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建筑能耗中 HVAC 系统占比大，传统制冷方式耗能高且不环保。研究人员开展被动日间辐射制冷（PDRC）复合膜研究，制备出 cRCM。该膜能降温 5.0°C，有节能潜力，为高效制冷系统提供新方向。
随着城市化进程加快和生活水平提高，建筑能耗在全球能源需求中的占比日益增加，其中供暖、通风和空调（HVAC）系统的能耗约占建筑总能耗的 38%，且大部分用于空间制冷。传统的制冷系统，如空调和冰箱，依赖蒸汽压缩技术，不仅消耗大量电力，还会因净加热效应加剧全球变暖，并且使用的制冷剂可能破坏臭氧层。因此，开发环保且节能的制冷方法迫在眉睫。
在这样的背景下，被动日间辐射制冷（PDRC）技术应运而生。PDRC 利用特殊设计的材料，反射大量阳光（波长约 0.3 - 2.5μm），并通过大气透明窗口（ATW，波长约 8 - 13μm）将热量辐射到寒冷的外太空（约 3K），实现被动制冷，无需外部能源输入，是一种极具潜力的可持续制冷解决方案。然而，目前的辐射制冷器存在诸多问题，如早期基于聚合物的膜在白天阳光直射下难以维持低于环境的温度，而一些复杂的多层光子结构虽然性能优异，但成本过高，难以实际应用。此外，一些多孔聚合物基辐射制冷膜的太阳能反射率受限于材料的低折射率，需要添加高折射率无机材料来提高反射率，这又使得结构和制备过程变得复杂。
为了解决这些问题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项关于复合辐射制冷膜的研究。研究人员制备了一种三明治结构的复合辐射制冷膜（cRCM），该膜由分层多孔聚砜（PSF）层夹在两个柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）层之间组成。研究结果显示，cRCM 具有优异的性能，在中午条件下，能实现平均温度比环境空气温度低 5.0°C，理论冷却功率为 114W/m2。通过全年模拟发现，在温暖和热带地区使用该膜可显著节省冷却能源。这一研究成果发表在《Advanced Membranes》上，为被动日间辐射制冷技术的发展提供了新的方向，有望在节能冷却系统中得到广泛应用，对缓解能源危机和减少温室气体排放具有重要意义。
研究人员在实验中采用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过非溶剂诱导相分离（NIPS）法制备 PSF 膜，将 PSF 与 N，N - 二甲基甲酰胺（DMF）和醋酸（HAC）按特定比例混合，经搅拌、静置后涂覆在基板上，再通过凝固浴诱导相分离，最后干燥并与 PDMS 膜层压形成 cRCM。在性能测试方面，使用基于积分球的自制光谱仪和傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪测量膜的反射率和透射率光谱；利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察 PSF 膜的表面和横截面形貌；通过基于 Mie 理论的开源 PyMieLab v1.0 程序对 PSF 膜中气孔的光散射效率进行数值计算；运用理论能量分析模型评估辐射器的净冷却功率。
下面详细介绍研究结果：
- 结构、制备和表征：cRCM 由 PSF 的多孔阳光反射层和 PDMS 的两个中红外发射层组成。PSF 因其高折射率（1.64）、理想的电磁特性、良好的机械强度（9.0MPa）、高玻璃化转变温度（约 187.1°C）和成本效益被选作反射层材料。NIPS 法制备 PSF 膜时，利用 DMF 的强极性和醋酸的非溶剂膨胀作用，形成分层多孔结构。PDMS 在可见区透明且在中红外区具有强发射率，增强了 cRCM 的冷却能力。PSF 膜表面光滑、呈亮白色，横截面有指状结构，孔径分布为纳米孔约 0.61μm、微孔约 6.12μm。这些微孔和纳米孔形成大量 PSF / 空气界面，通过 Mie 散射和 Rayleigh 散射有效散射阳光，提高了太阳能反射率。光谱测量显示，PSF 膜和 cRCM 的太阳能反射率分别为 98.6% 和 98.2%，cRCM 在 ATW 的平均热发射率（94.2%）远高于 PSF 膜（70%）。
- 户外日间制冷性能演示：在杭州进行户外测量，cRCM 和 PSF 膜在白天平均阳光照射下均能保持低于环境的温度，cRCM 平均降温 5.0°C，最大温差达 8.4°C，且 cRCM 温度始终低于 PSF 膜，验证了其良好的制冷性能。
- 接触角和耐腐蚀性演示：PDMS 赋予 cRCM 疏水性，水接触角达 118°，而 PSF 膜仅为 68°。cRCM 在不同 pH 值下化学蚀刻 24 小时后，外观、太阳能反射率和大气窗口发射率基本不变，证明其具有良好的耐久性和自清洁性能。
- 全年建筑节能评估：利用 EnergyPlus 9 对使用 cRCM 作为建筑围护结构前后的能耗进行模拟。在杭州，使用 cRCM 的建筑全年冷却节能明显高于额外加热消耗。随着建筑楼层增加，冷却节能和额外加热消耗均下降，但总节能略有下降。对中国各城市的模拟显示，低纬度城市使用 cRCM 的冷却节能效果更显著，如海口和澳门，年冷却节能可达约 40MJ/m2。
研究结论和讨论部分表明，cRCM 基于分层多孔 PSF 膜，具有高太阳能反射率（98.2%）和在大气透明窗口的高发射率（94.2%），能有效减少太阳能吸收（1.8%）。户外测试中，其平均降温效果和理论冷却功率优于单层 PSF 膜。此外，该膜制备成本效益高，在被动日间辐射制冷应用中具有巨大潜力，为节能和减少温室气体排放提供了重要的技术支持。这项研究成果为未来高效冷却系统的设计和应用开辟了新途径，有望在建筑、工业等领域广泛应用，推动可持续发展。
