基于论文摘要，我为您生成一个专业且突出主题的中文标题： **几何驱动的双模式辐射发射器：同步实现热点冷却与大气集水的从平面到结构化设计**

《Energy Advances》：From flat to structured: geometry-driven dual-mode radiative emitters for simultaneous hotspot cooling and water harvestingOpen Access

　　

辐射冷却已被分别开发用于两大主要功能：被动热管理与大气集水（atmospheric water harvesting，AWH）。在施加的热负荷下将两者结合于单一表面具有内在困难，因为热点冷却会升高发射器温度，而冷凝则需要持续低于露点温度的区域。本研究建立了一种（据我们所知）此前未见报道的几何驱动共功能机制，其中局部热点与扩展的平面或金字塔形辐射发射器相耦合。横向热扩散在热点附近形成温暖干燥区域，同时保留较冷的外围区域用于凝露形成，使得同一被动平台能够同时排热和集水。研究人员将角度分辨光学表征、光线追踪、传热传质耦合建模以及户外实验相结合。在1021 W m^-2的热点热流密度下，最大的平面发射器和45°金字塔形发射器分别保持了9.3和7.9 g m^-2 h^-1的露水通量，同时相对于非集中对照组，热点附近温度降低了超过45 °C。在1500 W m^-2下，相同架构使热点保持在20 °C以下，而对照组接近85 °C。最后，经实验校准的全球评估进一步确定了该机制在气候上可及的区域。这些结果为局部热量与大气水收集的被动协同管理提供了一个通用框架。

**论文解读文章**

**摘要与核心贡献**

该研究提出了一种几何驱动的双模式辐射发射器架构，通过横向热扩散将局部热点与扩展的辐射冷却表面耦合，从而在单一被动平台上实现了热点冷却与大气集水（atmospheric water harvesting，AWH）的同步功能。这一设计克服了传统辐射冷却器中加热表面与辐射冷却表面重合的固有局限，为被动热管理与大气水收集的协同提供了全新范式。在1021 W m^-2热点热流下，29 × 29 cm平面发射器保持了9.3 g m^-2 h^-1的露水通量，45°金字塔形发射器为7.9 g m^-2 h^-1，同时将热点附近温度降低了超过45 °C。实验校准的全球气候评估进一步确定了该机制在不同地理区域的适用性。

**研究背景与现存问题**

全球气温持续上升和水资源短缺日益加剧，对低能耗冷却和分布式淡水生成提出了并行需求。辐射冷却（radiative cooling，RC）利用大气窗口（8–13 μm）的高热发射率和太阳光谱（0.3–2.5 μm）的高反射率，无需外部能量输入即可向太空排热。然而，此前该领域沿着两条独立路径发展：加热物体的热管理和通过露水冷凝的大气集水。两者在单表面结合存在内在矛盾——移除热点热量会使发射器升温，而集水则需要表面持续低于露点温度。此外，高湿环境虽有利于冷凝但会增强大气长波辐射从而削弱净辐射冷却能力，形成热力学权衡。因此，亟需一种能够同时实现两种功能的被动平台技术。

**研究方法与技术路线**

研究人员采用多尺度研究方法，包括：1）理论建模：建立了包含辐射能量平衡、对流换热、质量传递的耦合热力学模型，并推导了基于刘易斯数（Lewis number）类比和露点温度线性化的冷凝通量表达式；2）光学表征：使用全自动测角光学平台（TAMS）测量太阳光谱角度分辨反射率，利用高精度发射率计（HAIRL）在50 °C低真空条件下测量方位角分辨中红外发射率，并通过有限元法（FEM）模拟验证；3）数值模拟：采用COMSOL Multiphysics进行二维几何光线追踪和三维耦合传热-表面辐射模拟；4）户外实验：在中国上海（2021年9月）和斯洛文尼亚卢布尔雅那（2023年9月、2024年9月）对不同几何构型（平面、45°–60°金字塔，高度120–205 mm）进行了昼夜循环下的热管理和集水性能验证。所使用的辐射冷却材料为商用玻璃-聚合物混合超材料（TPX基体嵌入SiO₂微球，银反射层）。

**研究结果与分析**

**理论框架部分：** 研究人员通过耦合辐射、对流和质量传递模型，预测了不同环境温度和湿度下的露水通量上限可达47 g m^-2 h^-1，与文献报道值一致。二维面内热扩散模型揭示了热点热流密度对亚露点区域范围的控制作用：在1300 W m^-2下仅部分发射器保持低于露点，1600 W m^-2时亚露点区域完全消失。热导率从0.32 W m^-1 K^-1（聚合物）增至200 W m^-1 K^-1（铝）可使峰值热点温度降低约30 °C。

**角度分辨光学表征部分：** 实验测得该材料太阳光谱反射率超过97%，大气窗口内发射率约0.88，半球总发射率为0.84 ± 0.09，约等于理想黑体发射器。FEM模拟与实验在λ > 6.9 μm范围内吻合良好（平均发射率差异约1%），波长平均误差为26%，差异归因于商业涂层内部微观结构未公开。

**光线追踪模拟部分：** 几何光线追踪表明，增加倾斜角θ使水平表面吸收的大气辐射减少，但将全部RC表面纳入考量时呈非单调变化，在θ ≈ 40–45°时吸收增强约10%。然而，太阳能吸收因子随θ增加而急剧上升，在θ > 70°后因投影面积减小而下降。耦合传热模拟显示，考虑角度依赖光学特性后，白天最佳冷却性能出现在θ ≈ 45°和60°附近，夜间随θ增加冷却性能下降更为平缓。

**实验验证部分：** 户外实验验证了平面、45°和60°金字塔构型的热响应。无热负荷时，大型金字塔温度更高；热点加载时，导电热扩散主导温度响应。三维COMSOL模拟与实验平均偏差为8.2%。连续多日昼夜实验表明，倾斜角影响在白天最强（温差5–7 °C）、夜间较小，晨昏过渡期几乎不可区分。

**热点冷却与结露同步演示部分：** 零负荷条件下，最大露水通量达23.1 g m^-2 h^-1。在526 W m^-2下，最大平面发射器保持约11 g m^-2 h^-1；在1021 W m^-2下，平面发射器保持9.3 g m^-2 h^-1，45°金字塔为7.9 g m^-2 h^-1，而最陡60°金字塔仅剩0.8 g m^-2 h^-1。在1500 W m^-2下，非集中对照组接近85 °C，而29 × 29 cm平面结构热点附近温度低于16.5 °C，温差超过65 °C。

**讨论与结论**

该研究建立了一种共功能辐射机制，其中辐射冷却、面内导热、水蒸气补给和结露面积均由几何作为控制变量。与先前依赖外部增湿气流或饱和蒸气输送的研究不同，该系统作为外部流动传热传质问题运行，冷凝由热边界层和浓度边界层的耦合演化决定。三维结构化既带来机遇（抑制大气长波增益）也带来惩罚（增强自吸收和太阳捕获），其性能体现辐射交换、表面过冷度和蒸气补给的竞争。该平台在户外电子设备、建筑围护结构、车辆和分布式基础设施中具有应用前景，将辐射冷却从单一温度降低功能拓展至热-水耦合功能。