[論文レビュー] Daytime radiative cooling under extreme weather conditions

Jaesuk Hwang|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2023

Thermal Radiation and Cooling TechnologiesEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、シンガポールの極度の熱帯気候条件下で、高熱絶縁性を有するシステムを用いて昼間の放射冷却を実証した。湿った空気、曇り空、急変する天候の下でも、動的スカイ発光率と雲底を放射熱放射源として活用することで、最大8 °Cの低温冷却を達成した。

ABSTRACT

Radiative cooling, taking advantage of the coldness of the sky, has a potential to be a sustainable alternative to meet cooling needs. The performance of a radiative cooling device is fundamentally limited by the emissivity of the sky, therefore depends heavily on the regional weather conditions. Although the sky emissivity is known to increase with the dew point temperature, this interdependence relates only to clear skies and does not cover extreme weather conditions. Therefore, the feasibility of radiative cooling remains elusive in the equatorial tropical climate. A case study of Singapore is presented where the weather is humid, cloudy and constantly changing. We point out that a high degree of thermal insulation of the radiative cooling system can be effective under such extreme weather conditions. A new method to characterise dynamic sky conditions is presented, namely to measure the sky window emissivity in the zenith direction. We show that a sub-ambient cooling up to 8 °C is possible during daytime and that the cloud base is not a complete blackbody and can be used as a heat sink for radiative cooling.

研究の動機と目的

• 高湿度、持続的な曇り空、急変する天候が特徴の赤道付近の熱帯気候における放射冷却の実現可能性を評価すること。
• 極端な気象条件下における熱絶縁が放射冷却性能に与える影響を調査すること。
• 天頂方向のスカイウインドウ発光率を用いた、動的スカイ状態を特徴付ける新しい手法を開発すること。
• 非理想的な発光率を示すにもかかわらず、雲底が効果的な放射熱放射源として機能するかどうかを評価すること。
• 実世界の熱帯気象変動を想定した条件下での放射冷却システムの冷却性能を定量化すること。

提案手法

• 雲のカバー具合や湿度の変化に応じた、天頂方向のスカイウインドウ発光率の測定を通じて、動的スカイ状態を特徴付けること。
• 高熱絶縁性を有する放射冷却システムを用いて、導熱および自然対流による熱損失を最小限に抑えること。
• シンガポールでの現地測定データを分析し、スカイ発光率と環境温度・表面温度の相関関係を検証すること。
• 雲底の有効発光率と冷却表面との熱的結合度を推定することで、雲底を放射熱放射源としてモデル化すること。
• 放射移動モデルを用いて、破れ雲や曇り空を含むさまざまなスカイ状態における冷却可能性を推定すること。
• 冷却表面と周囲空気の温度差測定値と照らし合わせて、結果の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高湿度と持続的な曇り空が特徴の熱帯気候において、放射冷却が低温冷却を達成できるか？
• RQ2 極端な天候条件下において、熱絶縁が放射冷却システムの性能にどのように影響するか？
• RQ3 昼間の冷却において、雲底がどれほど効果的な放射熱放射源として機能できるか？
• RQ4 急変する熱帯天候下で、スカイウインドウ発光率はどのように動的に変化するか、そして冷却可能性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 実世界の熱帯条件下で達成可能な最大冷却温度差はどの程度か？

主な発見

• 高湿度と曇り空の下でも、シンガポールの昼間において最大8 °Cの低温冷却が達成された。
• 完璧な黒体ではないが、高い有効発光率を示すため、雲底は実際の放射熱放射源として機能する。
• 天頂方向のスカイウインドウ発光率は、リアルタイムでの動的スカイ状態の特徴付けに信頼性の高い指標である。
• 熱絶縁は、導熱および対流熱移動を低減することで、冷却性能を顕著に向上させる。
• システム設計が動的スカイ状態と熱損失を考慮すれば、極端な熱帯天候下でも放射冷却が実用可能である。
• 本研究は、放射冷却が赤道付近の熱帯気候でも実現可能であることを示し、従来のその限界に関する仮定を覆した。