隨著全球氣溫上升對(duì)人類文明構(gòu)成根本性的經(jīng)濟(jì)、健康和安全風(fēng)險(xiǎn)，維持宜居的建筑環(huán)境已成為我們這個(gè)時(shí)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(jì)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(huì)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(jī)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(shí)上，主動(dòng)體溫調(diào)節(jié)方法可能會(huì)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(dòng)冷卻和供暖需求的一個(gè)核心機(jī)制是控制進(jìn)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(hù)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(jì)的創(chuàng)新使對(duì)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(huì)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(gè)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(dòng)性質(zhì)和凈冷卻效果，使其成為主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的可持續(xù)替代品。對(duì)該主題的研究已經(jīng)產(chǎn)生了一系列面向天空的設(shè)計(jì)，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(jì)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(shí)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(yùn)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(duì)水平、面向天空的表面進(jìn)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?yàn)樗鼈儾粌H面對(duì)寒冷的天空，還要應(yīng)對(duì)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(duì)垂直表面的影響。因此，確定一種機(jī)制來被動(dòng)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(gè)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(tuán)隊(duì)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(jì)且可擴(kuò)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(dòng)的材料。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可能會(huì)減少對(duì)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(kuò)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(xiàng)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(lán)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(gè)地面層級(jí)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(gè)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。