【摘要】

在干旱气候中，减少空调等系统的高能耗是非常重要的。近日，有学者开发了一种被动等温薄膜，可以通过自然现象在不消耗能源的情况下，保持温度接近25°C。这个薄膜包含一个由聚二甲基硅氧烷（PDMS）、衍射光栅和熔融的SiO2/Ti/Ag薄膜组成的辐射冷却单元，能够在白天实现辐射冷却。同时，该薄膜通过多孔材料中的水分蒸发（也叫潜热冷却）以及硝酸铵溶于水时的吸热反应来储存热能，进一步冷却。

到了晚上，通过PDMS的衍射效应减少热量散失，并通过化学反应释放热量来保持温度，抵消环境的热损失。整个系统在一天之内可以将冷却负荷减少约1.1 kW/m²，加热负荷减少约0.3 kW/m²。

这些结果表明，这种被动系统有可能为干旱地区提供不依赖空调等主动设备的温度调节方案，非常适合人类居住环境。

【研究背景】

在干旱地区，城市建设项目正在进行中，而制冷、通风和供暖的空调系统的能耗是个重大挑战。这些地区因为强烈的阳光暴晒，白天的气温可以高达60°C，而在日落后，由于空气湿度低和空气的低比热容，气温会快速下降到冰点以下。为了让室内保持25°C的适宜温度和50%的相对湿度，依赖现有的HVAC系统来提供加热和制冷，能耗将非常高，几乎无法实现。因此，研究的重点是开发一种被动薄膜，可以通过自然过程在干旱气候下保持25°C的宜居环境，无需额外能耗。

为了应对白天过高的冷却负荷，研究人员讨论了不消耗能量的被动冷却方法，这些方法能够提供持续的冷却效果。例如，Raman等人报道了一种使用SiO2/HfO2/Ag/Ti材料的光子辐射冷却器，能够使温度比环境温度低4.9°C。不过，这种薄膜的制造成本较高，主要是因为使用了电子束蒸发法来沉积多层结构。最近的研究尝试了几种更低成本的解决方案，比如分层结构的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、涂有PDMS的金属结构、木材脱木质素处理以及3D多孔醋酸纤维素基质内镶SiO2。另有一些研究则探索了热化学反应的被动冷却方法，比如通过金属有机框架材料的水分吸附和解吸行为来实现的冷却。近年来本科课题组还通过硝酸铵的水分解吸驱动的吸热反应，显著提高了冷却功率和能量密度。

被动加热的方法包括太阳能的直接吸收，比如自然加热或特隆布墙，以及自然通风。然而，这些方法需要一个外部热源，因此在夜间室外温度急剧下降时，这些方法在干旱地区的应用受到了限制。尽管为了解决建筑应用中热能供应与需求之间的时间差，开发了能量储存系统，但这些系统往往结构复杂且成本效益不高。总的来说，被动冷却方法确实能够在白天降低干旱气候中的温度，但目前没有一种被动薄膜可以在不依赖外部热源的情况下减轻夜间的加热负荷。此外，单独使用辐射冷却薄膜时，夜间的热量损失可能会非常大，因为这些薄膜的热辐射功率可以达到366 W/m²，并且在室温下它们的发射率/吸收率接近1。

【研究内容】

研究人员开发了一种被动等温薄膜，结合了辐射冷却单元和水分解吸驱动的吸热反应（WD-ER）单元，能够在干旱气候下长期维持接近25°C的温度。这个薄膜通过自然过程工作，无需任何能量消耗，并且依靠其自切换特性，白天可以抵消自然界大约1100 W/m²的加热功率，晚上则可以抵消大约−300 W/m²的冷却功率。

（WD-ER）单元包含MIL-101(Cr)与硝酸铵：

 白天，随着温度上升，MIL-101(Cr)中的水分会被解析，也就是水会从MOF结构中解吸出来。而硝酸铵溶于水的吸热反应发生在有足够水分的条件下。因此，解析出来的水可以为硝酸铵溶解提供水源，这时硝酸铵会吸收热量并溶解在解析出来的水中，形成一个吸热反应，帮助在白天冷却系统。

晚上，当外界温度降低时，MOF会重新吸收水分，硝酸铵的溶解反应会停止，把热量释放出来，系统同时通过减少热辐射来保持温度。这样，硝酸铵和MIL-101(Cr)的作用就实现了在不同时间段的互补，帮助系统在全天候稳定温度。

【图文解析】

被动等温膜的示意图。a干旱气候条件下由辐射冷却和水解吸驱动吸热反应(WD-ER)层组成的系统结构。b理论制冷和制热功率，全天保持25°C的等温线。c白天的冷却机制。d夜间加热机制。PDMS和MIL101(Cr)分别代表聚二甲基硅氧烷和对苯二甲酸铬(III)金属有机框架。

辐射冷却机组的特点。聚二甲基硅氧烷(PDMS)衍射光栅的场发射扫描电镜(FE-SEM)图像。b熔融SiO2/Ti/Ag亚层的FE-SEM图像和能谱分析(EDS)。c辐射冷却装置在紫外-可见-近红外(UV-VisNIR)区域的归一化太阳辐照度和吸收率/发射率。d黑体的归一化热发射和辐射冷却装置在红外区域的吸收率/发射率。这是辐射冷却装置的厚度。λmax表示在特定温度下电磁波的最大波长。源数据作为源数据文件提供。

辐射冷却机组的实际性能。a实验装置的图像。b全天材料的温度变化。UA和PDMS分别表示绝缘材料和聚二甲基硅氧烷的总换热系数。源数据作为源数据文件提供。

水解吸驱动吸热反应(WD-ER)装置的特点。对苯二甲酸铬(III)金属有机骨架(MIL-101(Cr))的场发射扫描电镜(FE-SEM)图像和能谱(EDS)。b MIL-101(Cr)的N2吸附曲线。c MIL-101(Cr)的等温吸水曲线。d MIL-101(Cr)在23℃下的动态吸水循环。e硝酸铵溶解度随温度的变化，在5 ~ 50℃的工作温度范围内，硝酸铵的能量密度为722 kJ kg−1。源数据作为源数据文件提供。

水解吸吸热反应(WD-ER)装置的实际性能。a散热过程数值分析的验证。预测值相对于实验数据的精度用R2值表示。b冷却能量密度。13X和MIL-101(Cr)分别代表分子筛13X和对苯二甲酸铬(III)金属有机框架。源数据作为源数据文件提供

被动等温膜的演示。a由辐射冷却单元和水解吸驱动吸热反应(WD-ER)单元组成的被动等温膜图像。b被动式等温膜全天的温度变化和冷热功率。PDMS和MIL101(Cr)分别代表聚二甲基硅氧烷和对苯二甲酸铬(III)金属有机框架。ΔT表示一天中最高气温和最低气温之差。源数据作为源数据文件提供

【研究团队】

Yong Tae Kang教授是韩国机械工程领域的知名学者，专注于热能系统的研究。他于1987年和1989年分别在首尔国立大学机械工程系获得学士和硕士学位，1994年在俄亥俄州立大学获得博士学位。之后，他在该校进行了两年的博士后研究，并于1997年成为日本东京农工大学的访问教授，同时在日本科学技术振兴机构（JST）担任特别研究员。

在东京农工大学工作三年后，Kang教授于2000年加入庆熙大学，并于2014年转入高丽大学担任教授。他的研究领域涵盖吸收式热泵、换热器设计、制冷系统、纳米流体以及利用纳米吸附剂的二氧化碳捕集。他发表了超过200篇国际和国内期刊论文，以及200多篇会议论文。

Kang教授还是多个国际专业组织的成员，包括ASHRAE、KSME、IIR、JSHRAE和SAREK。他的实验室于2010年被韩国科技部指定为国家研究实验室，他还获得了多个奖项和荣誉，包括2015年由SAREK、CAR和JSRAE联合颁发的亚洲学术奖。此外，他在2019年当选为韩国科学技术院院士，2020年成为韩国国家工程院院士。

他目前是《国际空调与制冷期刊》的主编，并担任《机械科学与技术期刊》的编辑。他还在多个学术领导职位上任职，包括2017-2019年担任高丽大学机械工程学院的BK Plus项目主任，2019年担任KSME热工程部主席，现为SAREK的候任主席。