隨著全球氣溫上升對人類文明構(gòu)成根本性的經(jīng)濟、健康和安全風(fēng)險，維持宜居的建筑環(huán)境已成為我們這個時代最重要的挑戰(zhàn)之一。目前，建筑物的制冷和供暖消耗了全球 12% 的能源，預(yù)計到 2050 年，用于冷卻的能源使用量將急劇增長。不幸的是，流行的熱管理方法，如空調(diào)和加熱器，會消耗大量的電力和燃料，產(chǎn)生自身的熱量，并導(dǎo)致直接和間接的溫室氣體排放。此外，在城市地區(qū)，來自空調(diào)機組的凈熱量以及捕獲太陽熱量并抑制蒸發(fā)冷卻的人造結(jié)構(gòu)的普遍存在都導(dǎo)致局部供暖加劇。事實上，主動體溫調(diào)節(jié)方法可能會加劇氣候變化以及由此產(chǎn)生的冷卻需求。因此，它們不是建筑環(huán)境中大規(guī)模熱量管理的可持續(xù)解決方案。

減少主動冷卻和供暖需求的一個核心機制是控制進出建筑物的輻射熱流。為此，數(shù)十年的研究已經(jīng)探索了通過建筑圍護結(jié)構(gòu)的不同組成部分（例如屋頂、墻壁和窗戶）控制太陽熱量增益的策略。材料和光學(xué)設(shè)計的創(chuàng)新使對太陽光譜的不同波段（紫外線、可見光和近紅外波長）的定制響應(yīng)成為可能。然而，建筑環(huán)境也會在熱紅外 （TIR） 波長 （λ ∼2.5–40 μm） 上輻射發(fā)射和吸收來自其直接環(huán)境的熱量。這種無處不在的熱交換在很大程度上沒有被用于提高建筑物的效率。

一個重要的例外是面向天空的建筑立面的輻射冷卻，它從根本上具有被動性質(zhì)和凈冷卻效果，使其成為主動冷卻系統(tǒng)的可持續(xù)替代品。對該主題的研究已經(jīng)產(chǎn)生了一系列面向天空的設(shè)計，例如傳統(tǒng)的白色油漆、多孔聚合物、銀背多層膜、聚合物介電復(fù)合材料。這些設(shè)計包括選擇性長波紅外發(fā)射器和寬帶熱發(fā)射器，前者可實現(xiàn)深低于環(huán)境溫度的溫度，后者適合在環(huán)境溫度下或接近環(huán)境溫度下運行。其他工作還確定了根據(jù)不同的天氣和氣候條件調(diào)整輻射冷卻的策略。

雖然輻射冷卻已經(jīng)針對水平、面向天空的表面進行了深入研究，但典型建筑物的大部分表面積可能是垂直方向的，控制垂直立面的溫度要困難得多，因為它們不僅面對寒冷的天空，還要應(yīng)對陸地環(huán)境，而陸地環(huán)境在夏天變得溫暖，在冬天變得寒冷。來自陸地特征的熱輝光線可以在夏季大幅減少甚至逆轉(zhuǎn)輻射冷卻，而其逆轉(zhuǎn)可以在冬季導(dǎo)致過冷。據(jù)我們所知，在以前的工作中沒有考慮季節(jié)性變化的地面輻照度對垂直表面的影響。因此，確定一種機制來被動地調(diào)節(jié)能看到地球光芒的垂直立面的溫度仍然是一個重要的、尚未解決的挑戰(zhàn)。

近日，加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的研究團隊開發(fā)了一種新的冷卻技術(shù)。研究人員及其同事發(fā)現(xiàn)了一種經(jīng)濟且可擴展的方法，可以在夏季為建筑物降溫，在冬季為建筑物供暖。該技術(shù)通過在墻壁和窗戶上涂覆能夠更好管理地面附近建筑物與其周圍環(huán)境之間熱量流動的材料。這項發(fā)現(xiàn)可能會減少對空調(diào)的依賴，并為低收入社區(qū)提供一種更環(huán)保、低成本且可擴展的替代方案，這些社區(qū)可能缺乏或沒有制冷和供暖系統(tǒng)。

這項研究由加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系的副教授Aaswath Raman領(lǐng)導(dǎo)，并已在《Cell Reports Physical Science》上發(fā)表。

熱紅外圖像揭示了輻射熱。立面從地面（紅色）吸收熱量（白色至淡紅色），而來自地面/建筑物的一些熱量則輻射到寒冷的天空（藍色）。

輻射熱，即我們感受到的熱表面溫暖我們身體和家園的熱量，通過電磁波在整個地面層級的建筑物與其環(huán)境（如街道和鄰近結(jié)構(gòu)）之間傳播。然而，建筑物與天空之間的熱量傳遞發(fā)生在紅外光譜的一個更窄的范圍內(nèi)，這被稱為大氣傳輸窗口。這種差異使得面向天空表面較少的建筑物在夏季難以降溫，在冬季則難以保暖。