基于相变材料光谱特性构建自适应辐射制冷系统及其调控机理研究

Passive radiative cooling allows for cooling below ambient conditions without the input of external energy, which can save significant amounts of energy in buildings. However, when the environment temperature is below a critical temperature in winter such that cooling is no longer desired, radiative cooling may even increase the energy consumption of heating. To this end, this research proposed to develop a novel self-adaptive radiative cooling system based on the integration of phase change material (PCM). The PCM can turn on and off radiative cooling depending on the change of spectral properties between liquid and solid. Therefore, the novel self-adaptive radiative cooling system can perform radiative cooling when the system is above the melting point of PCM, and automatically turn off radiative cooling when the temperature is below the solidification temperature. Meanwhile, the PCM in the system also could charge thermal energy during the day time of cold winter and balance buildings heating demands. Furthermore, this research will involve predictive modeling of optical reflection and absorption and heat transfer and phase change behaviors in order to understand the thermophotonic coupling model of the proposed system. Based on the experimental data, the thermophotonic coupling model will be evaluated and improved. An optimization-based method will be created to systematically explore the design and to identify the viability of the system. The success of this research will contribute to the measurement method of PCM spectral selectivity, preparation of PCM-polymer composites as the infrared transmission switch, self-adaptive radiative cooling system development and numerical modelling.

辐射制冷在无需外部能量输入的情况下可以实现建筑的被动冷却，但目前静态的辐射制冷装置在寒冷的冬季无法自动关闭，反而会增加供暖能耗。本项目通过解析相变材料（PCM）光谱特性与温度变化之间的关系，选定合适的PCM，开发温度自适应性“近红外透射开关”，并与静态辐射制冷装置相结合，构建新型自适应辐射制冷系统。新系统将相变储能与辐射制冷两种物理过程有机的结合在同一系统上，可根据环境温度自动调整工作状态，能够实现高温时辐射制冷，低温时关闭制冷并利用PCM蓄热。结合实验结果与光学-传热-相变理论，解析其温度自适应调控机理，构建自适应辐射制冷系统的光热性能模型，最后通过数值模拟优化系统设计与节能潜力评估。本研究在PCM非常温光谱特性研究、PCM复合材料制备及其近红外透射开关机理解析、自适应辐射制冷系统设计及其光热性能模型构建等基础研究方面具有重要意义。

辐射制冷技术可以在不消耗能源的情况下将废热发射到宇宙深处，是对抗全球变暖的有效方法。然而，在寒冷的冬季，静态辐射冷却装置会导致持续制冷和供暖需求之间的不匹配。因此，本工作引入石蜡作为相变材料（PCM），对石蜡在不同温度、厚度和相态下的透射率进行了表征。在UV-VIS-NIR波段，石蜡的透射率在液相时超过90%，在固相时低于5%。在 "大气窗口"波段（8~13 μm），石蜡在液相中的透射率也远远高于固相中的透射率，最大差异为41.1%。根据双厚度反演法，计算了各种石蜡在固相和液相中的光学常数。在0.19-1.1 μm和8-13 μm波段，计算值和测量值之间的平均误差分别只有1.8%和4%。此外，固态石蜡的微观结构分析显示，石蜡晶粒的尺寸约为10 μm，晶界交错且不规则多层集成结构使固态石蜡的透光率明显降低。进而制备了可自我切换的PE-PCM-PE（聚乙烯-相变材料-聚乙烯）盖板并进行了光谱表征。基于石蜡的透射盖板为实现动态辐射冷却提供了一个新的、低成本的解决方案。.另外，以PDMS为载体材料成功制备了一系列可以随温度自适应改变透光特性的TRTSF定形相变材料。通过相变循环渗漏性分析，发现PCM含量在30%以上的TRTSF样品出现严重的泄露问题，这是由于过高的PCM含量导致PDMS表面产生大量孔洞。进一步针对10-30%PCM含量的样品进行DSC、TG分析，PCM在样品中的理论计算含量与DSC和TG的结果相近，且TRTSF相变温度与PCM相变温度接近；通过对TRTSF UV-可见光和FTIR表征，发现无论是紫外-可见光波长还是中红外波长TRTSF样品固液相变前后开关效果明显，同时所测试的TRTSF样品在8-13μm的大气窗口均具备高发射率特性。微观结构分析发现PCM微球粒径分布在1μm-5μm之间，且PCM凝固后透射率下降为4.7%以下，PCM单层固态颗粒界面反射率提高到66%以上。因此产生米氏散射，隔绝可见光-中红外波段的内外传导，理论上可以关闭辐射制冷。而PCM处于液相时，在紫外-中红外（尤其是8-13μm）波段的光学特性与PDMS接近，可以很好地替代纯PDMS发挥辐射制冷发射层的作用。本研究制备的TRTSF膜在相变前后具有明显的透射开关效果，为自适应辐射制冷结构设计与温度开关提供支持。