[论文解读] 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 8

一句话总结

本文表明，具有选择性长波红外（LWIR）发射体的垂直建筑立面在夏季由于与寒冷的高层大气具有有利的辐射耦合，相比宽带发射体可实现显著更高的辐射冷却效果。冬季时该效应反转，从而实现被动热调节，全年减少建筑的制冷能耗需求。

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.

研究动机与目标

• 研究建筑立面的辐射冷却性能如何受地表视野与天空视野的影响。
• 评估选择性长波红外（LWIR）发射率材料相较于宽带发射体对辐射冷却效率的影响。
• 分析冷却性能的季节性变化，特别是夏季冷却与冬季潜在加热之间的转变。
• 量化使用选择性发射体进行建筑热调节的节能潜力。
• 证明即使建筑立面部分被地表物体遮挡，只要采用具有定制红外发射率的材料，仍可实现净冷却效果。

提出的方法

• 利用8–13 μm波段的大气透射窗口，对建筑立面与大气之间的辐射传热进行建模。
• 采用在大气窗口波段内具有高发射率、在窗口外具有低发射率的选择性LWIR发射体，以最大化向太空的辐射散热。
• 通过模拟不同天空和地面视野因子下的热性能，包括实际建筑几何形状和太阳辐射负荷。
• 在不同季节和天空条件下，比较选择性发射体与宽带发射体的净辐射冷却性能。
• 应用大气辐射传输模型，计算不同立面朝向和材料属性下的有效天空温度与净热通量。
• 通过对比夏季与冬季的辐射负荷和天空温度，分析冷却效应的季节性反转。

实验结果

研究问题

• RQ1 地表视野与天空视野的差异如何影响建筑立面的辐射冷却性能？
• RQ2 在部分天空视野受阻的条件下，选择性LWIR发射体是否仍能优于宽带发射体实现辐射冷却？
• RQ3 垂直建筑表面的辐射冷却性能在季节间如何变化？
• RQ4 选择性发射体在多大程度上可实现建筑的被动热调节？
• RQ5 在建筑立面上使用选择性发射体的净节能潜力有多大？

主要发现

• 即使超过50%的视野被地表物体遮挡，具有选择性LWIR发射体的垂直建筑立面仍能实现显著高于宽带发射体的净辐射冷却效果。
• 选择性发射体的冷却优势在夏季最为显著，此时其能持续向寒冷的高层大气实现强辐射散热。
• 在冬季，相同的发射体可反转冷却效应，提供被动加热，展现出热调节能力。
• 冷却性能的季节性反转由大气温度廓线和天空温度的变化驱动，这些因素影响了辐射散热强度。
• 本研究表明，通过利用自然辐射过程而无需外部能源，选择性发射体可显著降低建筑的制冷能耗需求。
• 研究结果表明，具有定制红外发射率的建筑围护结构可实现跨季节的被动室内温度调节，为机械制冷提供一种可持续的替代方案。