哈爾濱工業(yè)大學(xué)高繼慧 Renewable Energy：用于建筑垂直表面熱管理的溫度自適應(yīng)定向發(fā)射結(jié)構(gòu)

輻射冷卻器的高太陽反射率會(huì)增加冬季供暖需求，而其固定角度的輻射方式忽略了與地面及周邊環(huán)境的復(fù)雜輻射交換。為此，本文開發(fā)了一種溫度自適應(yīng)的角度不對(duì)稱（temperature-adaptive angularly asymmetric, TAAS）結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有角度不對(duì)稱輻射和雙波段光譜調(diào)控功能，可實(shí)現(xiàn)全年無休的熱管理。該結(jié)構(gòu)采用鰭狀幾何設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)角度不對(duì)稱輻射，通過集成形狀記憶合金（shape memory alloys, SMAs）和熱致變色微膠囊（thermochromic microcapsules, TCMs），實(shí)現(xiàn)了中紅外輻射與太陽光譜的獨(dú)立協(xié)調(diào)調(diào)控。在炎熱天氣下，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)0.36的朝上等效發(fā)射率、0.07的朝下等效發(fā)射率及0.91的高太陽反射率；而在寒冷天氣下，則可實(shí)現(xiàn)0.13的較低等效發(fā)射率及0.43的高太陽吸收率。與被動(dòng)日間輻射冷卻（passive daytime radiative cooling, PDRC）薄膜相比， TAAS 結(jié)構(gòu)能在炎熱天氣中實(shí)現(xiàn)約2℃的溫降，在寒冷天氣中實(shí)現(xiàn)約5℃的溫升。本設(shè)計(jì)可使全年能耗顯著降低1.4%-6.3%，在各種天氣條件下均優(yōu)于傳統(tǒng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將靜態(tài)輻射冷卻概念升級(jí)為自適應(yīng)熱管理，為建筑垂直表面的全年無休熱管理提供了實(shí)用解決方案。相關(guān)工作以Temperature-adaptive structure with angularly asymmetric emission for thermal management on building vertical surfaces為題發(fā)表在Renewable Energy期刊。

本文設(shè)計(jì)了一種溫度自適應(yīng)的角度不對(duì)稱（TAAS）結(jié)構(gòu)（圖1），旨在解決靜態(tài)輻射冷卻在復(fù)雜輻射環(huán)境中的冬季熱負(fù)荷問題及其效率低下問題。本文分析了建筑垂直表面的輻射熱流，確定了理想的垂直表面輻射光譜（圖2）；制造了TAAS結(jié)構(gòu)（圖3）并測(cè)試其角發(fā)射率（圖4）；表征了TAAS結(jié)構(gòu)熱態(tài)下的不同的角度不對(duì)稱特性（圖5）并對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化（圖6）；展示了其熱態(tài)與冷態(tài)之間的切換（圖7）；評(píng)估了TAAS結(jié)構(gòu)的被動(dòng)日間輻射冷卻和太陽加熱性能（圖8）；展示了其室外熱測(cè)量過程及節(jié)能潛力（圖9）。

圖1. TAAS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖及角度紅外發(fā)射率。

圖2.建筑垂直面在熱、冷天氣下的溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)示意圖。(a)地面、垂直表面、太陽與外太空之間的理想輻射熱流方向示意圖；(b)具有角不對(duì)稱熱輻射的建筑垂直表面的理想光譜；(c)TAAS結(jié)構(gòu)、AS（angularly asymmetric）結(jié)構(gòu)和PDRC膜的冷卻與加熱功率。AS結(jié)構(gòu)指具有角度不對(duì)稱發(fā)射率但不具備動(dòng)態(tài)切換功能的設(shè)計(jì)；(d)研究流程圖。

圖3. TAAS結(jié)構(gòu)的制備工藝示意圖。

圖4.角發(fā)射率的測(cè)試方法及驗(yàn)證。(a)樣品的熱輻射；(b)實(shí)驗(yàn)裝置照片；(c)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；(d)可旋轉(zhuǎn)加熱臺(tái)示意圖。

圖5.熱態(tài)下不同的角度不對(duì)稱特征的表征。(a)鰭狀單元組成的示意圖；(b)多種材料（50℃）的光譜反射率，包括PDRC、TA PDRC的B面以及ITO涂覆的TA PDRC的F面；(c)具有低發(fā)射率與高發(fā)射率PDRC薄膜的TAAS結(jié)構(gòu)示意圖；(d)具有低發(fā)射率與高發(fā)射率PDRC薄膜的TAAS結(jié)構(gòu)的不同角度的紅外圖像；(e)具有低發(fā)射率與高發(fā)射率PDRC薄膜的TAAS結(jié)構(gòu)的角發(fā)射率；(f)9度入射角下太陽光角反射的計(jì)算結(jié)果。(g)TA PDRC膜側(cè)F面不同顏色（50℃）的顯微照片。(h)TA PDRC膜側(cè)F面不同顏色（50℃）的光譜反射率。(i)紅色TA PDRC膜（50℃）在30°和150°下TAAS結(jié)構(gòu)的顯微照片。

圖6.熱態(tài)下TAAS結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化。(a)具有不同L/Y比的TAAS結(jié)構(gòu)的角發(fā)射率；(b)具有不同H/Y比的TAAS結(jié)構(gòu)的角發(fā)射率；(c)具有不同Y值的TAAS結(jié)構(gòu)的角發(fā)射率；(d)具有不同H/Y和L/Y比值的TAAS結(jié)構(gòu)在上下方向的等效發(fā)射率；(e)具有不同H/Y和L/Y比值的TAAS結(jié)構(gòu)的冷卻功率；(f)高發(fā)射率區(qū)域在45°、60°、90°和120°角覆蓋下的TAAS結(jié)構(gòu)角發(fā)射率。

圖7.熱態(tài)與冷態(tài)之間的切換。(a)熱態(tài)與冷態(tài)TAAS結(jié)構(gòu)示意圖；(b)ITO涂覆的TA PDRC的F側(cè)光譜反射率（20℃與50℃條件）；(c)熱態(tài)與冷態(tài)TAAS結(jié)構(gòu)照片；(d)加熱與冷卻過程中SMA的彎曲角度；(e)熱態(tài)與冷態(tài)下40℃和140℃ TAAS結(jié)構(gòu)的紅外圖像；(f)加熱與冷卻循環(huán)后40℃和140℃ TAAS結(jié)構(gòu)的角發(fā)射率。

圖8. TAAS結(jié)構(gòu)的被動(dòng)日間輻射冷卻和太陽加熱性能。(a)高溫天氣下溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；(b)TAAS結(jié)構(gòu)與PDRC膜的溫度數(shù)據(jù)；(c)TAAS結(jié)構(gòu)與PDRC薄膜的紅外圖像；(d)寒冷天氣下溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；(e) TAAS結(jié)構(gòu)與AS結(jié)構(gòu)的溫度數(shù)據(jù)；(f) TAAS結(jié)構(gòu)與AS結(jié)構(gòu)的紅外圖像；(g)考慮周邊建筑物輻射影響的溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖（地面溫度=60℃，建筑物溫度=50℃）；h)梯度TAAS結(jié)構(gòu)與非梯度TAAS結(jié)構(gòu)的溫度數(shù)據(jù)；(i)梯度TAAS結(jié)構(gòu)與非梯度TAAS結(jié)構(gòu)的紅外圖像。

圖9. TAAS結(jié)構(gòu)的室外熱測(cè)量及節(jié)能潛力。(a)用于寒冷天氣溫度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置照片；(b)TAAS結(jié)構(gòu)與PDRC膜的溫度數(shù)據(jù)；(c)高溫天氣下溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；(d)實(shí)驗(yàn)裝置照片；(e) TAAS結(jié)構(gòu)與PDRC膜的溫度數(shù)據(jù)；(f)與PDRC薄膜相比的節(jié)能潛力；(g)原始?jí)w相比的節(jié)能潛力。

小結(jié)：本研究提出了一種溫度自適應(yīng)角度不對(duì)稱（TAAS）結(jié)構(gòu)，將定向輻射控制與自調(diào)節(jié)光譜切換相結(jié)合，從根本上提升了建筑垂直表面的熱管理性能。該結(jié)構(gòu)采用鰭狀架構(gòu)實(shí)現(xiàn)角度不對(duì)稱設(shè)計(jì)，可優(yōu)先將熱量導(dǎo)向天空（向上等效發(fā)射率0.36），同時(shí)最大限度減少向地面的輻射交換（向下等效發(fā)射率0.07）。關(guān)鍵在于，該系統(tǒng)通過形狀記憶合金與溫度自適應(yīng) PDRC 膜的協(xié)同作用，能自主適應(yīng)季節(jié)性需求，切換至冬季模式時(shí)可將等效發(fā)射率降至0.13并增強(qiáng)太陽吸收。熱循環(huán)測(cè)試前后發(fā)射率的微小變化表明該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的熱循環(huán)穩(wěn)定性。在哈爾濱嚴(yán)寒天氣下，實(shí)地測(cè)試成功實(shí)現(xiàn)了 PDRC 膜5℃的溫度提升。在模擬高溫環(huán)境條件下， TAAS結(jié)構(gòu)較PDRC膜實(shí)現(xiàn)了約2℃的溫度降低。該TAAS結(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)路面、周邊環(huán)境與目標(biāo)建筑之間的全年熱傳遞關(guān)系方面展現(xiàn)出顯著潛力，為實(shí)現(xiàn)全年建筑節(jié)能提供了有效策略。

論文信息：Xuefeng Tian, Jie Wang, Huaiyuan Wang, Yuanwei Lu, Baiqi Zhang & Hanchi Liu et al. Temperature-adaptive structure with angularly asymmetric emission for thermal management on building vertical surfaces. Renewable Energy259, 125086 (2026).

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