碳中和背景下天空辐射冷却技术的应用

周志华，张吉，张云飞，刘俊伟

（1.天津大学环境科学与工程学院，天津300350；2.清华大学建筑学院，北京100084）

0 引言

CO2等温室气体的大量排放导致全球气温升高、气候异常，已严重威胁地球上生物的生存［1］。2020 年，南极气温首次突破20 ℃，预计到2050 年，酷暑将成为全球常态［2］。有学者警告称，若不减少化石燃料的使用，2100 年全球的平均气温将会升高6.5～7.0 ℃。

我国作为全球最大的发展中国家，目前仍然处于碳排放“总量高、增量高”的阶段，碳排放占全球总量的28.8%［3］。2020 年9 月，我国政府在第七十五届联合国大会上宣布将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。2020 年11 月，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》［4］中指出，要加快绿色低碳循环发展，推动经济社会绿色转型。

为实现可持续低碳发展，发展节能环保的冷却方式势在必行。传统的制冷方式如蒸汽-压缩式制冷、吸收式制冷等，不仅消耗大量的能源，而且会引发一系列环境问题（温室气体、臭氧空洞等）。而新兴的可再生能源驱动的制冷方式需要复杂的系统将可再生能源转化为电能或热能，然后用于制冷，系统效率较低，如水能、风能、潮汐能、太阳能等驱动的电制冷以及太阳能热制冷（太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷、太阳能除湿制冷、太阳能蒸汽压缩式制冷等）；同时，这些可再生能源均受时间和地域的限制，如太阳能受昼夜的限制，水能、潮汐能受地域的限制，而风能受时间和地域的限制。

相比上述制冷方式，天空辐射冷却是一种在不消耗任何外部能量、不产生任何环境污染的情况下进行的被动式、可持续冷却方式［5］。将外太空（热力学温度为3 K）看做是不受空间和时间限制的巨大冷源库，利用电磁波通过大气层透过率高的大气窗口（8～13µm波段），将地球表面物体（热力学温度为300 K）的热量以热辐射的形式发射到低温外太空，与宇宙空间进行辐射换热，从而降低自身温度并实现被动冷却［6］。研究表明，辐射冷却无时无刻不在进行着，地表不断向外太空发射大约100 PW的热辐射，这些能量理论上可以满足人类所有的生产和生活需求［7］。

本文首先介绍天空辐射冷却技术的基础理论模型，在此基础上探讨辐射冷却技术的关键技术及冷却效果，依据应用领域对其研究现状进行分类综述，最后讨论天空辐射冷却技术在碳中和背景下的应用场景。

1 辐射冷却技术理论模型

除发射体本身热辐射功率外，太阳光辐射、大气辐射以及周围介质的非辐射换热都对净辐射冷却功率有影响，其能量平衡图如图1所示，计算公式见式（1）［8］。

图1 天空辐射冷却技术能量平衡示意［8］Fig.1 Energy balance of radiative sky cooling technology［8］

式中：Pnet（Tamb，Tr）为冷却材料的净辐射冷却功率，W/m2；Tamb和Tr分别为环境温度和发射体表面的温度，K；Prad（Tr）为发射体的中红外辐射度，W/m2；Psolar，Patm（Tamb）和Pnonrad分别为发射体吸收的太阳光辐照度、大气辐照度和物体与周围环境的非辐射换热功率，W/m2。

1.1 发射体热辐射

热辐射的大小与构成该物质的许多电子振荡和跃迁而释放的能量密切相关［9］，而这些电子的振荡或跃迁与物体的温度有关，任何温度高于绝对零度的物体均会对周围环境产生热辐射。一个面积为A、温度为Tr的发射体的热辐射度为［10］

式中：A 为发射体面积，m2；θ 为红外线发射角度；λ为红外线波长，µm；IBB(Tr，λ)为温度为Tr的黑体热辐射度，W/m2，可由普朗克定律给出；ϵ(λ，θ)为发射体的角谱发射率，可由傅里叶变换红外光谱仪测出［11］。

式中：h 为普朗克常数，取6.63×10-34J·s；c 为真空中的光速，取3×108m/s；kB为玻尔兹曼常数，取1.38×10-23J/K。

1.2 太阳光吸收

一般情况下，夏季晴朗天空的太阳直射强度高达1 000 W/m2，散射强度也有50～100 W/m2［12］，因此，对于日间辐射冷却，必须考虑发射体吸收太阳辐射。面积为A的发射体吸收的太阳光强度为［8］

式中：IAM1.5(λ)为标准地面太阳光谱辐照度，W/m2；ϵ(λ，θsun)为发射体太阳光角谱吸收率。

1.3 大气辐射

大气层由各种气体组成（如水蒸气、氮气、二氧化碳和臭氧等），不同的气体吸收不同的电磁波段，从而削弱地球到外太空的热辐射，但在不同气体吸收峰之间存在电磁波高透波段，称为大气窗口。常温下，黑体辐射峰值的波段恰巧处于大气窗口内，这为以外太空为冷源的辐射冷却技术提供了有效辐射通道。对于处于环境温度Tamb的发射体，其吸收的大气辐照度为［13］

式中：IBB(Tamb，λ)表示温度为Tamb的黑体热辐射度，W/m2；ϵatm(λ，θ)为大气角谱发射率，是大气层中各种气体吸收的综合作用，一般可以用天空红外透过率t(λ)计算［14］

但是，由于多数地区无法提供逐时的长波透过率，所以只能根据天空中云量、水蒸气分压力和露点温度来简单评估大气平均发射率。如根据空气中水蒸气分压力给出的大气辐射模型为［15］

式中：p为水蒸气分压力，MPa；pb为饱和水蒸气分压力，MPa；φ 为相对湿度，%；ϵ(0)为水平方向的大气发射率；ϵa为天空中无云时大气的总发射率。

另外，也有学者根据露点温度给出大气辐射模型［16］

式中：Tdp为露点温度，K。

多云或阴天时，需要根据天空中的云量采用式（11）对上述模型进行修正［17］。

式中：C 为天空中的云量，可以根据天空中的云占天空的面积来估算，从0—10，表示无云到阴天。

1.4 非辐射换热

非辐射换热包括发射体与周围环境的对流和导热。如果发射体工作温度高于环境温度，如光伏冷却等，非辐射传热有利于散热；如果发射体工作温度低于环境温度，如建筑冷却、低温冷却等，非辐射换热不利于发射体降温。辐射换热模型如下

式中：Pcond+conv(Tr，Tamb)为非辐射换热强度，W/m2；hc为对流和导热综合换热系数，W/（m2⋅K）。

早期的试验研究表明，风速对板面非辐射换热系数的影响可以用风速的线性形式来量化［18］

式中：v为风速，m/s；a，b为系数。

有、无风屏的非辐射换热系数模型可分别采用式（14）、式（15）计算［19-20］

2 关键技术及其冷却效果

从能量密度看，太阳光的吸收和辐射换热限制了天空辐射冷却的实际效果，因此，目前国内外针对天空辐射冷却的研究主要集中在太阳光反射和中红外发射2个方面。

2.1 太阳光反射

太阳光反射可通过金属层反射、微纳颗粒散射和多孔散射等方式实现，从而降低太阳光吸收率，提高天空辐射冷却效果。

2.1.1 银涂层反射

金属银涂层采用图2 中内嵌图（银涂层与发射体结合）的结构，可反射绝大部分太阳光，使辐射冷却材料取得较高的太阳光反射率。2014 年，斯坦福大学的Raman 等［21］将银涂层与多层光子结构结合，取得了97.0%的太阳光反射率和40.1 W/m2的冷却功率，首次实现了日间辐射冷却（图2中绿色曲线），自此，多个团队将银涂层与不同发射材料结合，实现了日间辐射冷却。Kou 等［22］将银涂层与熔融石英及聚二甲基硅氧烷（PDMS）结合，取得了约96.0%的太阳光反射率和环境温度下127.0 W/m2的冷却功率（图2中红色曲线）。科罗拉多大学的Zhai等［23］将银涂层与SiO2结合，取得了96.0%的太阳光反射率和环境温度下93.0 W/m2的冷却功率（图2中蓝色曲线）；同时，该团队还报道了银涂层与聚合物结合，即有机玻璃（PMMA）和聚偏氟乙烯（PVDF），实现日间辐射冷却（图2中橙色曲线）［24］。

图2 采用银涂层的不同辐射冷却材料太阳光反射光谱［21-24］Fig.2 Solar reflection spectra of different radiative cooling materials with silver coatings［21-24］

2.1.2 微纳颗粒散射

此类反射利用太阳光吸收系数较小的微纳颗粒，通过调控颗粒粒径、填充系数等参数，可有效提高太阳光反向散射效率，进而提高辐射冷却材料的太阳光反射率。Huang 等［25］模拟分析TiO2颗粒嵌入丙烯酸树脂的太阳光反射性能，由于TiO2在紫外波段有较高的吸收系数，且丙烯酸树脂会吸收部分近红外线，所提出的TiO2嵌入膜仅能取得约90.0%的太阳光反射率（图3 中橙色曲线）；Ao 等［26］将NaZnPO4颗粒嵌入异丙醇，由于异丙醇吸收部分近红外线，制备的NaZnPO4嵌入膜仅能取得约93.0%的太阳光反射率（图3 中绿色曲线）；鉴于有机基底吸收太阳光中的近红外线，Bao 等［20］采用无基底的TiO2涂层（约10 µm 厚）散射太阳光，但由于TiO2的紫外吸收以及所用TiO2涂层厚度不足，仅取得了90.7%的太阳光反射率（图3 中红色曲线），在湿度较大的上海地区，该材料无法取得实际冷却效果；Atiganyanun 等［27］采用无基底的SiO2涂层散射太阳光，采用厚500 µm、粒径为2 µm 的SiO2涂层（填充系数为60%），可取得97.0%的太阳光反射率（图3中蓝色曲线）。

图3 颗粒嵌入辐射冷却材料太阳光反射光谱Fig.3 Solar reflection spectra of particle embedded radiative cooling materials

2.1.3 多孔散射

多孔结构散射太阳光的机理与微纳颗粒相近，但该形式降低了对微纳颗粒的依赖，拓宽了可用材料范围，进而可制备成本较低的辐射冷却材料，推动天空辐射冷却技术的实际应用。Li 等［28］提出辐射冷却木材，以此来控制多孔纤维素结构有效散射太阳光（图4 中橙色曲线），总太阳光反射率高达96.0%，可实现全天24 h的辐射冷却；Mandal等［29］采用反相法制备分级多孔聚合物膜（PVDF-HFP），通过分布在0.2µm 和5.0µm 附近的孔隙分别散射太阳光中短波（紫外线和可见光）和近红外线，300µm厚的分级多孔聚合物膜能取得96.0%的太阳光反射率（图4 中红色曲线），而当厚度达到800 µm 时，多孔聚合物膜能取得99.0%的太阳光反射率；Wang等［30］利用静电纺丝技术，制备了PVDF 和四乙氧基硅烷复合多孔膜，300µm 厚的多孔聚合物膜能达到约97.0%的太阳光反射率（图4 中蓝色曲线）；Yang等［31］将煅烧的聚四氟乙烯（PTFE）平铺于银涂层表面，只需240 µm 厚的银底多孔PTFE 膜就能取得99.1%的太阳光反射率（图4 中绿色曲线），但由于多孔结构表面粗糙，镀银难度较大，从而限制了银底多孔PTFE膜的实际应用。

图4 多孔散射辐射冷却材料太阳光反射光谱Fig.4 Solar reflection spectra of porous scattering radiative cooling materials

2.2 中红外发射

根据中红外发射光谱是否集中分布在大气窗口（8～13µm 波段）内，可将发射体分为选择性发射体和广谱发射体。研究表明，选择性发射体在低温辐射冷却领域优势较大，而广谱发射体在环境温度附近的冷却功率更大。

2.2.1 选择性发射体

2010年，Gentle等［32］将SiO2和SiC颗粒嵌入聚乙烯膜，从而制备了SiO2和SiC 嵌入的选择性发射体（如图5a所示），中红外发射光谱如图6中黑色曲线。但由于SiC 颗粒吸收太阳光，限制了SiO2和SiC 混合嵌入膜在日间辐射冷却领域的应用。2014 年，Fan等［21］提出由SiO2和二氧化铪（HfO2）组成的多层光子结构（如图5b所示），但该多层光子结构在大气窗口内发射率较低，不到70%（图6中绿色曲线），在非辐射换热系数约为6.9 W/（m2·K）的环境中，仅取得了4.9 K 的日间辐射冷却温降。2015 年，Hossain 等［33］提出由铝和锗组成的锥形超材料（如图5c所示），在大气窗口内取得了约80%的红外发射率（图6 中蓝色曲线），但由于锗层吸收太阳光，限制了其在日间辐射冷却领域的应用。2016年，Chen等［34］提出由氮化硅和硅单层组成的光子结构制备选择性发射体，但该光子结构在大气窗口内发射率较低（图6 中橙色曲线），通过采用外遮阳和近真空处理（非辐射换热系数仅为0.2 W/（m2·K）），取得了平均37 K 的冷却温降。

图5 选择性发射体结构示意Fig.5 Structure of selective emitters

图6 选择性辐射冷却材料中红外发射光谱Fig.6 Mid-IR emission spectra of selective radiative cooling materials

2.2.2 广谱发射体

2017 年，Kou 等［22］采用PDMS 涂层增强熔融石英的中红外发射率，实现近黑体的红外发射（图8中绿色曲线），取得了环境温度下127.0 W/m2的冷却功率。同年，Zhai 等［23］提出的SiO2颗粒嵌入的聚甲基戊烯（TPX）的超材料（如图7a 所示），取得了大气窗口内93%的红外发射率（图8中橙色曲线）和环境温度下93.0 W/m2的冷却功率。2018 年，Mandal等［29］采用多孔结构提高聚合物材料中红外发射率（如图7b所示），取得了大气窗口内97%的红外发射率（图8 中蓝色曲线）和环境温度下96.0 W/m2的冷却功率。2019 年，Aili 等［24］采用的PMMA 和PVDF膜以及本团队提出的透明环氧树脂［35］（如图7c 所示），均取得了较高的中红外发射率及辐射冷却效果。但普通聚合物在大气窗口的红外发射率（图8中灰色和土黄色曲线）相对较低，而采用多孔结构能有效提高中红外发射率（图8中蓝色曲线）。

图7 广谱发射体结构示意Fig.7 Structure of broad-spectrum emitters

图8 广谱辐射冷却材料中红外发射光谱Fig.8 Mid-IR emission spectra of broad-spectrum radiative cooling materials

根据大气窗口内外的中红外发射率，可以将目前提出的辐射冷却材料进行分类，适用于不同领域［36］，如图9 所示。主要领域包括：能量收集（Energy Harvesting，EH）、低温冷却（Cryogenic Cooling，CC）、建筑冷却（Building Cooling，BC）和光伏冷却（Photovoltaic Cooling，PC）。主要材料包括：纳米颗粒混合材料（Nanoparticle Mixture Material，NPM）（2010 年）［32］、2D 光子材料（2013 年）［37］、1D 光子材料（2014 年）［21］、超材料（Metamaterial，MM）（2015 年）［38］、聚合物（Polymer）（2015 年）［39］、1D 光子材料（2016 年）［34］、超表面（Metasurface）（2017年）［40］、MM（2017 年）［23］、NPM（2017 年）［20］、聚合物（Polymer）（2017 年）［22］、2D 光子材料（2018 年）［41］、聚合物（Polymer）（2018 年）［29］、NPM（2018 年）［42］、超表面（Metasurface）（2018 年）［43］、1D 光子材料（2018年）［44］、Al2O3（2019年）［45］。

图9 辐射冷却材料的分类［36］Fig.9 Classification of radiative cooling materials［36］

2.3 其他因素

除了上述太阳光反射和中红外发射2个主要因素，辐射冷却的效果还受环境因素的影响。首先，物体向外太空辐射能量的多少主要取决于大气窗口的透明度，大气窗口透明度越高，物体向外太空辐射的能量越多，自身温度下降也越大。而大气窗口的透明度会随大气层中水蒸气的含量变化而明显改变，水蒸气的含量越多，大气窗口的透明度也就越低。多云天气时，红外大气窗口将变为不透明，被动辐射降温也将失去效果。其次，物体向外太空辐射能量的多少取决于其朝向天空的角度，当物体朝向天顶角的方向时，辐射走过大气的路径最短，辐射的效果最好，当物体偏离天顶角时，偏离的角度越大，辐射的效果也就越差。除此之外，被动辐射降温还受环境中非辐射热（传导和对流）的影响，将对流和热传导等的影响降到最小时，物体低于环境温度的辐射冷却效果最好［46］。

3 应用领域研究现状

近年来，随着对天空辐射冷却机理的探索以及多种形式冷却材料的发展，天空辐射冷却技术在节能减排方面得到了广泛的应用，主要包括建筑冷却、光伏冷却、辅助冷源、淡水收集、衣服和发电技术等领域。

3.1 建筑冷却

对于屋顶面积较大的建筑，在屋顶铺装天空辐射冷却材料能有效降低建筑能耗。如果屋顶的太阳光反射率由目前的10.0%～20.0%提升到60.0%，则建筑制冷能耗将减少20%以上［47］。Zhao 等［48］对比测试了安装超材料屋顶和普通灰色屋顶建筑的温度变化，超材料建筑的室内温度比普通建筑的室内温度低11.2 ℃，位于美国佛罗里达州奥兰多的超材料建筑每年在制冷用电上可节省91 kW·h/m2。

除了直接与建筑结合，天空辐射冷却技术在建筑中的应用主要是通过冷却工质将冷量输入空调系统，从而提高系统的制冷能效。Goldstein 等［49］将双折射率聚合物冷却材料与盘管集成，制成辐射冷却模块并通过板式换热器与空调系统进行耦合，若60%的屋顶面积采用该辐射模块，拉斯维加斯一栋3 300 m2的办公建筑整个夏季可节省电量14.3 MW·h，相当于整个夏季制冷电耗的21%，如图10所示。由于辐射冷却模块在夜间不受太阳辐射的影响，一般会有更大的净冷却功率［50］，而此时室内需冷量较低，因此可以将其与蓄冷系统耦合，储存冷量，日间用冷峰值期间提取冷量接入空调系统，从而最大限度利用辐射冷却冷量，进一步降低制冷能耗。Zhao 等［19］提出了SiO2嵌入聚合物的冷却材料与多通道模型集成的冷却模块（如图11所示），使用该模块对美国菲尼克斯、休斯敦和迈阿密的5 000 m2商业办公建筑进行能耗模拟（辐射面积为810 m2），制冷系统可节电32%～45%，可见采用蓄冷系统与辐射冷却模块结合能进一步提高节能效果，如图12所示。

图10 Goldstein等提出的辐射冷却与空调系统结合方式及试验效果［49］Fig.10 Combination mode and experimental effect of the radiative cooling integrated with air conditioning system proposed by Goldstein，et al.［49］

图11 Zhao等提出的辐射冷却模块及试验效果［19］Fig.11 Radiative cooling module and its experimental effect proposed by Zhao，et al.［19］

图12 辐射冷却模块与蓄冷装置结合［20］Fig.12 Combination of radiative cooling module and cold storage device［20］

3.2 光伏冷却

光伏板接收的太阳辐射并不能完全转换成电能，有一部分会转换成热能从而加热电池板，研究表明，硅基光伏板温度每上升1 ℃，效率就会下降约0.45%，温度每上升10 ℃，老化速率会翻倍［51］。而辐射冷却材料在进行冷却时无需消耗其他能源，因此可以利用辐射冷却来降低光伏电池运行温度，延长其寿命。

Zhu 等［51］在硅基光伏电池片上沉积二氧化硅金字塔形光子阵列结构（如图13a 所示），可以使光伏电池的工作温度降低18.3 ℃；Long等［52］利用等离子体化学气相沉积法，设计并制备了SiO2光栅作为光伏电池的冷却涂层（如图13b 所示），试验结果显示光伏电池板温度下降了2.0 ℃；Zhu 等［53］指出透明SiO2光子晶体拥有较为优异的红外发射率，甚至能够提高光伏板太阳光吸收率（如图13c 所示），将SiO2光子晶体放置于光伏板的顶部能够使基板温度大幅降低（降幅超过13.0 ℃），该研究为辐射冷却材料在光伏领域的应用提供了新的方向。

图13 用于光伏冷却的辐射冷却材料Fig.13 Radiative cooling materials for photovoltaic cooling

另一方面，Li 等［54］制备了一种由Al2O3，SiN，TiO2和SiO2组成的多层薄膜涂层材料，该涂层能使光伏板温度降低5.7 ℃以上，但该材料包含40 层薄膜，涂层较厚会影响其太阳光吸收。为解决此问题，Kumar 等［55］通过试验证明仅SiO2，Si3N4，TiO2这3层薄膜材料便使将光伏板温度降低1.9 ℃以上，尽管降温幅度较小，但该材料仅165 nm 厚且具有较高的透射率，能够将光伏模块的效率提升1%，具有极高的实用价值。此外，Kumar［56］对上述材料实际应用性能进行试验与仿真模拟分析，结果表明：在炎热和干燥的气候条件下，具有3 层薄膜辐射冷却层的光伏电池组件在经过25 a的室外运行后效率并未衰减；同时，与单层薄膜材料相比，在30.0 ℃的环境温度下3 层薄膜材料可使电池板温度降低5.4 ℃；当环境温度为45.0 ℃，风速为1 m/s 时，温度降幅高达6.8 ℃。

3.3 辅助冷源

虽然前人对辐射冷却技术进行了大量研究，但该技术目前仍不成熟，暂无商用设备投放市场。主要原因在于，与其他主动冷却技术相比，辐射冷却的冷却功率密度相对较低，同时受天气与环境的影响，因此可以将辐射冷却技术作为辅助冷源与其他技术手段相结合，以实现更为优异的冷却效果。

Zeyghami 等［57］通过计算CSP 电厂冷却系统的补充冷却负荷与冷却系统传热模型的辐射冷却热通量，得到了复合冷却系统中所需的辐射冷却结构面积，供冷系统如图14a所示。模拟计算结果表明，理想工作条件下辐射冷却结构能提供135.0 W/m2的补充冷却功率。另一方面，Zhao 等［58］设计了一种辐射冷却辅助热电冷却系统（如图14b 所示），超材料薄膜制成的辐射冷却结构能够全天不间断冷却。试验结果表明，辐射冷却结构的制冷量在日间与夜间分别占复合冷却系统的55%与45%。

图14 辐射冷却作为辅助冷源的供冷系统Fig.14 Cooling system taking radiative cooling as auxiliary cooling source

此外，辐射冷却技术还能与其他非冷却技术相结合来实现多功能能源结构。Hu 等［59］将硅基太阳能选择性吸收层与聚对苯二甲酸（PET）相结合（如图15a所示），制备的复合材料在太阳辐射和大气窗口波长中具有高光谱吸收率（发射率）。测试结果表明，该系统的加热效率为86.4%，夜间最大辐射冷却功率为50.3 W/m2，具有较优异的全天工作能力。Vall等［60］提出将自适应覆盖层与太阳能集热和辐射冷却技术相结合，如图15b 所示。试验结果表明，复合系统日间的加热功率峰值达583.0 W/m2，夜间冷却功率峰值为33.0 W/m2，该研究为太阳能集热/辐射冷却复合系统的实际应用提供了新的思路。

图15 辐射冷却-太阳能热利用复合系统Fig.15 A system combined radiative cooling with solar heat collection

3.4 淡水收集

当物体的温度低于露点温度时，其表面会凝结露水，因此，可以利用天空辐射冷却大气中的水汽，收集淡水。从20个世纪开始，相关研究就利用夜间天空辐射冷却大气中的水汽［61］。Beysens［62］等对不同夜间辐射冷却材料在不同地区收集大气中凝结水的效果进行了长时间测试，结果表明产水量和环境因素相关，测试地区每晚的最大产水量小于0.5 L/m2。Li等［63］对太阳能光伏电池板在夜间用于凝结露水进行了理论模拟，结果表明，迪拜地区的光伏板每周平均能获得261 mL/m2的液态水，这些水足够清洁光伏板。Zhou等［64］采用PDMS和银涂层作为辐射冷却材料，在直射太阳光下可实现8 ℃的最大温降，采用该材料设计了如图16所示的大气水回收装置，该装置在中午可以收集10.0 mL/（m2·h）的水，白天的集水率约为0.2 L/（m2·d）。

图16 利用辐射冷却技术收集淡水［64］Fig.16 Fresh water harvesting by radiative cooling technology［64］

3.5 衣服

人体皮肤热辐射主要处于7～14µm 波段，人体与周围环境的辐射换热占总散热量的40%以上，所以将冷却材料用于衣物纺织品，炎热天气时可提供足够的冷量，从而节约能源。

聚乙烯材料具有优异的中红外透明性以及可见光低透性［65］，是目前研究最为广泛的纺织品辐射冷却材料。Peng 等［66］将纳米多孔聚乙烯超细纤维作为基础材料，制备如棉布般柔软的机织织物，如图17a所示，其实物如图17b所示。该纺织物可使室内测试物体温度降低2.3 ℃，相当于节约了20%的制冷能耗。在此基础上，Cai 等［67］将纳米氧化锌颗粒嵌入纳米多孔聚乙烯材料，开发了用于室外环境中人体辐射冷却的纳米复合织物，如图17c 所示。该材料具有超过90.0%的太阳光反射率和人体热辐射透过率，测试结果表明，该纳米复合织物能将人体皮肤温度上升幅度控制在10.0 ℃以内，相当于超过200.0 W/m2的冷却功率。

图17 辐射冷却衣服材料Fig.17 Radiative cooling clothing materials

3.6 发电技术

天空辐射冷却技术还可用于产生电能。Raman等［68］将天空辐射冷却技术与热电技术结合，将辐射体作为热电材料冷端，空气作为热电材料热端，利用冷端和热端的温度梯度发电，系统如图18a所示。该系统实现了夜间25 mW/m2的发电量，可以驱动发光二极管（LED）照明。除此之外，辐射冷却技术还可与湿电技术结合，通过辐射冷却技术降低温度，从而提高相对湿度，利用水蒸气驱动LED 照明（如图18b所示），为解决偏远地区夜间照明问题提供了有效途径［69］。Fan 等［70］从理论上分析了以宇宙空间为冷源、地球为热源进行发电或做功的上限。目前，基于天空辐射冷却的发电技术性能还有较大优化空间，随着技术的成熟将会有更多的应用场景。

图18 基于天空辐射冷却的发电技术Fig.18 Power generation technology based on radiative sky cooling

4 碳中和应用场景及展望

4.1 建筑领域

据统计，冷却系统消耗了全球15%的电力，排放了全球10%的温室气体。这种现状迫使我们寻找一种能降低建筑供冷能耗的技术，进而切断能源危机与气候变暖之间的恶性循环。

对于新建建筑物或屋顶面积较大的工厂，尤其是偏远地区，适合采用直接辐射冷却技术，即与建筑物一体化。但天空辐射冷却建筑一体化应用也存在一些问题，如会导致冬季过度供冷，尤其是供暖时间比较长的高纬度地区，因此，对冷量需求更大的低纬度地区适合发展天空辐射冷却技术。

然而，由于建筑物屋顶的热阻较大，直接铺设在屋顶上的高反射冷却材料只能部分降低建筑物的冷负荷；同时，对于多层建筑，由于屋顶面积有限，天空辐射冷却技术不能满足整体需求，需要辐射冷却系统可以灵活控制建筑物的冷量输入。因此，与空调系统耦合的间接方式对于既有多层建筑具有较好的应用前景，适用于昼夜温差较大的地区。

另外，建筑辐射冷却材料应用面积较大，而目前金属反射型辐射体大多数是镜面反射，眩光会影响人的视觉甚至干扰飞机飞行；多次散射反射型辐射体虽然没有眩光，但白色外表也容易引起视觉不舒适。为解决日间冷却材料干扰视觉的问题，可以对建筑冷却涂料进行广泛研究，以便大范围推广使用。Li 等［28］提出，辐射冷却木材力学性能良好，是普通木材的8倍，而且可以反射96%的太阳光辐射，可直接作为建筑结构材料，对室内进行降温。因此，挖掘具有良好辐射冷却特性与机械强度的结构材料是降低我国建筑能耗的新路径。

4.2 光伏领域

辐射冷却材料能在无需其他能耗的情况下有效降低光伏板的工作温度，提高光电转化效率，但该技术目前还处于试验阶段，阻碍其实际应用的原因在于：（1）当前研究中并未考虑所选材料的导热率，导热率较低将会在实际应用中降低光伏电池的散热效率；（2）材料成本较高，较长的投资回收期阻碍了该材料的实际应用。因此，未来应从这2 点出发，对提升光伏电池所用辐射冷却材料的导热率以及进一步降低其成本进行广泛研究。

4.3 个人热管理领域

目前，用于增强人体辐射冷却的新型纺织物的研究已经较为成熟且拥有大规模推广使用的潜力，但原料较为昂贵且制备过程较为复杂，成为其实际应用的阻碍。未来还应继续研究利用简单原材料代替已有研究中的复杂原材料，以获得较为优异的辐射冷却效果；同时，由于聚合物材料耐磨性以及透气性较差，未来的研究有必要从这2 方面入手进一步提升辐射冷却材料的各项性能。此外，未来研究还应从汗液浸渍损耗、摩擦损耗、紫外线照射损耗等方面对新型纺织物材料辐射冷却能力的影响进行深入研究。

5 结束语

全球气候变化是人类社会面临的深层次危机，“双碳”目标的提出彰显了中国积极应对气候变化、实现经济高质量发展的决心，同时给制冷技术未来的发展带来深远影响，并将促使其向绿色低碳转型。利用宇宙冷能的天空辐射冷却技术不消耗任何能源且不产生环境污染，作为一种完全被动式的冷却技术极具发展前景，其相关材料的研制与应用将对我国节能减排事业做出巨大贡献。