Strahlungskühlung

13. Mai 2016 von Robert Bean

Praktisch jeder versteht, wie die Erde tagsüber mit Strahlungsenergie beheizt wird, aber nur wenige denken intensiv über die Kühlung nach, sei es nachts oder tagsüber. Zum Teil ist es die Strahlung von Erde zu Himmel, die dazu führt, dass Wasser im Freien gefriert oder Frost bildet, selbst wenn die Lufttemperatur über dem Gefrierpunkt liegt.
Das ist wichtig – stell dir vor, was passieren würde, wenn die Erde nicht in der Lage wäre, die einfallende Tagesenergie mit der notwendigen ausgehenden Energie auszugleichen. Sie würden sicherlich nicht erleben, dass die Toronto Maple Leafs den Pokal gewinnen. Also ja, unser

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Abbildung 1 Temperaturunterschiede und Fluidtemperaturausgaben von Sky-Strahlungskühlung und -heizung.

Überleben zählt auf dieser Energiebilanz.
Das Konzept, Wärmeenergie in den Weltraum zu schicken, wurde seit Jahrhunderten zur Kühlung von Gebäuden genutzt. In der Tat haben alte Zivilisationen diese Technik beherrscht, lange bevor jemand dachte, wir sollten FCKW und Elektrizität aus der Verbrennung zum Kühlen verwenden. i Die Menschen der Antike haben das so verstanden, dass es nicht nötig war, ein Kohle- oder Erdgaskraftwerk anzünden.
Lassen Sie uns einen Schritt zurücktreten und die grundlegenden Grundlagen betrachten. In den 1800er Jahren erzählte ein britisch-deutscher Astronom namens William Herschel der Welt von Infrarotstrahlung. Dann haben ein paar andere Leute wie Josef Stefan und Ludwig Boltzmann herausgefunden, dass der Energieaustausch zwischen zwei Oberflächen eine Konstante hat, die ihren Weg in ein jetzt berühmtes Gesetz gefunden hat, die Stefan-Boltzmann-Gleichung. ii Eine Form dieser Formel kann verwendet werden, um den Netto-Austausch von Strahlungswärme (Q rad , Watts) beispielsweise zwischen dem Dach eines Gebäudes und dem Himmel zu berechnen .

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Abbildung 2 Beziehung zwischen Höhe und Himmelstemperatur (Kredit NASA)

Formel 1
Qrad = εσA(∆T4)

Wobei
ε = Flächenemission des Daches
A    = Dachfläche, m²
σ = Stefan-Boltzmann-Konstante (5.6704 × 10 -8 W / m² ∙ K4)
ΔT = Temperaturdifferenz zwischen Himmel und Dach, K [Kelvin = ( TºC + 273,15)]

Fläche:
Temperatur: C°(Grad Celcius)
Emissivität(0-1) ε(Punkt für Komma)
 

 
Watt oder Qrad: Watt/

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Abbildung 3 Prototypische photonische Strahlungskühlpanels. Foto Skycool Systeme

In Abbildung 1 sind einige typische Werte für den Anwendungsbereich angegeben, aber in der Praxis sollten Sie wissen, dass die Bestimmung der Temperatur von Himmel, Erde und Gebäude ein wenig mehr Nachdenken erfordert (siehe Abbildung 2 ). Für das Design sollten Sie verfügbare Softwaretools verwenden. Im Allgemeinen ist es durch die Verwendung von auf dem Dach montierten Himmelsradiatoren möglich, zwischen 15 W / m² und 150 W / m² von einem Gebäude für trübe bis klare Nächte zu fallen. iii Dies kann mit Wärmetauschern erfolgen, wie in Abbildung 5 (a) und (b) gezeigt.
Das Problem mit dachgetragenen Solarstrahlern ist natürlich ein Tageslichtproblem. Sobald sie Tageslicht sehen, werden sie zu Absorbern, aber diese Herausforderung wurde kürzlich von den Stanford-Forschern Aaswath Raman (et al.) Möglicherweise gelöst. iv Seine Neugründung ist eine von mehreren Gruppen, die sich für die Kommerzialisierung energieeffizienter Tageskühlung unter Verwendung einer erneuerbaren Ressource einsetzen – der Kälte des Weltraums. Magnan manipuliert das Licht im Nanometerbereich und entwickelt eine neue Generation von Dachstrahlern (siehe Abbildung 3 ), die die Flüssigkeit bis auf 5 ° C unterhalb der Tagestemperaturen kühlen kann.

In vielen Teilen der Welt ist dies mehr als ausreichend für die Kühlung, insbesondere bei großflächigen Wärmetauschern. Es ist eine exergetisch effiziente Ehe, die im wahrsten Sinne des Wortes mit hochtemperaturstrahlenden Raumkühlsystemen hergestellt wird. Es ist in der Lage, den Energieverbrauch in einigen Gebäuden um 30 bis 60 Prozent zu reduzieren.

Im November 2015 Pacific Northwest National Laboratory Wissenschaftler (Fernandez et al) veröffentlichten eine Studie an diesem „Photonenstrahler“ auf der Suche im Vergleich zu anderen

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Abbildung 4 Energieeinsparung durch photonische Strahlungskühlung

Systeme. Einige der Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt . vi

 

 

 

 

Abbildung 5 Verwendung von Himmelsstrahlung und Evaporation zur Kühlung von Flüssigkeiten für strahlungsbasierte HVAC-Systeme.

Abbildung 5 Verwendung von Himmelsabstrahlung und Evaporation zur Kühlung von Flüssigkeiten für strahlungsbasierte HVAC-Systeme. Wie in Abbildung 4 gezeigt , reduzierte das photonische Strahlungskühlsystem die HLK-Energie um 29 bis 62 Prozent im Vergleich zum VAV-System und nur um zwei Prozent 14 Prozent bezogen auf den High-End-Nachtstrahler. iv

Diese Technologien können in andere Ansätze für eine kompressorlose Kühlung, wie eine Nachtverdampfung, wie in 5 (c) und (d) gezeigt, einbezogen werden . Das Prinzip der Verdunstungskühlung ist alt, aber immer noch praktisch. Die Ingenieurforscher Yellott und Hay entwickelten ein Verdunstungs-Sonnensystem, das als „Dach-Teich“ (1967) bezeichnet wird, Verdunstungskühlung mit einer Drehung. Systeme, die auf diesen Strategien basieren, werden seither von preisgekrönten Ingenieuren wie Peter Rumsey im Global Ecology Center der Stanford University eingesetzt ( Abbildung 6 ). viiDarüber hinaus eignen sie sich zur Kühlung von PV-Anlagen zur Steigerung der Effizienz. viii, ix

Wenn Sie meinen Gerüchten gefolgt sind, wissen Sie, dass wir die frühe Einführung der Nanotechnologie in den späten 1990er Jahren behandelt haben. Dann haben wir begonnen, mit speziellen Außenluftsystemen eine Strahlungskühlung einzuführen. In letzter Zeit haben wir das zweite Gesetz Prinzipien der Exergie Effizienz gepredigt. Nun, es scheint, dass all diese wichtigen Themen in einer Inkubationsstufe mit nach Hause kommen

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Abbildung 6 Verdunstung / Strahlungskühlung im Global Ecology Center der Stanford University. Foto Paul Sterbentz Carnegie Institution für die Wissenschaft

photonische Strahlungskühlsysteme. Es ist zu wiederholen, dass die in Kraftwerken erzeugten Temperaturen industrieller Qualität sind und wir sie für nicht industrielle Anwendungen an Gebäuden verwenden. Unabhängig vom Wirkungsgrad einer HVAC-Appliance widersprechen selbst die Kühlprodukte höchster Qualität, wenn sie an ein verbrennungsbasiertes Energiesystem angeschlossen werden, den Philosophien der Nachhaltigkeit.
Es wird eine Zeit kommen, in der wir keine Kompressoren für die Kühlung von Menschen und Gebäuden einsetzen werden. Es ist einfach nicht notwendig. Die Wärmesenken, von denen wir Wärme ableiten oder von denen wir Wärme ableiten müssen, sind buchstäblich in unserer Reichweite, und es gibt einige sehr kluge Menschen, die uns zeigen, wie man sehr gut Zugang zu ihnen bekommt. Wenn Sie diese Produkte studieren, denken Sie daran, dass es keinen Mangel an Skeptikern gibt, die Solarthermie und Strahlung als tot erklärt haben, obwohl es tatsächlich keinen besseren Weg gibt, ein strahlendes Problem zu bekämpfen als mit einer strahlenden Lösung.
Solarthermie und Strahlung ist nicht tot, wenn es darum geht, Energie zu entladen; Dies ist nur der Anfang eines Kontinuums. Wenn es um radiative Technologien geht, ist es klug, sich an den berühmten 1974er Text von Randy Bachman in BTOs Not Fragile-Album zu erinnern, „Bbb-baby, du wirst einfach noch nicht nn-nothin gesehen.“

 

Robert Bean, der Präsident von Indoor Climate Consultants Inc., ist ein Registered Engineering Technologe im Hochbau durch den Verband der Wissenschaft und Technik-Profis von Alberta und ein professioneller Lizenznehmer in Maschinenbau durch die Vereinigung von professionellen Ingenieuren, Geologen und Geophysikern von Alberta. Er hat zwei Semester als ASHRAE-Dozent gearbeitet, ist in den ASHRAE-Komitees TC 6.1 (Hydronik), TC 6.5 (Radiant), TC 7.4 (Exergy) und SSPC 55 (Thermal Comfort) tätig und erhält den Lou Flagg Award von ASHRAE.

REFERENZEN
i Es ist nicht Rocket Science # 5: Nachthimmel Radiant Cooling, abgerufen am 19. März 2016 <http://misfitsarchitecture.com/2013/03/01/its-not-rocket-science-5-night-sky-radiant- Kühlung />
ii http://ef.engr.utk.edu/hyperphysics/hbase/thermo/stefan.html
iii Luciuk, M. Nacht Strahlungskühlung, Die Wirkung von Wolken und relativer Luftfeuchtigkeit. Abgerufen am 19. März 2016 <http://www.asterism.org/tutorials/tut37%20Radiative%20Cooling.pdf>
iv Raman, AP, Anoma, MA, Zhu, L., Rephaeli, E., Fan, S. ( 2014). Passive Strahlungskühlung unter Umgebungstemperatur bei direkter Sonneneinstrahlung. Nature (London) 415: 540-545.
v https://www.technologyreview.com/s/600964/the-sky-may-hold-the-secret-to-efficient-air-conditioning/
vi Fernandez, N., Wang, W., Alvine, K., Katipamula. S. 2015. Energieeinsparpotenzial von Strahlungskühlungstechnologien, US-Energieministerium, unter Vertrag DE-AC05-76RL01830, pazifisches Nordwestnationallabor
vii Bendewald, M., Harrison, J., Pradhan, A. 2011. Globales Ökologiezentrum an Stanford University, Fallstudie zum Faktor 10, Rocky Mountain Institute.
viii Parker, D., Sherwin, J., Hermelink, A., „NightCool: Ein nächtliches Strahlungskühlungskonzept“, Proceedings of ACEEE 2008 Sommerstudie über Energieeffizienz in Gebäuden, American Council for a Energy Efficient Economy, Washington, DC, August 2008.
ixKazanci, OB, Skrupskelis, M., Sevela, P., Pavlov, GK, Olesen, BW 2014. Nachhaltiges Heizen, Kühlen und Lüften eines Plusenergiehauses über Photovoltaik / Thermopaneele. Energie und Gebäude, Band 83, November 2014, Seiten 122-129