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Performance Comparison of Selective and Broadband Emitters in Passive Radiative Cooling

本研究采用数值模拟框架来证明，虽然在干燥、接近或高于环境温度的条件下，宽带发射器优于光谱选择性发射器，但在亚环境降温方面，光谱选择性发射器更为优越，且最优选择关键取决于大气湿度、环境温度以及昼夜运行模式。

原作者： Gianmarco Sciurti, Paolo Magazzeni, Paolo E. Santangelo, Alberto Muscio

发布于 2026-09-30

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原作者： Gianmarco Sciurti, Paolo Magazzeni, Paolo E. Santangelo, Alberto Muscio

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

地球一直在不断地散热，这种方式并非像用风扇吹走热量那样，而是通过发出无形的 light（光）来进行。任何温度高于绝对零度的物体都会发出这种热辐射。在历史的大部分时间里，这个过程是一个缓慢、被动的泄漏过程。然而，科学家们发现，在大气层的“毯子”中存在一个特殊的缝隙。虽然大气层会拦截大部分从地面辐射出的热量，但它对特定范围的红外光却具有惊人的透明度，这个窗口位于 8 到 13 微米之间。通过这个开口，热量可以毫无阻碍地一直传播到寒冷的深空真空之中，而深空则充当了一个宇宙热汇。这种现象使得物体即使在阳光照射下也能降温，这一过程被称为被动辐射冷却。它提供了一种无需使用电力或有害制冷剂即可为建筑物和机械降温的方法，为应对日益增长的全球变暖世界中的能源需求提供了潜在的解决方案。

多年来，设计用于此目的材料的目标是创造一种表面，使其既能像完美的镜子一样反射阳光，同时又能在特定的红外隙值范围内充当完美的窗口。这些“选择性”表面经过工程设计，仅通过该狭窄波段发射热量，从而避免吸收周围潮湿空气的热量。其逻辑在于，通过将发射限制在这一窄带内，表面甚至可以在阳光直射下变得比周围空气更冷。然而，一个竞争性的想法出现了：如果一个在整个红外光谱上都发射热量的“宽带”发射器表面，在某些情况下可能会更好呢？虽然选择性表面在达到极低温度方面表现出色，但宽带表面在更广泛的频率范围内更积极地倾卸热量。问题在于：哪种方法才是真正优越的，答案是否会随着空气是干燥还是潮湿、炎热还是凉爽而改变？

在最近的一项研究中，来自摩德纳和雷焦艾米利亚大学的研究人员并没有通过单一实验，而是通过大规模、系统性的模拟来解决这场争论。他们建立了一个数字模型，可以测试两种特定类型的冷却涂层在数千种天气场景下的表现。一种是光谱选择性材料，旨在仅通过大气窗口发光，类似于现代“超级酷顶”中使用的这种高科技薄膜。另一种是宽带发射器，即在整个红夫光谱上强烈辐射热量的表面，非常类似于标准的黑体，但具有极高的反射阳光的能力。团队将代表广泛条件的各种数据输入模型：室外温度从 10 到 40 摄氏度，相对湿度从接近干燥到完全饱和，以及太阳强度从多云的早晨到盛夏的正午。他们使用先进的大气软件来精确计算在每种场景下天空向地面发送了多少热量，然后将这些条件代入建筑能源模拟中，以观察这两种表面的性能。

结果显示，并没有一种“最佳”涂层适用于所有情况。相反，胜负完全取决于太阳增加的热量与空气辐射回来的热量之间的平衡。当阳光不再照射，或者空气凉爽干燥时，选择性涂层是明显的冠军。由于它拒绝吸收大气窗口之外的潮湿空气的热量，它能够保持比周围空气显著更低的温度，比宽带表面实现超过 2 摄氏度的温差。在这些条件下，它屏蔽大气“噪声”的能力使其能够达到更深的寒冷。

然而，随着太阳升起和空气变热，故事发生了反转。当表面温度接近或甚至高于周围空气的温度时，宽带发射器开始占据上风。在这些温暖、高热负荷的场景中，选择性表面的窄焦点变成了一种限制。它停止了在其余红外光谱上的热量发射，实际上是扣留了本可以释放的能量。相比之下，宽带表面通过在全光谱范围内辐射热量，向天空倾卸了更多的总能量。研究人员发现，随着太阳强度的增加，宽带表面变得更优越的临界点会向干燥的空气方向移动。在高太阳负荷下（例如 1000 瓦/平方米），宽带涂层的表现优于选择性涂层，在一天中的更大一部分时间内保持着正向的冷却能力。

研究还强调了湿度的关键作用。潮湿的空气会向地面辐射热量，就像一条温暖的毯子。在潮湿条件下，选择性表面避免吸收这种额外热量的能力至关重要，这使它能比宽带选项维持更长时间的领先地位。但随着空气变干，吸收这种额外热量的代价也随之减小，此时宽带表面发射更多总热量的能力成为了决定因素。研究人员绘制了这些复杂的相互作用关系，创建了一个指南，展示了“交叉点”究竟在哪里。例如，在 700 瓦/平方米的中等太阳强度下，两种表面在特定的温度和湿度组合下表现几乎相同，但在该点的两侧则会出现剧烈分化。

这项工作表明，被动冷却的未来不在于一种“一刀切”的材料，而在于一种智能的、感知环境的选择过程。如果目标是让一个表面比空气显著更冷（例如用于传感器或特定气候下的冷却应用），那么选择性涂层是正确的工具。但如果目标是管理烈日下建筑屋顶或太阳能电池板的剧烈热量，那么宽带发射器可能通过最大化抛弃的总热量提供更好的性能。研究人员强调，尽管他们的发现是基于模拟的，但它们为工程师提供了一个清晰的框架，以便根据当地气候和应用的特定热负荷来选择合适的材料。通过理解大气不仅仅是一个静态的背景，而是一个参与热交换的动态伙伴，设计者终于可以匹配合适的冷却策略与合适的环境，从而将天空转化为一个更有效的“空调”。

技术摘要：被动辐射冷却中选择性发射器与宽带发射器的性能比较

问题陈述
被动辐射冷却（PRC）为日益增长的能源需求和环境影响提供了一种零能耗解决方案。传统的“冷屋顶”主要依赖高太阳反射率，而先进的被动日间辐射冷却（PDRC）材料旨在通过向深空（8–13 µm 大气窗口）发射热辐射来实现低于环境温度的效果。然而，一个关键的设计问题仍然存在：是光谱选择性发射器（局限于 8–13 µm 窗口）还是宽带发射器（在整个红外光谱 2.5–50 µm 内具有高发射率）更有效？最优选择取决于太阳辐照度、环境温度和大气湿度之间的复杂相互作用，这些因素决定了表面是在低于环境温度还是高于环境温度的状态下运行。目前的文献缺乏一个系统的框架来定义在不同环境条件下，一种策略优于另一种策略的运行边界。

研究方法
本研究采用耦合数值框架，将一种光谱选择性涂层（建模为 SiO₂-TiO₂ 多层结构，太阳反射率为 90.7%）与一种宽带发射器（在 2.5–50 µm 范围内发射率恒定为 0.95，太阳反射率为 92.0%）进行对比。

大气建模： 使用 MODTRAN® 软件模拟“中纬度夏季”大气模型下的下行长波辐射剖面。变化的参数包括地面温度（10, 25, 40 °C）和总可降水量（范围从 25 到 10,000 atm-cm）。
光谱外推： 由于 MODTRAN® 的限制仅到 20 µm，研究使用基于环境温度的普朗克黑体分布将光谱辐照度和发射率剖面外推至 50 µm。敏感性分析证实，发射率尾部（20–50 µm）的变化对净辐射功率平衡的影响微乎其微（NRMSE < 5%）。
模拟工作流： 一个基于 Python 的工作流将预处理的发射和吸收辐射通量查找表集成到 EnergyPlus 中。这使得能够模拟原生 EnergyPlus 不直接支持的光谱选择性材料。
参数域： 模型评估了 26,901 种组合，包括环境温度（10–40 °C）、相对湿度（1–100%）和太阳辐照度（0–1000 W m⁻²）。参考表面被建模为具有零热容的绝热表面，以隔离辐射效应。

核心贡献

开发了通用的参数化框架： 作者创建了一种系统的方法来确定选择性发射器与宽带发射器之间的性能交叉点，超越了单一变量的比较。
运行边界映射： 研究生成了详细的性能图谱，可视化了在温度、湿度和太阳负荷这一三元组作用下，一种发射器类型变得更优越的转换区域。
量化交叉机制： 研究识别了使优势从选择性发射转向宽带发射的具体环境阈值，挑战了“光谱选择性在所有情况下都更优越”的观点。

结果
研究使用了两个指标进行比较：净冷却功率 ( $q_{cool}$ ) 和平衡温度降 ( $\Delta T_{cool}$ )。差值计算方式为（选择性值）减（宽带值）；正值表示有利于选择性发射器。

零太阳辐照度（夜晚/无阳光）： 选择性发射器在整个温度-湿度域内均表现出普遍的优越性，在冷却功率方面平均优势为 6.34 W m⁻²，在温度降方面为 2.51 °C。这是由于它抑制了 8–13 µm 窗口之外的大气波段吸收。
随着太阳辐照度增加： 随着太阳负荷的增加，选择性发射器的优势逐渐减弱。
- 在 400 W m⁻² 时，选择性发射器在 80.7% 的参数网格内仍保持优越。
- 在 700 W m⁻² 时，系统达到一个交叉区域，此时平均差值几乎为零（−0.08 W m⁻²），且选择性的优势范围下降到 52.8% 的定义域。
- 在 1000 W m⁻² 时，宽带发射器占据主导地位，在约 98% 的测试条件下表现优于选择性涂层。
湿度与温度的作用： 交叉边界是耦合的。在较低的环境温度下，选择性发射器在更广泛的湿度范围内都更具优势。随着环境温度和太阳负荷的上升，边界向低相对湿度方向移动。在高热通量场景下（表面接近或超过环境温度），宽带发射器通过全红外光谱辐射热量的能力，抵消了吸收更多下行大气辐射带来的损失。
指标差异： 研究指出，温度指标 ( $\Delta T_{cool}$ ) 和冷却功率指标 ( $\Delta q_{cool}$ ) 提供了虽一致但不完全相同的度量。针对旨在实现深度亚环境温度而优化的表面，可能与针对最大化耦合热源散热而优化的表面并非同一种。

意义与主张
作者得出结论，不存在绝对优越的红外发射率剖面；最优选择严格取决于目标运行机制。

设计指导： 对于需要低太阳增益下的深度亚环境冷却的应用，光谱选择性是首选策略。相反，对于具有强太阳负荷或高热负荷（例如冷却光伏面板或高温建筑外壳）的应用，即表面运行在接近或高于环境温度时，宽带发射率更为有效。
气候适应性： 材料选择必须与目标地区的太阳辐照度、环境温度和大气水分的特定联合分布相匹配，而非仅仅依赖于单一的名义发射率值。
局限性： 作者谦虚地指出，这些发现是基于稳态平衡公式和给定的大气剖面。这些图谱识别了物理运行边界，但并不代表气候发生分布。建议未来的工作应整合特定位置的气象统计数据、风力驱动的对流以及实验验证。

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