Ingenieurs hebben een nieuw systeem ontworpen dat gebouwen in drukke stedelijke gebieden kan helpen koelen zonder elektriciteit te verbruiken. een belangrijke innovatie in een tijd waarin steden werken aan aanpassing aan klimaatverandering.

Het systeem bestaat uit een speciaal materiaal - een goedkope polymeer/aluminiumfilm - dat is geïnstalleerd in een doos op de bodem van een speciaal ontworpen "onderdak" op zonne-energie. De film helpt de omgeving koel te houden door warmte uit de lucht in de doos te absorberen en die energie door de atmosfeer van de aarde naar de ruimte over te brengen. De opvang heeft een tweeledig doel, helpen om inkomend zonlicht te blokkeren, terwijl ook de warmtestraling die door de film wordt uitgezonden, de lucht in wordt gestraald.

"Het polymeer blijft koel omdat het warmte afvoert door thermische straling, en kan dan de omgeving afkoelen, " zegt co-eerste auteur Lyu Zhou, een doctoraat kandidaat in elektrotechniek aan de universiteit van Buffalo School of Engineering and Applied Sciences. "Dit wordt stralings- of passieve koeling genoemd, en het is erg interessant omdat het geen elektriciteit verbruikt - het heeft geen batterij of andere elektriciteitsbron nodig om koeling te realiseren."

"Een van de innovaties van ons systeem is de mogelijkheid om doelbewust thermische emissies naar de lucht te sturen, " zegt hoofdonderzoeker Qiaoqiang Gan, doctoraat, UB universitair hoofddocent elektrotechniek. "Normaal gesproken, thermische emissies reizen in alle richtingen. We hebben een manier gevonden om de emissies in een nauwe richting te stralen. Hierdoor kan het systeem effectiever zijn in stedelijke omgevingen, waar aan alle kanten hoge gebouwen staan. We gebruiken goedkope, in de handel verkrijgbare materialen, en merk dat ze het erg goed doen."

Bij elkaar genomen, het shelter-and-box-systeem dat de ingenieurs hebben ontworpen, meet ongeveer 18 inch lang (45,72 centimeter), 10 inch breed en 10 inch lang (25,4 centimeter). Om een ​​gebouw te koelen, talrijke eenheden van het systeem zouden moeten worden geïnstalleerd om een ​​dak te bedekken.

Het onderzoek wordt op 5 augustus gepubliceerd in Natuur Duurzaamheid . De studie was een internationale samenwerking tussen Gan's groep aan de UB, Boon Ooi's groep aan de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saoedi-Arabië, en Zongfu Yu's groep aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. Samen met Zhou, co-eerste auteurs zijn Haomin Song, doctoraat, UB universitair docent onderzoek in de elektrotechniek, en Jianwei Liang bij KAUST. De studie werd gedeeltelijk gefinancierd door de National Science Foundation.

Een systeem dat overdag en in drukke omgevingen werkt

Het nieuwe passieve koelsysteem pakt een belangrijk probleem in het veld aan:hoe stralingskoeling overdag en in drukke stedelijke gebieden kan werken.

"Tijdens de nacht, stralingskoeling is gemakkelijk omdat we geen zonne-input hebben, dus thermische emissies gaan gewoon uit en we realiseren gemakkelijk stralingskoeling, Zegt Song. "Maar overdag koelen is een uitdaging omdat de zon schijnt. In deze situatie, je moet strategieën vinden om te voorkomen dat daken opwarmen. Je moet ook emitterende materialen vinden die geen zonne-energie absorberen. Ons systeem gaat deze uitdagingen aan."

Overdag buiten geplaatst, de warmte-afgevende film en zonneschuilplaats hielpen de temperatuur van een kleine, afgesloten ruimte met een maximum van ongeveer 6 graden Celsius (11 graden Fahrenheit). 's Nachts, dat cijfer steeg tot ongeveer 11 graden Celsius (ongeveer 20 graden Fahrenheit).

Hoe innovatieve architectuur stralingskoeling kan stimuleren

Het nieuwe stralingskoelsysteem bevat een aantal optisch interessante ontwerpkenmerken.

Een van de centrale componenten is de polymeer/metaalfilm, die is gemaakt van een aluminiumplaat bedekt met een helder polymeer genaamd polydimethylsiloxaan. Het aluminium reflecteert zonlicht, terwijl het polymeer de warmte van de omringende lucht absorbeert en afvoert. Ingenieurs plaatsten het materiaal op de bodem van een schuimdoos en plaatsten een zonne-"onderdak" bovenop de doos, met behulp van een zonne-energie-absorberend materiaal om vier naar buiten hellende wanden te bouwen, samen met een omgekeerde vierkante kegel binnen die muren.

Deze architectuur heeft een tweeledig doel:ten eerste, het helpt om zonlicht op te sponzen. Tweede, de vorm van de muren en de kegel leiden de warmte die door de film wordt uitgestraald naar de lucht.

"Als je naar de koplamp van je auto kijkt, het heeft een bepaalde structuur waardoor het het licht in een bepaalde richting kan richten, " zegt Gan. "We volgen dit soort ontwerp. De structuur van ons bundelvormend systeem vergroot onze toegang tot de lucht. De mogelijkheid om de emissies te sturen, verbetert de prestaties van het systeem in drukke gebieden."