[논문 리뷰] Radiative Cooling and Thermoregulation in the Earth's Glow

Jyotirmoy Mandal, Sagar Mandal외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 21.

Thermal Radiation and Cooling Technologies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 수직 건물 외벽에 선택적 장파장적외선(LWIR) 방출체를 적용할 경우, 특히 여름에 냉각된 상부 대기와 유리한 복사 결합을 이루기 때문에 광역 방출체보다 훨씬 높은 복사 냉각 성능을 달성함을 보여준다. 반면 겨울에는 이 효과가 반전되어 수동 온도 조절이 가능해져 연중 내내 냉방 에너지 수요를 줄일 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 건물 외벽의 복사 냉각 성능이 지표면 시야와 하늘 시야 중 어느 쪽에 의해 영향을 받는지 조사하기.
• 광역 방출체와 비교하여 선택적 장파장적외선(LWIR) 방출 특성을 가진 재료가 복사 냉각 효율성에 미치는 영향 평가하기.
• 특히 여름의 냉각에서 겨울의 잠재적 난방으로의 전환을 포함한 냉각 성능의 계절적 변동 분석하기.
• 선택적 방출체를 사용한 건물 온도 조절의 에너지 절감 잠재력 정량화하기.
• 건물 외벽이 일부 지표면 물체에 의해 차단되어도, 적절하게 조절된 적외선 방출율을 가진 재료를 사용할 경우 네트워크 냉각을 달성할 수 있음을 입증하기.

제안 방법

• 8–13 μm 범위의 대기 투과 창문을 이용해 건물 외벽과 대기 사이의 복사 열전달 모델링하기.
• 대기 창문 범위 내에서는 고방출율, 외부에서는 저방출율을 가지는 선택적 LWIR 방출체를 사용하여 우주로의 복사 열손실 최대화하기.
• 실제 건물 기하학과 일조 부하를 고려한 다양한 하늘 및 지표면 시야 요소 조건에서 열 성능 시뮬레이션하기.
• 다양한 계절과 하늘 조건에서 선택적 방출체와 광역 방출체의 순 복사 냉각 성능 비교하기.
• 다양한 외벽 방향과 재료 특성에 대해 대기 복사 열전달 모델을 적용하여 효과적 하늘 온도와 순 열역학 흐름 계산하기.
• 여름과 겨울의 복사 부하 및 하늘 온도를 비교함으로써 냉각 효과의 계절적 반전 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지표면 시야와 하늘 시야 중 어느 쪽이 건물 외벽의 복사 냉각 성능에 영향을 미치는가?
• RQ2 부분적인 하늘 시야 조건에서도 선택적 LWIR 방출체가 광역 방출체보다 복사 냉각에서 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ3 수직 건물 표면의 복사 냉각 성능은 계절에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ4 선택적 방출체가 건물에서 수동 온도 조절을 얼마나 잘 가능하게 하는가?
• RQ5 선택적 방출체를 건물 외벽에 적용할 경우의 순 에너지 절감 잠재력은 어느 정도인가?

주요 결과

• 지표면 물체에 의해 50% 이상의 시야가 차단되어도, 선택적 LWIR 방출체를 갖춘 수직 건물 외벽은 광역 방출체보다 유의미하게 높은 순 복사 냉각 성능을 달성한다.
• 선택적 방출체의 냉각 우월성은 여름에 가장 두드러지며, 냉각된 상부 대기로의 강력한 복사 열손실을 유지한다.
• 겨울에는 동일한 선택적 방출체가 냉각 효과를 뒤집어 수동 난방을 제공할 수 있어, 온도 조절 능력을 보여준다.
• 냉각 성능의 계절적 반전은 대기 온도 프로파일과 하늘 온도의 변화로 인해 발생하며, 이는 복사 열_sink 강도에 영향을 미친다.
• 이 연구는 선택적 방출체를 활용해 외부 전원 없이 천연 복사 과정을 이용함으로써 건물 냉방 에너지 수요를 줄일 수 있음을 보여준다.
• 연구 결과는 적절하게 조절된 적외선 방출율을 가진 건물 외피가 계절에 관계없이 실내 온도를 수동으로 조절할 수 있으며, 기계식 냉방의 지속 가능한 대안이 될 수 있음을 시사한다.