耦合辐射制冷与潜热存储的高效冷却技术：机制解析与性能优化

北京大学研究团队针对传统辐射制冷技术存在的温度降幅与冷却功率限制，创新性地提出耦合相变材料(PCMs)的"双功能模式"，通过建立热传递模型揭示了相变温度(8-24°C)与传热系数(25-500 W m-2 K-1 )对冷却性能的调控机制，实现日间3.5°C额外温降和500 W m-2 冷却功率提升，为建筑节能和热管理提供新范式。

　　

在全球变暖与能源危机背景下，建筑制冷能耗已占全球电力消耗的15%。传统辐射制冷技术虽能利用宇宙3K冷源实现零能耗降温，但其最大温降被限制在5-10°C，冷却功率密度仅为50-150 W m^-2
。这种"天花板效应"严重制约了该技术在高温环境下的应用效能。北京大学材料科学与工程学院团队在《Cell Reports Physical Science》发表的研究，通过耦合相变材料(PCMs)的潜热存储特性，开创性地突破了这一技术瓶颈。

研究团队采用理论建模与数值模拟相结合的方法，建立了包含辐射-传导-相变的多物理场耦合方程（公式1）。通过设置95%红外发射率(ε_rad
)和95%太阳光反射率(r_rad
)的边界条件，系统分析了相变温度(T_PCMs
)、界面传热系数(h_RP
)等关键参数的影响。特别引入相变前沿移动模型（公式2），定量描述了PCMs熔化/凝固过程中的动态热交换。

温度控制性能
研究发现当PCMs相变温度设为16°C时，辐射冷却器表面温度可被"钉扎"在相变点附近，较传统模式产生额外3.5°C温降。这种效应源于PCMs的等温吸热特性，使得热流从外部持续流向内部相变层（图1C）。值得注意的是，界面传热系数提升至500 W m^-2
K^-1
时，冷却功率可达理论最大值500 W m^-2
（图2A）。

PCMs需求特性
相变材料的储能/释能功率(P_PCMs
)呈现平台特征（图3A），150 J g^-1
焓值的PCMs在50 W m^-2
K^-1
传热系数下，1 g cm^-2
用量即可满足全天调控需求（公式3）。研究特别指出12-16°C是最佳相变温度区间，既能保证日间充分吸热，又可避免夜间散热困难（图3D）。

空间温控优势
双功能系统在封闭空间热管理中展现出独特价值：日间PCMs底层温度稳定在相变点附近，有效阻隔外部热流；夜间相变放热过程又能缓冲温度骤降（图1D）。这种"削峰填谷"效应使系统特别适用于基站、工业厂房等存在内热源的场景。

该研究通过精确的热力学建模，首次阐明了辐射-相变耦合系统的温度调控机制。提出的"传热系数-相变温度-质量负载"优化框架，为开发新一代智能热管理材料提供了理论基石。未来通过开发具有本征高反射率的PCMs复合材料（公式4），或可实现更高效的被动冷却系统，这对实现"双碳"目标具有重要战略意义。