[论文解读] Daytime radiative cooling under extreme weather conditions

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

Thermal Radiation and Cooling TechnologiesEngineering被引用 3

一句话总结

本研究在新加坡的极端热带气候条件下，通过使用高度隔热的系统，展示了白天的辐射冷却效果，即使在高湿度、多云且天气快速变化的情况下，也能利用动态天空发射率和云底作为辐射热汇，实现高达8 °C的低于环境温度的冷却效果。

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.

研究动机与目标

• 评估在高湿度、持续云层覆盖和天气快速变化的赤道热带气候中，辐射冷却的可行性。
• 研究在极端气象条件下，热绝缘对辐射冷却性能的影响。
• 开发一种利用天顶方向天空窗口发射率来表征动态天空条件的新方法。
• 评估云底作为有效热汇的辐射冷却潜力，尽管其发射率并非理想。
• 量化在真实热带天气变化条件下，辐射冷却系统的冷却性能。

提出的方法

• 测量天顶方向的天空窗口发射率，以表征不同云量和湿度条件下的动态天空状况。
• 采用高度热绝缘的辐射冷却系统，以最大限度减少传导和对流热损失。
• 分析新加坡的实地测量数据，将天空发射率与环境温度及表面温度相关联。
• 通过估算其有效发射率和与冷却表面的热耦合，将云底建模为辐射热汇。
• 应用辐射传输模型，估算在不同天空条件（包括破碎云和层积云）下的冷却潜力。
• 将结果与冷却表面与环境空气之间的实测温差进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高湿度和持续云层覆盖的热带气候中，辐射冷却能否实现低于环境温度的降温？
• RQ2 在极端天气条件下，热绝缘如何影响辐射冷却系统的性能？
• RQ3 在白天冷却过程中，云底在多大程度上可作为有效的辐射热汇？
• RQ4 在天气快速变化的热带气候中，天空窗口发射率如何动态变化，以及其对冷却潜力有何影响？
• RQ5 在真实热带条件下，可实现的最大冷却温差是多少？

主要发现

• 尽管湿度高且云层覆盖，新加坡白天仍实现了高达8 °C的低于环境温度的冷却效果。
• 尽管云底并非理想的黑体，但由于其有效发射率较高，仍可作为有效的辐射热汇。
• 天顶方向的天空窗口发射率是实时表征动态天空状况的可靠指标。
• 热绝缘通过减少传导和对流热传递，显著提升了冷却性能。
• 当系统设计充分考虑动态天空和热损失时，辐射冷却在极端热带天气下依然可行。
• 本研究证明，辐射冷却在赤道热带气候中是可行的，挑战了以往认为其存在局限性的假设。