危!

拉赫季丢了,亚丁危!

星火聊天下
2026-10-27 07:10:19
印度打不赢巴基斯坦是因为后面有个中国,俄罗斯打不赢乌克兰是因为后面有个欧洲,美以联军打不赢伊朗是因为什么呢?

印度打不赢巴基斯坦是因为后面有个中国,俄罗斯打不赢乌克兰是因为后面有个欧洲,美以联军打不赢伊朗是因为什么呢?

扶苏聊历史
2026-10-06 11:41:05
5种鱼已被列入致癌名单,吃多了会致癌?医生劝告:尽量少吃

5种鱼已被列入致癌名单,吃多了会致癌?医生劝告:尽量少吃

坠入二次元的海洋
2026-10-18 17:19:45
反诈博主2年前遭买凶遇害曾举报电诈大佬、太子集团刘忍

反诈博主2年前遭买凶遇害曾举报电诈大佬、太子集团刘忍

环球趣闻分享
2026-10-27 13:50:11
丰田全新中大型SUV曝光,大汉兰达的兄弟车型,搭载2.4T混合动力

丰田全新中大型SUV曝光,大汉兰达的兄弟车型,搭载2.4T混合动力

沙雕小琳琳
2026-10-27 07:59:53
震惊!自媒体人“徽剑”两年前已遇害,曾举报电诈大佬刘忍,质疑电视台卧底报道

震惊!自媒体人“徽剑”两年前已遇害,曾举报电诈大佬刘忍,质疑电视台卧底报道

深蓝财经
2026-10-27 11:30:31
国区独享,iOS 27.2能关掉摇一摇跳转广告

国区独享,iOS 27.2能关掉摇一摇跳转广告

安卓中国
2026-10-27 11:26:12
中央巡视组已全部进驻,举报联系方式公布,这些问题抓紧反映!

中央巡视组已全部进驻,举报联系方式公布,这些问题抓紧反映!

细说职场
2026-10-27 13:16:26
2026-10-27 14:35:00
热质纳能 incentive-icons
热质纳能
传热、传质、纳米、能源
3079文章数 78关注度
往期回顾 全部

科技要闻

Anthropic最硬气招股书,先把丑话说在前头

头条要闻

上海女子继承2亿遗产 结婚才1年的丈夫起诉离婚分财产

头条要闻

上海女子继承2亿遗产 结婚才1年的丈夫起诉离婚分财产

体育要闻

世界上最无趣的前锋,拿下了金球奖

娱乐要闻

8登春晚毛宁,57岁唱涛声依旧无人问津

财经要闻

金价跌回8字头

汽车要闻

云辇-M上车 第二代海豹07让驾驶者也能爱上的家用车

态度原创

房产
健康
教育
时尚
家居

房产要闻

从全国第一跌到第七!海南人,放下生娃焦虑!

查不出猝死风险?可能是项目没做对

教育要闻

中石化2027校招5011人,报名27万+,最大竞争比309:1

王菲到底影响了多少人?

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

无障碍浏览 进入关怀版