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被动辐射冷却（PRC）作为一种无电、环保的冷却策略，在改善全球能源格局方面是非常可取的。尽管做出了许多努力，但大多数PRC的设计都致力于改善白天的冷却性能，以至于忽略了夜间触发的过冷。在此，本文通过将室温相变材料的PRC和温度控制相结合，探讨了一种有效的温度自适应热管理设计。与传统的辐射冷却器相比，所开发的相变材料增强辐射冷却器（PCMRC）可以根据昼夜温度调整其性能。PCMRC在阳光直射下的平均亚环境温度下降约6.3°C，夜间的平均温度上升约2.1°C，昼夜温差减小。

背景介绍

制冷占每个国家能源消耗的大部分，尤其是在夏季，为了营造宜人的生活环境，需要空间制冷。根据国际能源署的报告，通过电器进行的太空冷却已经消耗了全球约10%的电力。对太空冷却的需求导致了大量的能源消耗，并严重加剧了全球变暖。因此，迫切需要探索可用的无电环保冷却技术。

被动辐射冷却（PRC）作为一种新兴的无需任何电力输入的冷却技术，具有降低能耗的潜力。PRC的概念最早由Arago于1828年提出，从那时起，PRC的发展就是为了在夜间获得低于环境温度的下降。夜间辐射冷却器向外太空辐射的热量（3K）应该比从大气和周围环境获得的热量更多。因此，有效的夜间冷却器在中红外波长范围内总是表现出高发射率，尤其是在大气窗口（8-13μm）。随着进一步的发展，近年来中国在日间使用方面的应用得到了拓宽。日间辐射冷却器不仅需要发出强烈的热量，而且需要尽可能多地反射阳光（0.3−2.5μm）。

本文提出了一种温度适应性双层结构，该结构将传统的无源日间辐射冷却器（RC）和室温相变材料（PCM）耦合。引入PCM旨在通过储存和释放RC产生的冷却能力来调节双层结构的冷却性能。在RC的冷却温度高于相变温度（PCT）的情况下，PCM通过吸收周围的热量来释放冷却能力，而在相反的情况下PCM通过释放热量来存储冷却能力。在白天，被称为PCMRC的拟议结构在峰值太阳强度为880 W m⁻²的情况下表现出9°C的最大亚环境温度下降，平均温度下降为6.3°C，比传统RC低2.2°C。在夜间，与传统RC不同的是，PCMRC的平均亚环境温度下降约1.8°C，而温度上升约2.1°C。

图文解析

A显示了中国深圳10月1天的环境温度。显然，与白天的环境温度相比，晚上的环境温度总是更低。同时，由于缺乏太阳辐射，夜间的辐射冷却器总是表现出更高的净冷却功率。较低的环境温度和较高的净冷却功率的组合导致较低的冷却温度。

PCMRC的工作原理如图B所示。由于强烈的太阳反射和中红外发射，顶部RC层提供了有效的辐射冷却性能。RC层下方的PCM层可以进一步调节冷却性能。当RC提供的冷却温度高于PCT时，PCM吸收热量以降低附近的温度，这预计会发生在白天。此时，PCMRC表现出双重冷却，即辐射冷却和PCM冷却相结合。

如图C所示，PCMRC具有由RC和PCM层组成的双层结构。顶部RC层由多孔膨胀聚四氟乙烯（ePTFE）膜制成，充满了分级的纳米和微纤维。PTFE纤维的直径分布在200−2000 nm的范围内，峰值分布集中在200−400 nm。

图A所示，基于PTFE纳米纤维和微纤维的有效宽带阳光散射，RC和PCMRC在太阳光谱中都显示出高反射率。PCM层的加入增加了PCMRC的太阳反射率，而PCM层的状态对太阳反射率没有明显影响。RC和PCMRC的平均太阳反射率（R̅ _solar）分别为0.97和0.98，通过计算得出，高的太阳辐射率表明在阳光直射下太阳能的吸收率较低，最大限度地减少了阳光对RC和PCMRC冷却性能的影响。在图B中，无论PCM是液相还是固相，PCMRC都表现出比RC更高的中红外发射率，这归因于包含了具有大量C−O−C（1248、1113和949 cm⁻¹）的PCM（PEG800）层。

环境空气、RC和PCMRC的实时温度如图A所示

一天内的温度测量显示，RC全天的温度下降幅度低于环境温度，而PCMRC仅在06:00至18:00期间出现低于环境温度的下降。此外，T_PCMRC从08:00开始小于T_RC，然后在16:30超过T_RC，这是由于PCM层的功能转变。从08:00到16:30，PCMRC表现出辐射和PCM冷却的结合，带来了更大的亚环境温度下降。16:30之后，由于辐射冷却和PCM加热的结合，T_PCMRC＞T_RC。

如图3B，C所示，在白天，当T_RC大于PEG800的熔化开始温度（16°C）时，PCMRC在峰值太阳强度880 W m⁻²的情况下实现了9°C的最大亚环境温度下降，从08:00−16:00起实现了6.3°C的平均亚环境温度降。相比之下，RC最大值仅比周围环境低7°C，平均亚环境温度下降约4.1°C。在夜间，当T_RC低于PEG800的结晶开始温度（23°C）时，从18:00−02:00，PCMRC平均比周围环境高2.1°C，尽管RC表现出约1.8°C的平均亚环境温度下降。此外，由于完成从液体到固体相变的PEG800的比例增加，PCMRC的加热性能在夜间逐渐减弱。

图A、B，P_net所示，RC的ΔT=0在白天为76 W m⁻²同样，夜间RC的P_net，ΔT=0为100 W m⁻²。P_net，ΔT=0的差异可以解释为白天从太阳获得的能量削弱了RC的冷却性能。此外，在白天或夜间，ΔT_{net‑power=0}随着RC的h_nonradiation的增加而降低，表明可实现的亚环境温度下降降低。这一结果是因为当T_RC<T_amb时，热传导和对流促进了RC从环境中获得能量。

图C、 D演示了PCMRC在白天和夜间的P_net理论计算。在白天，我们将T_PCMRC设置为不断增加，以模拟PCM层的相变过程，这意味着T_PCMRC−T_amb逐渐上升。当T_PCMRC超过16°C时，图4C中P_net的突然增加表明PEG800的固液相变改善了RC的冷却性能。可以看出，当T_PCMRC超过16°C时，P_CMRC的P_net，ΔT=0为138 W m⁻²，由辐射冷却和PCM冷却组成。

图A，B所示，与处于热板上的STRC表面相比，PCMRC表面需要更长的时间才能达到稳定的温度（55°C）。这是因为PEG800的固液相变推迟了PCMRC表面的温度上升。同样值得一提的是，PCMRC的表面温度首先经历了一段缓慢增长的时期，然后迅速上升

PCMRC的缓慢温升归因于PEG800吸收了大量热量，而在加热过程开始时，只有少量热量用于增加PCMRC表面的可检测热量。在大多数PEG800完成固液相变后，PCMRC表面的温度开始迅速上升。

总结

总之，本文设计了一种将传统辐射冷却器与相变材料耦合的温度自适应双层结构（PCMRC）。由具有分级纳米和微纤维的ePTFE薄膜制成的顶部传统辐射冷却层在太阳光谱中表现出高反射率。在添加底部PCM层后，PCMRC在大气窗口中显示出约98%的高R̅ _solar和约75%的相对较高的ε̅_IR，表现出高效的被动辐射冷却。更重要的是，引入PCM层可以有效地调节PCMRC的冷却性能，从而实现温度自适应热管理。在白天，PCMRC在峰值太阳强度为880 W m⁻²的情况下实现了9°C的最大亚环境温度下降，平均亚环境温度降为6.3°C，比传统辐射冷却器低2.2°C。夜间，PCMRC比环境空气温度高约1.8°C。

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11916