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辐射制冷是最近比较热门的一个话题。各种NS不断，而且各类综述文章也很多，但是似乎科普类的文献比较有限。本文针对辐射制冷的基本原理和一些常见的问题进行一个简要的介绍。
温室效应和辐射制冷首先考虑一个本科传热学问题：一个太阳-地球-太空的三体辐射换热系统，太阳通过约W/m2的直射功率密度照射地球，而稳态下地球也在以相应的功率向接近绝对零度的外太空辐射同等功率的能量，几何关系如上图所示。假设太阳、地球均为黑体，稳态情况下地球的温度是多少？大家可以简单的做一下计算，答案是K。这个温度是低于地球表面的平均温度的，之所以如此，正式因为地球表面的大气层对地球辐射有遮挡作用，也就是说，地球并不是以完全的黑体辐射向外发射能量的。
想必读到这里，大家一定会想到另外一个概念，即“温室效应”。没错！辐射制冷和温室效应是紧密相关的。很多科学家相信，正是因为大气中的温室气体增加阻挡了向外的辐射，产生了全球变暖和极端天气。那么，如果温室气体无法减少，那么如何产生“反温室效应”来降低表面的温度呢？理想的一个方法就是，调控表面的发射率，通过在大气比较透明的波段增加发射，可以实现降温的目的。这就是所谓的辐射制冷。
辐射制冷的基本原理辐射制冷并非一个全新的概念。事实上，这个概念在年已经被Arago提出，曾被先人用于生产和生活。上世纪70年代前后对夜间辐射制冷材料的研究非常多。从上世纪50年代一直到本世纪初一直有国内外课题组在开展相关研究。在气象领域，辐射制冷也是被熟知的一个概念。辐射制冷和很多熟知的自然现象，例如霜冻、结露等有很大的关系。当然，白天辐射制冷的首次实现，还是斯坦福大学年的Nature。
下面讲讲基本原理。虽然大气在可见光波段是透明的，在红外波段并非透明的，其透射谱如上图所示。其中最重要的一个透明波段是8-13微米，也称大气窗口，因为该窗口和K左右的物体的黑体辐射峰正好重合，因此地球辐射的主要部分，是从这个“窗口”中辐射到外太空的。因此，地球上对着天空的任意的表面，如果能够增加在大气窗口中的辐射，那么是有利于该表面降温的。需要注意的是，大气透明的假设是基于晴空的，如果有云层遮挡（阴雨天气），则大气窗口可以完全被挡住，因此无法产生辐射制冷效果。这一点后面还会讲到。下面我们开始讨论公式。可以把问题简化为上图中的传热系统。这是一个典型的半透明参与性介质（大气）的辐射换热系统。表面会接收太阳辐射Psun，大气辐射Patm，同时在向外发射能量Prad，另外，除了辐射之外，该表面也会通过热传导和热对流会与环境进行非辐射换热Pnonrad。通过能量守恒不难得出，该表面的制冷功率Pcool与上面几项的关联，如上图中的公式所示。因此，如果表面的温度固定为T，那么其制冷功率就由这些项决定。材料和装置设计这时候，我们必须分两种情况进行讨论。暂时不考虑太阳辐射。
1.如果T大于环境温度，后面称之为辐射散热，那么非辐射换热是在冷却表面。在大气窗口之外，表面向大气的辐射高于大气向表面的辐射。在这样的情况下，一个完全黑体的表面有助于实现最大的Pcool。
2.如果T小于环境温度，后面称之为辐射制冷，那么非辐射换热是在加热表面。在大气窗口之外，表面向大气的辐射低于大气向表面的辐射，因此大气是在加热表面。这样的情况下，最好的选择是只在大气窗口之内有高发射率，而在大气窗口之外发射率为0，这样的表面有助于实现最大的Pcool。
因此，在这里需要敲黑板：辐射散热和辐射制冷的材料设计目标是不同的！最后讨论一下Psun，当然从散热和制冷的角度，我们希望Psun越小越好，因此该表面应当尽量的“白”，即尽量少的吸收太阳光谱内的可见光。
到这里，基本上可以对材料设计目标做一个总结：尽可能减少太阳光谱的吸收，尽可能增加大气窗口的发射。在大气窗口之外，取决于应用场景设计成高发射或者低发射。因此，仅从材料性能表征的角度，光谱性能唯一的决定了材料本身辐射制冷性能的好坏。
然而从上述公式和讨论中不难看出，材料设计（即发射率的调控）并非完全的决定性因素。事实上，其他的决定性的因素包括：Pnonrad中的非辐射换热系数h，以及Patm中的大气发射率。因此，决定Pcool的因素还包括：
1.整体装置的设计：影响非辐射换热系数。所以，从装置设计的角度，要求非辐射换热越低越好，因此应该将系统做的更加绝热。
2.天气条件：影响大气的发射率。从天气的角度：晴空的情况下，大气中水蒸气的含量越低越好（因为水蒸气这种极性分子是参与性介质的重要影响因素），也就是说，越干燥的地区，越容易实现更大的Pcool。本
本文编辑：佚名
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