輻射制冷是最近比較熱門的一個話題。各種NS不斷，而且各類綜述文章也很多，但是似乎科普類的文獻比較有限。本文針對輻射制冷的基本原理和一些常見的問題進行一個簡要的介紹。

溫室效應和輻射制冷

首先考慮一個本科傳熱學問題：一個太陽-地球-太空的三體輻射換熱系統(tǒng)，太陽通過約1353W/m2的直射功率密度照射地球，而穩(wěn)態(tài)下地球也在以相應的功率向接近絕對零度的外太空輻射同等功率的能量，幾何關系如上圖所示。假設太陽、地球均為黑體，穩(wěn)態(tài)情況下地球的溫度是多少？

大家可以簡單的做一下計算，答案是279K。這個溫度是低于地球表面的平均溫度的，之所以如此，正式因為地球表面的大氣層對地球輻射有遮擋作用，也就是說，地球并不是以完全的黑體輻射向外發(fā)射能量的。

想必讀到這里，大家一定會想到另外一個概念，即“溫室效應”。沒錯！輻射制冷和溫室效應是緊密相關的。很多科學家相信，正是因為大氣中的溫室氣體增加阻擋了向外的輻射，產(chǎn)生了全球變暖和極端天氣。那么，如果溫室氣體無法減少，那么如何產(chǎn)生“反溫室效應”來降低表面的溫度呢？理想的一個方法就是，調(diào)控表面的發(fā)射率，通過在大氣比較透明的波段增加發(fā)射，可以實現(xiàn)降溫的目的。這就是所謂的輻射制冷。

輻射制冷的基本原理

輻射制冷并非一個全新的概念。事實上，這個概念在1828年已經(jīng)被Arago提出，曾被先人用于生產(chǎn)和生活。上世紀70年代前后對夜間輻射制冷材料的研究非常多。從上世紀50年代一直到本世紀初一直有國內(nèi)外課題組在開展相關研究。在氣象領域，輻射制冷也是被熟知的一個概念。輻射制冷和很多熟知的自然現(xiàn)象，例如霜凍、結(jié)露等有很大的關系。當然，白天輻射制冷的首次實現(xiàn)，還是斯坦福大學2014年的Nature。

下面講講基本原理。雖然大氣在可見光波段是透明的，在紅外波段并非透明的，其透射譜如上圖所示。其中最重要的一個透明波段是8-13微米，也稱大氣窗口，因為該窗口和300K左右的物體的黑體輻射峰正好重合，因此地球輻射的主要部分，是從這個“窗口”中輻射到外太空的。因此，地球上對著天空的任意的表面，如果能夠增加在大氣窗口中的輻射，那么是有利于該表面降溫的。需要注意的是，大氣透明的假設是基于晴空的，如果有云層遮擋（陰雨天氣），則大氣窗口可以完全被擋住，因此無法產(chǎn)生輻射制冷效果。這一點后面還會講到。

下面我們開始討論公式?？梢园褑栴}簡化為上圖中的傳熱系統(tǒng)。這是一個典型的半透明參與性介質(zhì)（大氣）的輻射換熱系統(tǒng)。表面會接收太陽輻射Psun，大氣輻射Patm，同時在向外發(fā)射能量Prad，另外，除了輻射之外，該表面也會通過熱傳導和熱對流會與環(huán)境進行非輻射換熱Pnonrad。通過能量守恒不難得出，該表面的制冷功率Pcool與上面幾項的關聯(lián)，如上圖中的公式所示。因此，如果表面的溫度固定為T，那么其制冷功率就由這些項決定。

材料和裝置設計

這時候，我們必須分兩種情況進行討論。暫時不考慮太陽輻射。

1. 如果T大于環(huán)境溫度，后面稱之為輻射散熱，那么非輻射換熱是在冷卻表面。在大氣窗口之外，表面向大氣的輻射高于大氣向表面的輻射。在這樣的情況下，一個完全黑體的表面有助于實現(xiàn)最大的Pcool。

2. 如果T小于環(huán)境溫度，后面稱之為輻射制冷，那么非輻射換熱是在加熱表面。在大氣窗口之外，表面向大氣的輻射低于大氣向表面的輻射，因此大氣是在加熱表面。這樣的情況下，最好的選擇是只在大氣窗口之內(nèi)有高發(fā)射率，而在大氣窗口之外發(fā)射率為0，這樣的表面有助于實現(xiàn)最大的Pcool。

因此，在這里需要敲黑板：輻射散熱和輻射制冷的材料設計目標是不同的！最后討論一下Psun，當然從散熱和制冷的角度，我們希望Psun越小越好，因此該表面應當盡量的“白”，即盡量少的吸收太陽光譜內(nèi)的可見光。

到這里，基本上可以對材料設計目標做一個總結(jié)：盡可能減少太陽光譜的吸收，盡可能增加大氣窗口的發(fā)射。在大氣窗口之外，取決于應用場景設計成高發(fā)射或者低發(fā)射。因此，僅從材料性能表征的角度，光譜性能唯一的決定了材料本身輻射制冷性能的好壞。

然而從上述公式和討論中不難看出，材料設計（即發(fā)射率的調(diào)控）并非完全的決定性因素。事實上，其他的決定性的因素包括：Pnonrad中的非輻射換熱系數(shù)h，以及Patm中的大氣發(fā)射率。因此，決定Pcool的因素還包括：

1. 整體裝置的設計：影響非輻射換熱系數(shù)。所以，從裝置設計的角度，要求非輻射換熱越低越好，因此應該將系統(tǒng)做的更加絕熱。

2. 天氣條件：影響大氣的發(fā)射率。從天氣的角度：晴空的情況下，大氣中水蒸氣的含量越低越好（因為水蒸氣這種極性分子是參與性介質(zhì)的重要影響因素），也就是說，越干燥的地區(qū)，越容易實現(xiàn)更大的Pcool。本公眾號前期有一篇文章專門討論該問題，請參見

這里可以對上述討論進行總結(jié)了：材料設計只是實現(xiàn)高效輻射制冷的一個因素，除此之外，整體裝置的絕熱性能和天氣條件也極大的影響了輻射制冷的性能。

性能表征

回到之前的公式，很明顯可以看出Pcool是表征系統(tǒng)在特定天氣下的輻射制冷性能的指標。

Pcool是表面溫度T的函數(shù)，典型的曲線如下圖所示?？紤]一個表面上有一個持續(xù)的冷量Pcool，那么它的溫度T會繼續(xù)降低，降低溫度會進一步降低Prad和Pnonrad，直到Pcool=0為止。這個溫度叫做停滯溫度，即下圖中曲線和x軸的截距，也就是該輻射制冷表面能夠降低到的最低溫度。如果讓Pcool不等于零，那么就需要給整體裝置外加一個加熱系統(tǒng)。例如2017年科羅拉多大學的Science論文，就通過反饋控制系統(tǒng)來使得表面溫度始終等于環(huán)境溫度，這時加熱系統(tǒng)提供的熱量即為Pcool，因此可以準確的測量發(fā)射功率，即下圖中曲線在y軸的截距。

到這里為止可以再做一個小結(jié)：Pcool，即上圖中的曲線是輻射制冷系統(tǒng)在特定天氣條件下的性能指標，其中最低制冷溫度、和環(huán)境溫度相等情況下的發(fā)射功率可以很大程度上反映系統(tǒng)的性能。再次強調(diào)，Pcool是材料、系統(tǒng)、天氣的共同作用結(jié)果，不應該用來表征材料的性能。因此，文獻中在不同地點測試出來的結(jié)果不能用來反映所制備材料的好壞。

幾個常見問題

1. 輻射制冷能夠?qū)⒈砻鏈囟冉档偷胶艿?，例如文獻報導零下50攝氏度的制冷溫度，這個能不能把物體在不耗能的情況下冷凍到零下50度？

答：幾乎不可能，因為當接近停滯溫度的時候，制冷功率幾乎為零，如果想把比如1杯水冷卻到零下50度需要大量的冷量，也就是幾乎要無窮長的時間才能實現(xiàn)。而且這還需要一個昂貴的真空絕熱系統(tǒng)。

2. 輻射制冷材料是否能夠用來散熱，比如建筑散熱和個人熱管理？

答：可以。然而，需要強調(diào)的是，絕大多數(shù)的常見材料，例如磚頭、水、多數(shù)的油漆、塑料、人的皮膚等在紅外的發(fā)射率都很高。一定需要評估新材料相對于現(xiàn)有常見材料的優(yōu)勢，這樣的數(shù)據(jù)才是有意義的。需要強調(diào)的是，在常溫下極限的輻射制冷功率大概在150W/m2，而相對于擬覆蓋表面的增量有多少，必須仔細評估一下。

3. 我研制了一種光譜性能非常好的材料，能否有應用前景？

答案：不一定，如前所述，為了150W/m2是否值得花相應的成本，需要強調(diào)的是，除了材料本身，還有人工、維護等各種成本。作為對比，太陽能電池的利用效率大約也就150W/m2 (算15%的光電轉(zhuǎn)換效率)。因此需要綜合評估。

4. 我現(xiàn)在想介入這個方向，切入點在哪里？

答：別問我，如果我知道就自己做了。不過各位可以看看最近的綜述文章，很多文章寫的非常好，我就不一一推介了。

文章來源于微納尺度傳熱 ，作者鮑華

作者簡介：鮑華，上海交通大學密西根學院副教授，博士生導師，本科畢業(yè)于清華大學物理系，博士畢業(yè)于美國普渡大學機械工程學院，長期從事微納尺度導熱和熱輻射相關研究。2013年起一直從事輻射制冷相關的研究。