近日，机械与动力工程学院王如竹教授领衔的ITEWA多学科交叉创新团队在Energy & Environmental Science上发表了题为Radiative Sky Cooling Thermal Concentration with Cooling Power Exceeding One kW Per Square Meter的论文，提出辐射制冷热集中策略，实现制冷功率超过千瓦每平米。论文第一作者是制冷与低温工程研究所博士后Primož Poredoš，通讯作者是王如竹教授。

全球变暖和人类对制冷需求的持续增加使得人们更加关注可持续制冷，尤其是利用宇宙环境本身实现制冷。与传统主动制冷系统消耗能源不同，被动天空辐射制冷通过对特定波长透明的大气窗口将地球辐射表面的红外热释放到外层空间，实现了无需任何电力输入的制冷。然而，这些辐射材料的冷却功率密度比地球接受太阳辐射的功率低一个数量级，约为~100 W/m²水平。仅通过改善其光谱性能已经很难达到更高的冷却功率密度，迫切需要进一步的研究实现制冷功率密度的成倍显著提升。

作为一种可持续的制冷技术，天空辐射制冷技术可以用于建筑冷却等多种户外应用。目前这项技术迫切需要突破制冷功率密度的限制，以实现在实际场景中的推广与应用，如空气冷凝取水、电子器件散热。现有文献主要提出了辐射制冷功效放大或辐射制冷光学聚焦相关的想法。然而，这些改进的效果相对较小，且缺乏对此类方法在实际情况中应用的可行性评估，其潜力受到限制。

为此，作者提出了一种可扩展的AsymSkyCool方法，利用热源与辐射制冷表面显著的面积差，将较小面积热源产生的集中热量通过高导热材料传导到具有辐射制冷功能的基板上，最终辐射散热到外太空中。这种不对称设计的辐射制冷集中器，利用热传导-热辐射的两步传热过程，实现了原本低辐射冷却功率的集中，可以在太阳辐照度500 W/m²的白天实现接近1000 W/m²的冷却功率，而在晚上实现的辐射功率超过2000 W/m²。该研究成果比现有已报道的辐射制冷集中策略所获制冷功率提高了近十倍，为大功率电子器件冷却、辐射制冷空气取水、热管理等能源密集型应用提供了新的可行思路，在可持续低碳应用领域具有巨大发展潜力。

作者进一步研究了该概念在低于环境温度和超过环境温度下的散热性能。对有无辐射制冷材料进行了对比研究发现，有辐射制冷材料的高导热基板的散热功率与温度下降显著优于仅保留金属基板的性能，两者表面温度差可高达25°C（低于环境温度下），而在超过环境温度进行散热时，温度差可高达22°C。同时，作者还对气候和地理特征的影响进行了广泛探究。八月至十二月期间，在斯洛文尼亚卢布尔雅那、中国上海和昆明三个地点进行了66个实验，验证了该概念在宽环境温度和相对湿度条件下良好的辐射冷却性能。此外，为了展示tcRC的实用性，研究还对LED灯的冷却进行了为期一周的概念验证实验，使用了具有高热流密度约为8000 W m^-2的LED照明灯，与采用散热器和风扇组合的主动冷却方式相比，tcRC这种纯被动冷却方式能使LED灯的温度在夜间降低10°C以上，比主动散热策略更有优势。同时对LED灯进行三个连续的ON-OFF循环，从LED灯的温度响应表明，所提出的tcRC概念非常适用于电子器件间歇式运行发热冷却场景。

作者所提出的对辐射制冷能量进行热聚焦的创新方法，将促进能源、水、食物、建筑等多领域的互联研究，涵盖基础物理学和应用物理学领域，包括在热力工程领域的实际应用。此外， AsymSkyCool方法和tcRC概念可应用于建筑领域，以创建建筑一体化解决方案。

王如竹教授领衔的ITEWA多学科交叉创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Science、Joule、Energy & Environmental Science等国际期刊上发表系列跨学科交叉论文。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d3ee03214k