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Bioinspired Rhombic VO 2 Metasurface with Low Solar Absorptance for Self-adaptive All-Weather Building Thermal Management

材料科学 热发射率 吸收率 光电子学 电子设备和系统的热管理 辐射冷却 热的 工程物理 被动冷却 辐射传输 光学 等离子体子 太阳能 光伏系统 高效能源利用 被动式太阳能建筑设计 选择性表面 保温 联轴节(管道) 主动冷却 透明度(行为) 热导率 可再生能源 节能 冷负荷 玻璃 吸收(声学) 热能 太阳增益 阳光 电致变色 纳米技术 发射率 传热 能源消耗 零能耗建筑 热舒适性 热辐射 城市热岛 核工程
作者
Qianyi Li,Yuxuan Zheng,Junlin Yang,Shiqiao Liu,Changqing Zhou,Chengzhi Wang,Haibo Jin,Jingbo Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (28): 38774-38785
标识
DOI:10.1021/acsami.6c07795
摘要

Passive radiative cooling effectively reduces energy consumption but often suffers from winter overcooling. To address this challenge, we report a bioinspired rhombic-patterned vanadium dioxide (VO 2 ) metasurface intelligent thermal radiative device (RITD) for self-adaptive all-weather building thermal regulation. Through tailoring of the synergistic coupling between the metal–insulator transition (MIT) of VO 2 and the multiple resonances of a Fabry–Pérot (F–P) cavity and subwavelength periodic VO 2 arrays, the RITD achieves a dynamic emittance modulation (Δε) of 0.65 (from 0.27 to 0.92) within the atmospheric transparency window (8–14 μm). Crucially, the bioinspired architecture maintains a stable, low solar absorptance (α sol = 0.23), effectively suppressing excessive solar heating and thus maximizing the net cooling power during intense sunlight exposure. With a tungsten-doped tunable phase-transition threshold (25–68 °C), the RITD demonstrates a daytime subambient cooling of ∼14 °C and a nighttime heat retention of ∼3 °C above the ambient temperature. Building energy simulations across multiple Chinese cities reveal that RITD-integrated roofs deliver substantial annual energy savings by simultaneously addressing cooling demands in summer and insulation needs in winter. This mechanism-driven design provides a scalable and robust strategy for advancing zero-energy buildings and sustainable thermal management technologies.
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