[論文レビュー] Radiative Cooling and Thermoregulation in the Earth's Glow

Jyotirmoy Mandal, Sagar Mandal+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2020

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、選択的長波長赤外線（LWIR）放射体を備えた垂直な建物の外壁が、特に夏に、冷たい上層大気により適した放射結合を示すことから、広帯域放射体よりも顕著に高い放射冷却効果を達成することを示している。冬にはこの効果が逆転し、建物の冷却エネルギー需要を年間を通じて低減する能動的熱制御が可能になる。

ABSTRACT

Passive radiative cooling involves a net radiative heat loss into the cold outer space through the atmospheric transmission windows. Due to its passive nature and net cooling effect, it is a promising alternative or complement to electrical cooling. For efficient radiative cooling of objects, an unimpeded view of the sky is ideal. However, the view of the sky is usually limited - for instance, the walls of buildings have >50% of their field of view subtended by the earth. Moreover, objects on earth become sources of heat under sunlight. Therefore, building walls with hot terrestrial objects in view experience reduced cooling or heating, even with materials optimized for heat loss into the sky. We show that by using materials with selective long-wavelength infrared (LWIR) emittances, vertical building facades experience higher cooling than achievable by using broadband thermal emitters like typical building envelopes. Intriguingly, this effect is pronounced in the summer and diminishes or even reverses during the winter, indicating a thermoregulation effect. The findings highlight a major opportunity to harness untapped energy savings in buildings.

研究の動機と目的

• 建物の外壁の放射冷却性能が、地上表面の視認と空の視認のどちらに影響を受けるかを調査すること。
• 広帯域放射体と比較して、選択的長波長赤外線（LWIR）放射率材料が放射冷却効率に与える影響を評価すること。
• 特に夏の冷却から冬の可能性のある加熱への移行を含めた、冷却性能の季節的変動を分析すること。
• 選択的放射体を用いた建物の熱制御によるエネルギー節約の可能性を定量的に評価すること。
• 建物の外壁が、適切に調整された赤外放射率を持つ材料を用いれば、地上の物体に部分的に遮蔽されていても、依然としてネット冷却を達成できることを実証すること。

提案手法

• 8–13 μm範囲の大気透過窓を用いて、建物の外壁と大気との間の放射熱伝達をモデル化すること。
• 大気透過窓内では高い放射率、それ以外では低い放射率を示す選択的LWIR放射体を用い、宇宙への放射熱損失を最大化すること。
• 現実的な建物の幾何形状と日射負荷を考慮した、空と地面の視認率が異なる状況での熱的性能をシミュレーションすること。
• 異なる季節と空の状態において、選択的放射体と広帯域放射体の間で、ネット放射冷却性能を比較すること。
• 大気放射移動モデルを適用して、異なる外壁の向きと材料特性に対する有効な空の温度とネット熱フラックスを計算すること。
• 夏と冬の放射負荷および空の温度の比較を通じて、冷却効果の季節的逆転を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上表面の視認と空の視認のどちらが、建物の外壁の放射冷却性能に影響を与えるか？
• RQ2 空の視認が部分的に遮られている状況下でも、選択的LWIR放射体が広帯域放射体を上回る放射冷却性能を発揮できるか？
• RQ3 垂直な建物表面の放射冷却性能に、どのような季節的変動が見られるか？
• RQ4 どの程度まで、選択的放射体が建物の被動的熱制御を可能にするか？
• RQ5 建物の外壁に選択的放射体を用いることで、どの程度のエネルギー節約が見込めるか？

主な発見

• 地上の物体に50％以上が遮蔽されていても、選択的LWIR放射体を備えた垂直な建物の外壁は、広帯域放射体よりも顕著に高いネット放射冷却を達成する。
• 選択的放射体の冷却優位性は、夏に顕著であり、冷たい上層大気への強い放射熱損失を維持する。
• 冬には、同じ選択的放射体が冷却効果を逆転させ、被動的加熱を提供することができ、熱制御能力を示す。
• 冷却性能の季節的逆転は、大気温度プロファイルと空の温度の変化に起因し、これが放射冷却の強度に影響を与える。
• 本研究は、外部電源を必要とせず、自然の放射プロセスを活用することで、選択的放射体が建物の冷却エネルギー需要を削減できることを示している。
• 研究結果は、調整された赤外放射率を持つ建物の外皮が、季節を通じて室内温度を被動的に制御でき、機械的冷却の持続可能な代替手段となる可能性を示している。