短波發(fā)射體為高于環(huán)境溫度的垂直表面提供了輻射制冷方案

論文信息：Zeng ZW, Ma YH, Chen H, et al. Shortwave emitters enable radiative cooling of above-ambient vertical surfaces. Materials horizons, Published online April 21, 2026. doi:10.1039/d6mh00368k

論文鏈接：https://doi.org/10.1039/d6mh00368k

研究背景：

隨著全球變暖，被動輻射制冷作為一種零能耗冷卻方式受到廣泛關(guān)注。然而，大多數(shù)輻射制冷材料針對水平或天空朝向表面設(shè)計，而現(xiàn)實中大量設(shè)備（如變電站、通信基站、工業(yè)管道）以垂直立面形式存在，且工作溫度常高于環(huán)境溫度。傳統(tǒng)選擇性發(fā)射體雖能抑制周圍環(huán)境熱輻射吸收，但在高溫工況下反而限制了設(shè)備與冷源（地面、空氣）的熱交換。因此，亟需一種適應(yīng)垂直、高溫、強日照的新型輻射制冷材料。

研究內(nèi)容：

為揭示垂直表面輻射冷卻的基本原理差異，四川大學(xué)趙海波教授聯(lián)合中建西南院薛曉團隊對比了環(huán)境溫度與高于環(huán)境溫度兩種工況下選擇性冷卻器和寬帶冷卻器的能量吸收與釋放行為。在環(huán)境溫度工況下，選擇性發(fā)射體可有效阻擋來自周圍物體的熱輻射，因而表現(xiàn)更優(yōu)；但當(dāng)設(shè)備表面溫度高于環(huán)境時，大氣、地面和周圍物體反而成為冷源，此時寬帶發(fā)射體能夠與非大氣窗口波段（尤其是短波紅外）進行更高效的輻射換熱。實測的物體溫度曲線以及不同加熱功率下的冷卻功率對比數(shù)據(jù)明確指出，隨著溫度升高，寬帶冷卻器的冷卻功率迅速超越選擇性冷卻器。

圖1：高于環(huán)境溫度運行的設(shè)備垂直表面輻射制冷示意圖

(A) 垂直工況下，選擇性冷卻器與寬頻冷卻器的能量吸收與釋放示意圖：（左）環(huán)境溫度條件下；（右）高于環(huán)境溫度條件下

(B) 垂直工況下各物體的實時溫度曲線（成都，2026 年 3 月 24 日）

(C) 城市場景下設(shè)備散熱示意圖

(D) 輻射強度的光譜分布

(E) 開闊場景下，垂直工況中選擇性與寬頻冷卻器件的輻射制冷功率（加熱功率為 200 W?m?2）

冷卻器的具體設(shè)計上，根據(jù)普朗克定律，高溫物體的熱輻射峰值向短波方向移動，因此研究團隊特別關(guān)注2.5–8 μm短波紅外區(qū)的發(fā)射率。因此團隊選擇熱塑性聚氨酯（TPU）作為基體，引入二維氮化硼（BN）作為高導(dǎo)熱、高折射率的散射劑。掃描電鏡圖像顯示TBC具有非多孔的致密結(jié)構(gòu)，其熱導(dǎo)率達到0.753 W/m·K，遠高于多孔TPU的0.068 W/m·K。由于BN的高后向散射效率，僅200 μm厚的TBC即可實現(xiàn)91.9%的太陽反射率，同時在8–13 μm大氣窗口的發(fā)射率達90%，在2.5–8 μm短波區(qū)的發(fā)射率高達91.4%。

圖2：TBC 發(fā)射體的設(shè)計與表征

(A) 不同溫度下的黑體輻射強度，以及中紅外（MIR）波段的 TPU 官能團選擇

(B) TPU 的實驗復(fù)光譜折射率（n + ik）：顯示其在太陽波段吸收率可忽略不計，在長波紅外（LWIR）波段發(fā)射率高

(C) 含空腔或六方氮化硼（h-BN）散射體的輻射冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖對比

(D) TBC 的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

(E) 多孔 TPU、無孔 TPU 及 TBC 的熱導(dǎo)率

(F) 0.5 μm 波長照射下氮化硼（BN）的偏振特性圖

(G) 厚度為 200 μm 的 TBC 涂層的反射率與發(fā)射率

在戶外垂直表面實際測試了TBC的降溫性能，在成都冬季晴朗天氣下，太陽輻照度超過500 W/m2，內(nèi)部熱負荷為600 W/m2。未涂覆的不銹鋼表面溫度高達84.5°C，選擇性發(fā)射體表面為76.1°C，而TBC涂覆的表面僅57.5°C，相比不銹鋼降低了27°C，相比選擇性發(fā)射體降低了18.6°C。進一步對比多孔TPU（高發(fā)射率但熱導(dǎo)率低）發(fā)現(xiàn)，TBC因兼具高發(fā)射率與低熱阻，溫度比多孔TPU低約4.3°C，證明高熱導(dǎo)率對于高溫設(shè)備同樣至關(guān)重要。

圖3 高于環(huán)境溫度的輻射制冷效果驗證

(A) 戶外垂直放置的不同樣品（熱負荷 600 W?m?2）實物照片（插圖比例尺為 20 cm）

(B) 上述樣品的結(jié)構(gòu)示意圖

(C) 戶外垂直放置時，熱負荷 600 W?m?2 條件下，TBC、選擇性冷卻涂層、SSS 樣品的實時溫度曲線（成都，2024 年 12 月 31 日）

(D) 戶外直射陽光下垂直放置時，熱負荷 600 W?m?2 條件下，TBC、選擇性冷卻涂層、多孔 TPU 樣品的實時溫度曲線（成都，2025 年 1 月 1 日）

(E) 測試過程中不同樣品的平均溫度對比

進一步，團隊測試了TBC在實際設(shè)備中的應(yīng)用效果與全球節(jié)能潛力。將TBC涂覆在圓柱形電加熱管表面，在陽光直射下其表面溫度比未涂覆管低19°C。COMSOL仿真進一步表明，無論是水平放置還是垂直放置，TBC涂覆管的核心溫度均最低，且垂直與水平方向溫差極小，證明中紅外輻射散熱在高溫下起主導(dǎo)作用。此外，利用EnergyPlus對全球31個氣候區(qū)的設(shè)備機房進行模擬，結(jié)果顯示在低緯度地區(qū)節(jié)能效果尤為顯著，例如新加坡年節(jié)能達36.24 GJ，而高緯度地區(qū)如坦佩雷的節(jié)能率仍高達94.1%。

圖4 TBC 涂層的實際應(yīng)用驗證

(A) 熱負荷 600 W?m?2 條件下，普通管道與 TBC 涂層管道內(nèi)部的實時溫度曲線（成都，2024 年 10 月 22 日）。插圖為測試照片，比例尺 10 cm

(B) 水平放置的管道（加熱功率 600 W?m?2）在不同時刻的內(nèi)部溫度模擬結(jié)果（x 軸為北向，y 軸為西向，z 軸為太陽照射方向）

(C) 垂直放置的管道（加熱功率 600 W?m?2）在不同時刻的內(nèi)部溫度模擬結(jié)果

(D) 垂直工況測試的溫度曲線模擬結(jié)果

(E) 垂直工況測試的溫差模擬結(jié)果

(F) 在設(shè)備機房外圍應(yīng)用 TBC 涂層后，各氣候區(qū)的全年總節(jié)能量

(G) 在設(shè)備機房外圍應(yīng)用 TBC 涂層后，各氣候區(qū)的年度節(jié)能總量與節(jié)能率

研究總結(jié)：

本研究首次系統(tǒng)揭示了高于環(huán)境溫度的垂直表面輻射制冷的設(shè)計方案，提出了寬帶短波發(fā)射策略，通過提升4-8微米波段的紅外發(fā)射率，以周圍環(huán)境為冷源，提升高溫表面的散熱效率。所開發(fā)的TBC寬帶發(fā)射體通過高短波紅外發(fā)射率、高太陽反射率和高熱導(dǎo)率的協(xié)同設(shè)計，在戶外垂直高溫設(shè)備上實現(xiàn)了27°C的顯著降溫效果，并展現(xiàn)出優(yōu)異的機械耐久性和環(huán)境穩(wěn)定性。該工作為數(shù)據(jù)中心、電力系統(tǒng)、通信基站等高發(fā)熱體的被動熱管理提供了全新路徑，未來有望進一步拓展至更多垂直取向的工業(yè)設(shè)備和建筑立面，推動輻射制冷技術(shù)的規(guī)?；こ虘?yīng)用。