출처: https://spectrum.ieee.org/energywise/green-tech/solar/efficient-airconditioning-by-beaming-heat-into-space

스탠포드 연구진이 개발한 방사냉각시스템 사진

Air-conditioners work hard in hot weather, hogging energy. With a warming climate and more people across the world cranking up ACs, more efficient cooling systems are going to become critical to reduce energy use and greenhouse gas emissions. 

 Stanford researchers have developed a cooling system that could cut the energy used by conventional building air-conditioning systems by over 20 percent in the middle of summer.

날씨가 더워지면 에어컨 사용으로 에너지 소비가 늘어난다. 기후 온난화와 에어컨 보유인구 증가로 효율적인 냉각시스템의 구축이 에너지 소비의 감소 및 온실가스 배출 절감의 핵심적인 요소가 되고 있다.

최근 스탠포드 대학교의 연구진이 한여름에 기존 냉방시스템이 사용하는 전력보다 20%를 더 적게 사용하는 냉각시스템을 개발했다.

 The Stanford team’s passive cooling system chills water by a few degrees with the help of radiative panels that absorb heat and beam it directly into outerspace. This requires minimal electricity and no water evaporation, saving both energy and water. The researchers want to use these fluid-cooling panels to cool off AC condensers.

스탠포드 연구진의 피동냉각시스템은 열을 흡수하여 외우주로 직접 방출하는 방사성 패널을 사용하여 물을 몇 도만큼 냉각시킬 수 있다. 해당 냉각시스템은 아주 적은 전력을 사용하며 물의 증발이 일어나지 않아 전기와 물을 절약할 수 있다. 연구진은 상기한 방사성 패널을 에어컨 컨덴서 냉각에 사용할 계획이다.

 They first reported their passive radiative cooling idea in 2014. In the new work reported in Nature Energy, they’ve taken the next step with a practical system that chills water. They’ve also established a startup, SkyCool Systems, to commercialize the technology.

Radiative cooling relies on the fact that most objects release heat. “The sun heats up objects during the day, and at night the Earth’s surface or building roofs all radiate that back to the sky,” says Aaswath Raman, an applied physicist at Stanford. Problem is, radiative cooling doesn’t work during the day while the sun’s beating down on the Earth, or when the ambient air temperature is very high.

피동냉각시스템에 대한 첫 논문은 2014년에 발표되었다. 네이처 에너지에 게재된 최근 발표 논문에서 연구진은 물을 냉각할 수 있는 실용적 냉각시스템으로 한 발짝 더 나아갔다. 또한 연구진은 스카이쿨 시스템즈라는 회사를 설립하여 해당 기술을 상용화할 예정이다. 방사냉각기술은 대다수의 물체가 열을 방사한다는 아이디어에 기반하고 있다. "낮에는 태양이 물체를 가열하지만 밤에는 지표면 또는 건물 지붕이 하늘로 열을 방사합니다"라고 스탠포드 응용물리학자 아스워스 라만이 말했다. 하지만 낮 동안 태양이 뜨겁게 지구를 비추고 있다는 점과 주변 공기온도가 매우 높다는 점이 방사냉각기술 상용화의 걸림돌이 되고 있다. 

So Raman and electrical engineering professor Shanhui Fan made panels containing layers of silicon dioxide and hafnium oxide on top of a thin layer of silver. These radiate in a unique way: They send heat directly into space, bypassing the Earth’s atmosphere. The panels do this by emitting heat at infrared wavelengths between 8 and 13 micrometers. To these waves, the Earth’s atmosphere is transparent. What’s more, the panels reflect nearly all the sunlight falling on them.

해당 문제를 해결하기 위해 아스워스 라만과 전기공학 교수 샨후이 판은 은박막 위에 이산화실리콘과 하프늄산화물 층을 입힌 패널을 제작하였다. 이 패널이 방사하는 열은 지구의 대기에 머무르지 않고 곧바로 우주공간으로 방출된다. 이것이 가능한 이유는 방사패널에서 방출되는 열이 8 ~ 13 마이크로미터의 적외선 주파수를 가지기 때문이다. 해당 주파수를 가지는 파장에게는 지구 대기권이 투명하다. 여기에 더하여 방사패널은 자신에게 비춰지는 햇빛의 거의 전부를 반사시킨다.

기존의 반사냉각시스템(왼쪽)과 방사냉각시스템(오른쪽)의 작동원리 개념도

For the new fluid-cooling system, the researchers made radiative panels that were each one-third of a square meter in area; they attached the panels to an aluminum heat exchanger plate with copper pipes embedded in it. The setup was enclosed in an acrylic box covered with a plastic sheet.

새로운 액체냉각 시스템 개발을 위해 연구진은 3분의 1 평방미터 면적의 방사패널 여러 개를 제작했다. 그 다음에 연구진은 알루미늄으로 만든 판형 열교환기(구리관을 내장하고 있다)를 방사패널에 부착하였다. 해당 장치는 플라스틱 박막으로 덮힌 아크릴박스 안에 들어있다.

The team tested it on a rootop on the Stanford campus. Over three days of testing, they found that water temperatures went down by between 3- and 5 °C. The only electricity it requires is what’s needed to pump water through the copper pipes. Water that flowed more slowly was cooled more.

연구진은 해당 장치를 스탠포드 캠퍼스 옥상에서 실험하였다. 3일간의 실험에서 연구진은 물의 온도가 섭씨 3도에서 5도 내려갔음을 발견했다. 해당 장치가 소요하는 전력은 구리관 내 물 순환용 펌프가 소요하는 전력이 전부였다. 물이 더 느리게 흐를수록 냉각이 더 되었다.

As a practical application for the system, the researchers built a model in which the radiative water-cooling panels cool the condenser coils of a building’s air-conditioning system, providing an assist to the system’s cooling fans. The circulating fluid helps siphon more heat from the condenser, increasing efficiency. Water that’s cooled by only a few degrees can make a big difference: In general, the electricity needed for a cooling system is reduced by 3 to 5 percent for every degree Celcius the condenser temperature drops.

해당 시스템을 실질적으로 사용할 수 있는 방안으로 연구진은 수냉각 방사패널이 냉각팬을 보조하여 건물 공조시스템의 컨덴서 코일을 냉각시키는 모델을 개발했다. 물의 온도를 몇 도만 낮출 수 있어도 이는 큰 차이를 가져온다. 일반적으로 컨덴서의 온도가 섭씨 1도 떨어지면 냉각시스템이 소요하는 전력이 3~5% 감소한다.

The model showed that cooling a two-story commercial office building in Las Vegas with fluid-cooling panels—which covered 60 percent of the roof—cut the building’s electricity use by 21 percent compared with using only a traditional fan-based condenser during the hot summer months of May through August.

해당 모델에 따르면, 라스베가스에 있는 2층짜리 사무건물 지붕면적의 60%를 유체냉각 방사패널로 덮을 경우, 기존의 팬 기반 컨덴서만 사용할 때보다 5 ~ 8월 더운 여름기간 동안 건물이 사용하는 전력은 21% 줄일 수 있다. 

New radiant cooling systems, which use chilled water running through aluminum panels or pipes, are getting more common in Europe and China and in high-efficiency buildings in the U.S., says Raman. “If we could couple our system with such radiant cooling systems, we could get 70 percent efficiency savings.”

이번에 개발된 방사냉각시스템은 알루미늄 패널 또는 관을 통해 흐르는 냉각수를 사용하며 유럽과 중국, 미국의 에너지절약 건물들을 대상으로 널리 보급될 것이라고 아스워스 라만이 말했다. "만일 기존의 냉각시스템을 방사냉각시스템과 연동시킬 수 있다면 에너지 효율을 70% 증가시킬 수 있을 것입니다".