被動(dòng)輻射冷卻技術(shù)已得到廣泛研究，然而，由于窗戶是建筑構(gòu)件中能效最低且視野受限的部件，實(shí)現(xiàn)窗戶的有效冷卻仍是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。與水平表面不同，垂直朝向窗戶的有效冷卻需要嚴(yán)格抑制來(lái)自高溫環(huán)境的寄生熱輻射，同時(shí)保持可見透明度。本研究提出一種透明不對(duì)稱定向發(fā)射器（transparent asymmetric directional emitter, TADE），其可見光透射率高達(dá)0.83，且其具有不對(duì)稱發(fā)射特性，在垂直配置下對(duì)天空和地面分別呈現(xiàn)高和低發(fā)射率。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明，夏季正午面向熱地面時(shí)，TADE集成玻璃與普通玻璃相比可實(shí)現(xiàn)最大4.8°C的溫度降低。全球建筑能耗模擬研究表明，TADE的定向熱輻射特性可有效降低炎熱氣候下的加熱、通風(fēng)和空調(diào)（Heating, ventilation, and air conditioning, HVAC）能耗，為提升建筑窗戶的能效提供了創(chuàng)新解決方案。相關(guān)工作以A transparent directional thermal emitter為題發(fā)表在Advanced Materials期刊。

本文提出一種透明不對(duì)稱的定向發(fā)射器，首先介紹了其與全向發(fā)射器的傳熱及輻射冷卻過程（圖1）；然后計(jì)算了其光學(xué)特性，展示了ITO涂層對(duì)中紅外光的反射及PVA涂層對(duì)中紅外光的吸收（使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)期不對(duì)稱發(fā)射行為）（圖2）；展示了其制作及光熱測(cè)量過程（圖3）；最后進(jìn)行了實(shí)際輻射冷卻性能測(cè)試及HVAC節(jié)能分析（圖4）。

圖1.垂直的定向和全向發(fā)射器（一半為理想側(cè)）的傳熱過程示意圖及輻射冷卻性能理論分析。(a)常規(guī)玻璃與TADE集成玻璃的光熱傳遞示意圖。需注意，彎曲箭頭僅用于視覺清晰度以區(qū)分光路，并不表示光在自由空間中發(fā)生彎曲; (b)TADE的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)示意圖，由ITO/PVA鋸齒狀光柵和SEBS阻抗匹配層構(gòu)成；(c)在環(huán)境溫度為30 °C時(shí)，全向和定向發(fā)射器的穩(wěn)態(tài)溫度Tsteady隨Tground從30 °C升至80 °C而變化。實(shí)線和虛線分別表示對(duì)流-傳導(dǎo)熱傳遞系數(shù)為0和8 W/m2·K。

圖2. TADE的計(jì)算光學(xué)特性。(a)20 μm厚SEBS（styrene?ethylene?butylene?styrene）膜的可見光-中紅外透射率計(jì)算值，300nm厚ITO層的可見光透射率與中紅外反射率，以及140 μm厚PVA膜的可見光透射率與中紅外吸收率；(b)TADE的太陽(yáng)光透射率角依賴譜的計(jì)算；(c)計(jì)算得到的TADE（左）角依賴性中紅外發(fā)射率光譜及10 μm波長(zhǎng)入射光在±50°入射角下的電場(chǎng)分布（右）；(d)對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯示TADE在不同入射角下ATW波段的平均可見光透射率（上）和平均發(fā)射率（下）。

圖3. TADE的制作及光熱測(cè)量。(a)葉片前放置TADE的光學(xué)照片（上）及TADE側(cè)視圖（下）；(b)TADE表面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（左上）及橫截面圖像（左下）；(c)TADE無(wú)SEBS、TADE及TADE集成玻璃的測(cè)量太陽(yáng)直射/總透射光譜；(d)TADE的測(cè)量角度依賴性MIR發(fā)射率光譜；(e)置于60°C熱板上的TADE集成玻璃在不同觀測(cè)天頂角和方位角下拍攝的紅外圖像；(f)室內(nèi)熱測(cè)量裝置示意圖，分別采用加熱器和干冰模擬熱地面與冷外太空環(huán)境；(g)隨著人工地溫升高，TADE集成玻璃與普通玻璃的實(shí)時(shí)溫度記錄數(shù)據(jù)；(h)不同人工地溫下TADE集成玻璃與普通玻璃的統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)溫度，灰色陰影區(qū)域表示理論模型預(yù)測(cè)范圍。

圖4.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明TADE在垂直表面具有增強(qiáng)的輻射冷卻性能，并進(jìn)行了HVAC節(jié)能分析。(a)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量期間周邊環(huán)境的光學(xué)照片；(b)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量期間周圍環(huán)境的紅外圖像；(c)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置的光學(xué)照片及測(cè)試室示意圖，采用黑色背景以標(biāo)準(zhǔn)化太陽(yáng)吸收，從而消除太陽(yáng)光譜差異，并隔離由熱輻射引起的熱性能差異；(d)2025年6月18日中午前后記錄的實(shí)時(shí)溫度剖面，采用PE對(duì)流屏蔽；(e)2025年6月6日夜間使用PE對(duì)流屏蔽器記錄的實(shí)時(shí)溫度曲線；(f)2025年11月14日中午時(shí)分，未使用PE對(duì)流屏蔽裝置記錄的實(shí)時(shí)溫度曲線；(g)TADE模擬的全球HVAC節(jié)能百分比與對(duì)稱高輻射率窗戶的對(duì)比。

小結(jié)：本研究基于幾何光學(xué)原理和阻抗匹配技術(shù)，成功研發(fā)出一款兼具柔韌性和輕量化特性的透明不對(duì)稱定向發(fā)射器（transparent asymmetric directional emitter, TADE）。該裝置在可見光波段實(shí)現(xiàn)0.83的高透光率，同時(shí)在中紅外光譜區(qū)域展現(xiàn)出顯著的不對(duì)稱熱輻射特性?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)，TADE在建筑立面輻射冷卻方面具有顯著優(yōu)勢(shì)：通過有效抑制地面熱輻射的寄生效應(yīng)，集成TADE的玻璃在夏季高溫時(shí)段的平均溫度降幅達(dá)到3.8°C，較普通玻璃表現(xiàn)更優(yōu)。全球HVAC系統(tǒng)模擬結(jié)果進(jìn)一步表明，相較于采用全向高/低發(fā)射率玻璃的方案，TADE在炎熱地區(qū)能有效降低能耗。這項(xiàng)研究為開發(fā)先進(jìn)光熱管理材料提供了重要技術(shù)框架，為新一代節(jié)能建筑的實(shí)現(xiàn)提供了極具前景的解決方案。

論文信息：Chen, Qixiang, Zhuning Wang, Xinyu Zhao, Fan Fan, Yaoguang Ma, and Dongliang Zhao. "A Transparent Directional Thermal Emitter." Nano Letters (2026).

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