[논문 리뷰] Daytime radiative cooling under extreme weather conditions

Jaesuk Hwang|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 11.

Thermal Radiation and Cooling TechnologiesEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 싱가포르의 극한 열대 기후 조건에서 높은 열적 단열성을 가진 시스템을 사용하여 낮 동안 복사 냉각을 구현한 바, 습도가 높고 흐린 날씨 및 급격히 변화하는 기상 조건에서도 천체 방출율과 고도의 기상 조건을 활용해 최대 8 °C의 저온 냉각을 달성하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 높은 습도, 지속적인 구름 및 급격히 변화하는 기상 조건을 특징으로 하는 열대 기후에서 복사 냉각의 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 극한 기상 조건에서 열적 단열이 복사 냉각 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 수직 방향 천체 창 방출율을 사용하여 동적 천체 조건을 특성화하는 새로운 방법을 개발하기 위해.
• 비이상적인 방출율을 지닌다 하더라도 구름 기저가 효과적인 열 방출원으로 작용할 수 있는지 평가하기 위해.
• 실제 열대 기상 변화 조건에서 복사 냉각 시스템의 냉각 성능을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 변동하는 구름 및 습도 조건에서 천체 창 방출율을 수직 방향으로 측정하여 동적 천체 조건을 특성화하기 위해.
• 열전도 및 대류 열손실을 최소화하기 위해 고도의 열적 단열 복사 냉각 시스템을 사용하기 위해.
• 싱가포르 현장 측정 자료를 분석하여 천체 방출율과 주변 온도 및 표면 온도 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• 구름 기저를 효과적 방출율과 냉각 표면에 대한 열적 결합 정도를 추정하여 복사 열 방출원으로 모델링하기 위해.
• 다양한 천체 조건(예: 부분적으로 흐린 구름 및 흐린 하늘)에서 냉각 잠재력을 추정하기 위해 복사 전달 모델을 적용하기 위해.
• 냉각 표면과 주변 공기 간의 측정된 온도 편차와 비교하여 결과를 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 높은 습도와 지속적인 구름이 있는 열대 기후에서 복사 냉각이 저온 냉각을 달성할 수 있는가?
• RQ2 극한 기상 조건에서 열적 단열이 복사 냉각 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 낮 동안 복사 냉각에 있어 구름 기저가 얼마나 효과적인 복사 열 방출원으로 작용할 수 있는가?
• RQ4 급격히 변화하는 열대 기상 조건에서 천체 창 방출율은 어떻게 동적으로 변화하며, 이는 냉각 잠재력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 열대 기상 조건에서 도달 가능한 최대 냉각 온도 편차는 얼마인가?

주요 결과

• 높은 습도와 구름이 있는 조건에서도 싱가포르에서 낮 동안 최대 8 °C의 저온 냉각이 달성되었다.
• 완벽한 흑체는 아니지만, 높은 효과적 방출율 덕분에 구름 기저는 효과적인 복사 열 방출원으로 작용한다.
• 수직 방향 천체 창 방출율은 실시간으로 동적 천체 조건을 특성화하는 신뢰할 수 있는 지표이다.
• 열적 단열은 열전도 및 대류 열전달을 감소시켜 냉각 성능을 크게 향상시킨다.
• 시스템 설계에서 동적 천체 조건과 열 손실을 고려할 경우, 극한 열대 기상 조건에서도 복사 냉각이 실현 가능하다.
• 본 연구는 복사 냉각이 열대 기후에서 실현 가능하다는 것을 입증하였으며, 이는 이 분야에 대한 이전의 가정을 도전한다.