哈爾濱工業大學高繼慧 Renewable Energy：用于建筑垂直表面熱管理的溫度自適應定向發射結構

輻射冷卻器的高太陽反射率會增加冬季供暖需求，而其固定角度的輻射方式忽略了與地面及周邊環境的復雜輻射交換。為此，本文開發了一種溫度自適應的角度不對稱（temperature-adaptive angularly asymmetric, TAAS）結構，該結構具有角度不對稱輻射和雙波段光譜調控功能，可實現全年無休的熱管理。該結構采用鰭狀幾何設計以實現角度不對稱輻射，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），實現了中紅外輻射與太陽光譜的獨立協調調控。在炎熱天氣下，該結構可實現0.36的朝上等效發射率、0.07的朝下等效發射率及0.91的高太陽反射率；而在寒冷天氣下，則可實現0.13的較低等效發射率及0.43的高太陽吸收率。與被動日間輻射冷卻（passive daytime radiative cooling, PDRC）薄膜相比， TAAS 結構能在炎熱天氣中實現約2℃的溫降，在寒冷天氣中實現約5℃的溫升。本設計可使全年能耗顯著降低1.4%-6.3%，在各種天氣條件下均優于傳統建筑圍護結構。該結構將靜態輻射冷卻概念升級為自適應熱管理，為建筑垂直表面的全年無休熱管理提供了實用解決方案。相關工作以Temperature-adaptive structure with angularly asymmetric emission for thermal management on building vertical surfaces為題發表在Renewable Energy期刊。

本文設計了一種溫度自適應的角度不對稱（TAAS）結構（圖1），旨在解決靜態輻射冷卻在復雜輻射環境中的冬季熱負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結構（圖3）并測試其角發射率（圖4）；表征了TAAS結構熱態下的不同的角度不對稱特性（圖5）并對結構參數進行了優化（圖6）；展示了其熱態與冷態之間的切換（圖7）；評估了TAAS結構的被動日間輻射冷卻和太陽加熱性能（圖8）；展示了其室外熱測量過程及節能潛力（圖9）。

圖1. TAAS結構設計示意圖及角度紅外發射率。

圖2.建筑垂直面在熱、冷天氣下的溫度適應性設計示意圖。(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)具有角不對稱熱輻射的建筑垂直表面的理想光譜；(c)TAAS結構、AS（angularly asymmetric）結構和PDRC膜的冷卻與加熱功率。AS結構指具有角度不對稱發射率但不具備動態切換功能的設計；(d)研究流程圖。

圖3. TAAS結構的制備工藝示意圖。

圖4.角發射率的測試方法及驗證。(a)樣品的熱輻射；(b)實驗裝置照片；(c)實驗裝置示意圖；(d)可旋轉加熱臺示意圖。

圖5.熱態下不同的角度不對稱特征的表征。(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)具有低發射率與高發射率PDRC薄膜的TAAS結構示意圖；(d)具有低發射率與高發射率PDRC薄膜的TAAS結構的不同角度的紅外圖像；(e)具有低發射率與高發射率PDRC薄膜的TAAS結構的角發射率；(f)9度入射角下太陽光角反射的計算結果。(g)TA PDRC膜側F面不同顏色（50℃）的顯微照片。(h)TA PDRC膜側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結構的顯微照片。

圖6.熱態下TAAS結構的參數優化。(a)具有不同L/Y比的TAAS結構的角發射率；(b)具有不同H/Y比的TAAS結構的角發射率；(c)具有不同Y值的TAAS結構的角發射率；(d)具有不同H/Y和L/Y比值的TAAS結構在上下方向的等效發射率；(e)具有不同H/Y和L/Y比值的TAAS結構的冷卻功率；(f)高發射率區域在45°、60°、90°和120°角覆蓋下的TAAS結構角發射率。

圖7.熱態與冷態之間的切換。(a)熱態與冷態TAAS結構示意圖；(b)ITO涂覆的TA PDRC的F側光譜反射率（20℃與50℃條件）；(c)熱態與冷態TAAS結構照片；(d)加熱與冷卻過程中SMA的彎曲角度；(e)熱態與冷態下40℃和140℃ TAAS結構的紅外圖像；(f)加熱與冷卻循環后40℃和140℃ TAAS結構的角發射率。

圖8. TAAS結構的被動日間輻射冷卻和太陽加熱性能。(a)高溫天氣下溫度測量實驗裝置示意圖；(b)TAAS結構與PDRC膜的溫度數據；(c)TAAS結構與PDRC薄膜的紅外圖像；(d)寒冷天氣下溫度測量實驗裝置示意圖；(e) TAAS結構與AS結構的溫度數據；(f) TAAS結構與AS結構的紅外圖像；(g)考慮周邊建筑物輻射影響的溫度測量實驗裝置示意圖（地面溫度=60℃，建筑物溫度=50℃）；h)梯度TAAS結構與非梯度TAAS結構的溫度數據；(i)梯度TAAS結構與非梯度TAAS結構的紅外圖像。

圖9. TAAS結構的室外熱測量及節能潛力。(a)用于寒冷天氣溫度測量的實驗裝置照片；(b)TAAS結構與PDRC膜的溫度數據；(c)高溫天氣下溫度測量實驗裝置示意圖；(d)實驗裝置照片；(e) TAAS結構與PDRC膜的溫度數據；(f)與PDRC薄膜相比的節能潛力；(g)原始墻體相比的節能潛力。

小結：本研究提出了一種溫度自適應角度不對稱（TAAS）結構，將定向輻射控制與自調節光譜切換相結合，從根本上提升了建筑垂直表面的熱管理性能。該結構采用鰭狀架構實現角度不對稱設計，可優先將熱量導向天空（向上等效發射率0.36），同時最大限度減少向地面的輻射交換（向下等效發射率0.07）。關鍵在于，該系統通過形狀記憶合金與溫度自適應 PDRC 膜的協同作用，能自主適應季節性需求，切換至冬季模式時可將等效發射率降至0.13并增強太陽吸收。熱循環測試前后發射率的微小變化表明該結構具有優異的熱循環穩定性。在哈爾濱嚴寒天氣下，實地測試成功實現了 PDRC 膜5℃的溫度提升。在模擬高溫環境條件下， TAAS結構較PDRC膜實現了約2℃的溫度降低。該TAAS結構在調節路面、周邊環境與目標建筑之間的全年熱傳遞關系方面展現出顯著潛力，為實現全年建筑節能提供了有效策略。

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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