Radiative cooling by spectrally selective materials for buildings

Abstract

Binalar, Türkiye'nin de içinde bulunduğu Akdeniz iklim bölgesinde yer alan şehirlerde tüketilen toplam enerjinin üçte birinden fazlasından sorumludur. Özellikle yaz aylarında, binalar tarafından soğurulan güneş enerjisi, gerekli soğutma yükünü önemli ölçüde artırmaktadır. Akdeniz ülkelerinde ve daha sıcak iklim kuşaklarında, iklimlendirme uygulamaları her geçen yıl daha da yaygınlaşmakta ve enerji kullanımı üzerindeki olumsuz etkileri önemli ölçüde artmaktadır. Bu soruna olası bir çözüm, bina yüzeylerinin ve çatılarının ışınımla soğutulmasıdır. Bu durum, ışınım enerjisinin emilmesi, yayılması veya yansıtılması için yüzeylerin ışınım özelliklerinin artırılıp veya azaltılarak doğal yeteneklerinin uygun hale getirilmesini gerekmektedir. Güneş enerjisinin yüksek miktarda yansıtılmasıyla elde edilebilecek en yüksek yayılımın yapılması güneşe maruz kalan yüzeylerin soğuk tutulması için uygundur. Dünya atmosferinin 8-13 µm dalga boyu arasında nispeten şeffaf olduğunu göz önünde bulundurursak, bu dalga boylarında salım yapan binaların elektromanyetik dalgalar için bir `saydam pencere` oluşturduğunu söyleyebiliriz. Bu pencere, yer küre tarafından yayılan radyasyonun, atmosfer içerisinde hiçbir emilim olmaksızın uzaya kaçmasını mümkün kılmaktadır. Bu tayfsal enerji kaybı ile yerküre tarafından emilen radyasyonun karşılaştırılması, atmosferik ışınım ile soğutmanın nedenini oluşturur. Eğer bina yüzeyleri çoğunlukla bu pencerede salım yapması sağlanırsa, binalar da etkin bir şekilde soğutulabilir. Bu çalışmanın amacı olan gün ışığına bağlı soğutma için, nesnelerin güçlü bir güneş yansıtıcı malzeme ile kaplanması veya boyanması düşünülebilir, fakat bu durumda arzu edilmeyen biçimde nesnenin rengi değişebilmektedir. Kısa dalga boylarına denk gelen tayf aralığında soğurganlığı yüksek fakat en yüksek yüzey salımının oluşacağı uzun dalga boylarının tayf aralığında soğurganlığı az olacak bir yüzey elde edebilirsek, neredeyse bir kara cisim gibi soğurganlığa sahip olmakla birlikte az miktarda enerji salınımı yapmak mümkün olabilir. Bu tür yüzeylere `tayf seçilimli` yüzey adı verilir. Tayf seçilimli yüzeyler, yüksek sıcaklıktaki bir kaynaktan gelen radyasyona maruz kalan yüzeylerin soğutulmasını gerektiren durumlar için de faydalı olabilir. Bu tür durumlar, bina çatıları gibi güneşe maruz kalan nesneler için de geçerlidir. Binalarda ve çatılarda ışınım ile soğumayı mümkün kılacak sürdürülebilir ve ekonomik açıdan uygun malzemeler ilk defa bu çalışma kapsamında geliştirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, çoğunluğu sürdürülebilir olan çok sayıda malzeme seçilmiş ve morfolojik ve optik özellikleri optik mikroskop, UV-görünür spektroskopi ve FTIR kullanılarak elde edilmiştir. Bir sonraki aşamada sürdürülebilir altı malzeme seçilmiştir. Bu numunelerin ışınımla soğutma potansiyellerini değerlendirmek için, soğutma güçleri hesaplanmış ve sonuçlar seçilimli ve geniş aralıklı salım yapan malzemeler ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra, yaz ve kış dönemleri için soğutma gücü, gündüz ve gece durumları için de hesaplanmış ve birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Malzemelerin büyük çoğunluğu için ısı transferi sadece yüzeyde gerçekleşen bir olgu olmayıp, hacimsel analizi de gerektirmektedir. Bu yüzden, seçilen altı numune içim eşlenik ışınım ve iletimle ısı transferi analizleri yapılmıştır. Sonuçlar, en iyi özellikleri sergileyen malzemelerin seçilmesi ve bina yüzeyindeki farklı uygulamaları için değerlendirilmiştir. Aynı zamanda, tek katmanlı (beton çatı) ve üç katmanlı (toprak ve yosun ile kaplı beton) uygulamalar için de eşlenik ışınım ve iletimle ısı transferi analizleri gerçekleştirilmiş ve son bulgular birbiri ile karşılaştırılmıştır.Zirve güneş enerjisi ile ilgili kısa dalga boylarının spektral bölgesinde büyük bir emiciliğe sahip bir yüzey üreterek, ancak pik yüzey emisyonunun meydana geleceği daha uzun dalga boylarının spektral bölgesinde küçükken, bir kara cisim olarak neredeyse absorbe etmek mümkün olabilir. Bu tür yüzeylere `Spectrally selective 'denen çok az enerji yayarlar. Spektral seçici yüzeyler, herhangi bir yüksek sıcaklık kaynağından gelen radyasyona maruz kalan bir nesneyi soğutmak gerektiğinde de yararlı olabilir. Bu durumlar, bir binanın çatısı gibi güneşe maruz kalan nesnelerdir. Bu çalışmada, ilk kez binalarda radyasyon soğutması için sürdürülebilir ve ekonomik olarak uygulanabilir malzemeler ve çatılar geliştirilmiştir. İlk aşamada büyük bir malzeme grubu çoğunlukla sürdürülebilir malzemeler seçilmiş ve bunların morfolojisi ve optik özellikleri (optik mikroskop, UV-Görünür ve FTIR) elde edilmiştir. Bir sonraki aşama için altı sürdürülebilir malzeme seçildi. Örneklerin ışıma potansiyelini değerlendirmek için soğutma gücü hesaplanmış ve sonuçlar seçici ve geniş bantlı yayıcılar ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, yaz ve kış dönemi için soğutmanın gücü, gündüz ve gece saatlerinde de hesaplanmış ve birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Çoğu malzemeden ısı transferi sadece yüzeysel bir fenomen değil, aynı zamanda volumetrik bir analize de ihtiyaç duyar. Bu nedenle, seçilen altı numunenin tümü için bir birleştirilmiş radyasyon ve iletim ısı transferi analizi çözüldü. Bina yüzeyleri üzerinde farklı uygulamalar için en iyi malzemelerin seçimi için sonuçlar tartışılmıştır. Bu esnada, iki katmanlı bir katman (beton çatı) ve üç katman (toprakla birlikte beton ve yosun) üzerinde eşleşmiş iletim ve radyasyon çözülmüş ve sonuçta sonuçlar birbiriyle karşılaştırılmıştır.

Buildings utilize more than one-third of the total energy consumed in counties within the Mediterranean climate zones like in Turkey. Particularly during the summer months, the absorption of solar energy by the buildings increases the required cooling load profoundly. In warmer zones, and in Mediterranean countries, air conditioning applications are becoming more common with every passing year, with their sizable negative impact on energy use. A possible solution to this problem is the radiative cooling of the building surfaces and roofs. This requires tailoring of the radiative properties of surfaces to decrease or increase their natural ability to absorb, emit, or reflect radiant energy. It is favorable to have the utmost emission from the surface with the highest reflection of solar energy and that is for situations where a surface is to be kept cool while exposed to the sun. Note that the Earth's atmosphere is relatively transparent between the wavelength of 8-13 µm; therefore, buildings emitting this is called as `transparency window` for electromagnetic waves. This window allows the radiation emitted by the earth to escape to space with no absorption within the atmosphere. This spectral energy loss, versus the radiation absorbed by the Earth is the reason for the atmospheric radiation cooling. If a building surface emits mostly in this window, than the building can be cooled effectively as well. For daytime radiative cooling which was the goal of this study, coating or painting an object with a strong solar reflector can be considered but significantly mutate its color, which may not be desired. By manufacturing a surface that had an absorptivity large in the spectral region of short wavelengths about the peak solar energy, but small in the spectral region of longer wavelengths where the peak surface emission would occur, it might be possible to absorb almost as a blackbody while emitting very little energy that such surfaces are called `Spectrally selective`. Spectrally selective surfaces can also be useful where it is required to cool an object exposed to incident radiation from any high-temperature source. These situations are objects subjected to the sun, such as the roof of a building. In this study, for the first time sustainable and economically viable materials for radiative cooling in the buildings and the roofs were developed. In the first stage a large group of materials mostly sustainable materials were selected and the morphology and optical properties of them (by optical microscope, UV-Visible, and FTIR) were obtained. For the next stage six sustainable materials were chosen. To evaluate the radiative cooling potential of the samples, the power of cooling was calculated and the results were compared with the selective and broadband emitters. Furthermore, the power of the cooling for the summer and winter time, in daytime and night time cases were also calculated and compared with each other. Heat transfer through most materials is not just a surface phenomenon, but it also needs a volumetric analysis. Therefore, a coupled radiation and conduction heat transfer analysis was solved for all six selected samples. Results are discussed for the selection of the best materials, for different applications on building surfaces. Meanwhile, coupled conduction and radiation was solved for two cases of one layer (concrete roof) and three layers (concrete with soil and the moss on the surface of it) and at last the results were compared with each other.