목록

Home

책표지

전기 없는 냉방시스템

오늘날, 전 세계 전력 비용은 전체적으로 연간 약 2조5천억 달러이며, 그중 15퍼센트가 냉방 시스템에 사용되는 것으로 추정된다. 전문가들은 냉방에 쓰이는 전기 수요가 2050년까지 현재보..


이전

목록







Cooling Without Electricity
 
Today, it’s estimated that worldwide electricity costs total roughly $2.5 trillion a year and that cooling systems consume 15% of that electricity. With experts forecasting demand for cooling to grow ten-fold by 2050, that means electricity expenditure for cooling alone could rise to nearly $4 trillion per year. Therefore, improving the efficiency of cooling systems is a critical part of the twenty-first-century energy challenge.


Fortunately, there appears to an extremely clever and cost-effective way of doing just that. Here’s how it works.


All objects give off heat in the form of thermal radiation. But the air around them, mainly because of water molecules, absorbs and radiates back most of that heat. However, a sliver of those emissions in the mid-infrared range, can slip past these compounds, enabling surfaces that emit radiation at those wavelengths to become cooler than the surrounding air. A team of Stanford researchers developed a thin film tuned to radiate infrared heat in exactly this band. Then, in an even bigger advance, they coupled those radiative properties with reflective ones, enabling the materials to throw back nearly all the heat in sunlight. That’s crucial because without this reflective capability, the sun would more than offset the radiative cooling effect during the daytime.


Recently, the team demonstrated that retrofitting radiative panels to an office building could cut its cooling electricity needs by 21 percent in summer. Extrapolated to the expected global electricity demand for cooling in 2050, that amounts to roughly $800 billion a year.


To commercialize this technology, team members Shanhui Fan, Aaswath Raman and Eli Goldstein, founded a company called SkyCool Systems.


The underlying scientific phenomenon called “radiative sky cooling” is a natural process that everyone and everything does, when their molecules release heat. You can witness it for yourself in the heat that comes off a road as it cools after sunset. This phenomenon is particularly noticeable on a cloudless night because, without clouds, the heat we and everything around us radiates can more easily make it through Earth’s atmosphere, all the way to the vast, cold reaches of space.


If you have something that is very cold, like outer space, and you can dissipate heat into it, then you can do cooling without any electricity or work. The heat just flows! For this reason, the amount of heat continuously flowing off the Earth into the universe is enormous.


But on a hot, sunny day, radiative sky cooling doesn’t work that well for the human body or for most other objects. This is because sunlight will warm them more than radiative sky cooling will cool them. To overcome this problem, the SkyCool team created a surface using a multilayer optical film that reflects about 97 percent of the sunlight while simultaneously being able to emit the surface’s thermal energy through the atmosphere.


Without absorbing heat from the sunlight, the radiative sky cooling effect can enable cooling below the air temperature even on a sunny day.


That means we’re no longer limited by what the air temperature is, we’re limited by something much colder: the temperature of outer space.


The first experiments published in 2014 were performed using small wafers of a multilayer optical surface, about 8 inches in diameter, and only showed how the surface itself cooled. Naturally, the next step was to scale up the technology and see how it works as part of a larger cooling system.
 
In their late 2017 paper in Nature Energy, the researchers described a system where panels covered in the specialized optical surfaces sat atop pipes of running water and tested it on the roof of the Packard Building at Stanford    They also applied data from this experiment to a simulation where their panels covered the roof of a two-story commercial office building in Las Vegas ? a hot, dry location where their panels would work best. They calculated how much electricity they could save if, in place of a conventional air-cooled chiller, they used a vapor-compression system with a condenser cooled by their panels. They found that, in the summer months, the panel-cooled system would save 14.3 megawatt-hours of electricity, a 21 percent reduction in the electricity used to cool the building. Over the entire period, the daily electricity savings fluctuated from 18 percent to 50 percent.


Right now, SkyCool Systems is measuring the energy saved when panels are integrated with traditional air conditioning and refrigeration systems at a test facility, and Fan, Goldstein and Raman are optimistic that this technology will find broad applicability in the years to come.


But, according to Nick Fernandez, an energy analyst at the Pacific Northwest National Laboratory, far larger energy savings may be possible for developers who opt to incorporate radiative cooling systems directly into new buildings during the design phase. According to a simulation analysis published in 2015, on which Fernandez was the lead author, if the system were coupled with a hydronic radiant cooling system, a rare but highly-efficient way of cooling buildings that works by circulating water instead of blowing air, the energy savings for heating, cooling, and ventilation could reach nearly 70 percent in ideal climate conditions.


Translated into dollars and cents, that could mean global electricity savings in 2050 totaling around $2.5 trillion a year.


Given this trend, we offer the following forecasts for your consideration.


First, the adoption rate for radiative cooling systems will vary greatly depending on climate and type of construction.


The Pacific Northwest Lab study estimated that if a retrofit rooftop radiator of the type SkyCool is developing could be produced and installed for less than 58 cents per square foot, the energy savings would cover those costs in about five years based on typical savings. Buildings with a large roof area in hot, dry climates are ideal. The southwest United States and the Middle East are obvious targets. The Pacific Northwest and the UK are less appealing near-term targets.
 
Second, SkyCool will not be the only firm developing products designed to address the enormous opportunity in radiative sky cooling systems.


In February 2018, a team of engineers at the University of Colorado, Boulder, published a paper in Science describing a glass-polymer hybrid material that achieved “noon-time radiative cooling power of 93 watts per square meter under direct sunshine.”  According to a university publication, the CU Boulder researchers stressed that they’ve already figured out how to affordably manufacture rolls of the film-like material, “making it a potentially viable large-scale technology for both residential and commercial applications.” Like the Stanford team, the Boulder researchers raised money from ARPA-E, applied for a patent, and formed a company, which is called Radi-Cool.  According to Ronggui Yang, a professor of mechanical engineering, who is a coauthor of the paper and acting CEO of the startup, the CU Boulder scientists are now in talks with potential investors and manufacturers. And,
Third, with trillions in potential savings, this is precisely the kind of “green technology” that will capture the imagination of policy-makers, consumers and investors.


Unlike many so-called, “environmentally-friendly solutions,” radiative sky cooling technology reduces costs, conserves finite resources, cleans up the environment and improves the lives of consumers. It’s the kind of win-win innovation that benefits everyone.


References
1. Eli A. Goldstein, Aaswath P. Raman, and Shanhui Fan. Nature Energy, 2017. Sub-ambi- ent Non-evaporative Fluid Cooling With the Sky. https://www.nature.com/articles/nener-gy2017143


2. James Temple. MIT Technology Review, November 28, 2017. How High-tech Mirrors Can Send Heat Into Space. https://www.technologyreview.com/s/609321/how-high-tech-mirrors-can-send-heat-into-space/


3. James Temple. MIT Technology Review, September 12, 2017. A Material That Throws Heat Into Space Could Soon Reinvent Air Conditioning. https://www.technologyreview.com/s/608840/a-material-that-throws-heat-into-space-could-soon-reinvent-air-conditioning/


4. N. Fernandez, W. Wang, K. Alvine and S. Katipamula. Pacific Northwest National Labora- tory Resport, November 2015. PNNL-24904: Energy Savings Potential of Radiative Cooling Technologies. https://www.pnnl.gov/main/publications/external/technical_reports/PNNL-24904.pdf


5. Chris Cesare. Stanford Report, November 26, 2014. Stanford Engineers Invent High- tech Mirror to Beam Heat Away From Buildings Into Space. https://news.stanford.edu/ news/2014/november/radiative-cooling-mirror-112614.html


6. Trent Knoss. CU Boulder Today, February 9, 2017. Newly Engineered Material Can Cool Roofs, Structures With Zero Energy Consumption. https://www.colorado.edu/today/2017/02/09/newly-engineered-material-can-cool-roofs-structures-zero-energy-con-sumption


7. Yao Zhai, Yaoguang Ma, Sabrina N. David, Dongliang Zhao, Runnan Lou, Gang Tan, Rong- gui Yang, and Xiaobo Yin. Science, March 10, 2017. Scalable-manufactured Randomized Glass-polymer Hybrid Metamaterial For Daytime Radiative Cooling. ?http://science.science-mag.org/content/355/6329/1062.full?













오늘날, 전 세계 전력 비용은 전체적으로 연간 약 2조5천억 달러이며, 그중 15퍼센트가 냉방 시스템에 사용되는 것으로 추정된다. 전문가들은 냉방에 쓰이는 전기 수요가 2050년까지 현재보다 약 10배까지 급등할 것으로 예측하고 있다. 냉방 그 자체만으로도 전력 소비가 연간 4조 달러에 이를 것이란 의미이다. 다행히, 새로운 혁명적 기술이 그 비용을 20퍼센트에서 최대 40퍼센트까지 낮춰줄 것으로 보인다. 어떤 기술들일까? 이 기술이 경제와 기업, 소비자에게 미칠 영향은 무엇일까?


연간 2조5천억 달러의 전 세계 전력 비용, 그중 15퍼센트는 냉방 시스템에 소요된다. 매년 냉장 시스템에 대한 전력 수요는 다른 산업분야보다 더 급속히 늘어나고 있으며, 2050년이 되면 현재 수요의 약 10배에 이를 것으로 예견된다. 물론 그 기간에도 냉장 시스템의 전력 수요는 계속 점진적으로 늘어날 것이다. 이러한 상황에서, 냉방 시스템의 효율성을 개선하는 것은 21세기 에너지 문제의 중요한 부분이 되었다.


다행히도, 매우 영리하고 비용 효율적인 방법이 등장하고 있다. 이것은 다음과 같이 작동한다.


모든 물체는 열 방사 형태로 열을 발산한다. 그러나 주로 물 분자로 인해 그들 주변의 공기가 열의 대부분을 흡수하고 다시 방출한다. 그러나 중(mid) 적외선 영역에서는 그러한 방출 물질의 입자가 대기를 통과할 수 있고, 이로 인해 이러한 파장의 적외선을 방출하는 표면은  주변 공기보다 더 차가워질 수 있다. 스탠포드 대학 연구팀은 적외선 열을 방출하도록 조정된 박막을 개발했다. 이후 이 연구팀은 이것을 반사 물질과 결합시켰는데, 태양 빛의 거의 모든 열을 되돌려 보낼 수 있는 물질을 만들 수 있었다. 이것은 매우 중요한 데, 반사 능력이 없다면, 태양이 낮 시간 동안 이러한 ‘복사 냉각 효과’를 상쇄해버릴 수 있기 때문이다.


최근 이 연구팀은 사무 용도의 건물에 이러한 복사 패널을 부착하여 여름철에 21퍼센트까지 냉방 전력 수요를 줄일 수 있음을 입증했다. 2050년에 예상되는 전 세계의 냉방 수요를 고려해보면, 연간 약 8천 억 달러에 이르는 성과라 할 수 있다.


이 기술을 상용화하기 위해 판샨후이(Shanhui Fan), 엘리 골드스타인(Eli Goldstein), 애스워스 라만(Aaswath Raman) 스팬포드 교수들은 스카이쿨시스템스(SkyCool Systems)라는 회사를 설립했다.


‘복사 냉각’으로 불리는 이 과학 현상은 분자가 열을 방출 할 때 사람을 포함 이 세상의 모든 사물들이 수행하는 자연스러운 프로세스다. 해가 진 후 기온이 차가워지면 도로에서 열기가 사라지는 것을 우리는 직접 목격할 수 있다. 이 현상은 구름이 없는 밤에 특히 더 눈에 띄는데, 구름이 없으면 우리 주변의 모든 열이 지구 밖으로 쉽게 방출되기 때문이다. 이 열은 지구를 벗어나 차가운 우주로 날아가 버린다.


외부 우주와 같이 매우 차가운 물질이 존재하고, 우리가 열을 그 물질에 방출할 수 있다면 어떠한 전력의 사용도 없이 작동하는 냉방 시스템을 가동할 수 있을 것이다. 열이 그냥 흐르는 것이다! 이러한 방식으로, 지구로 계속해서 흘러 들어와 우주로 방출되는 열의 양은 수치를 헤아릴 수 없을 만큼 거대하다.


그러나 뜨겁고 화창한 날에는 복사 냉각이 사람의 몸 혹은 그 밖의 모든 다른 물체에서 잘 작동하지 않는다. 복사 냉각이 작동하는 것보다 햇볕이 더 따뜻하게 만들기 때문이다. 이 문제를 극복하기 위해 스카이쿨시스템스 연구팀은 햇빛의 약 97퍼센트를 반사하는 동시에 대기의 표면 열 에너지를 방출 할 수 있는 다층 광학 필름을 사용하는 표면을 만들었다.


햇볕으로부터 열을 흡수하지 않으면서 복사 냉각 효과로 화창한 날에도 평균 기온 이하로 냉방을 할 수 있는 것이다. 이는 우리가 더 이상 대기 온도에 의해 제한받지 않는다는 것을 의미한다. 즉, 훨씬 더 추운 곳, 즉 우주 공간의 온도에 의해 제한되도록 하는 것이다.

2014년에 발표된 최초의 실험은 직경 약 8인치의 다층 광학 표면 소형 웨이퍼를 사용하여 수행되었다. 이 실험을 통해 표면 자체가 어떻게 냉각되는지가 공개되었다. 다음 단계는 기술을 확대하여 더 큰 냉방 시스템의 일부로 작동하는 방법을 확인하는 것이었다.


1970년대 말 「네이처 에너지 (Nature Energy)」에 발표된 논문에서 연구자들은 특수한 광학 표면으로 덮인 패널을 물이 흐르는 파이프 위에 올려놓는 방식으로 스탠포드에 위치한 패커드 빌딩(Packard Building) 지붕에서 테스트하는 시스템을 설명했다. 이들은 또한 이 실험으로 얻은 데이터를 라스베이거스에 위치한 한 2층 사무실 빌딩의 지붕에 그들의 패널을 덮은 모의실험에 적용했다. 라스베이거스는 그들의 패널이 가장 잘 작동할 수 있는 뜨겁고 건조한 지역이었다. 그들은 기존 공냉식 냉각기 대신에 그들 패널로 냉각된 응결 장치를 장착한 증기 압축 시스템을 사용한다면 얼마나 많은 전기를 절약할 수 있는지 계산했다.


결론적으로 그들은 여름철에 이 패널 냉각 시스템이 14.3 메가와트시(megawatt-hours)의 전기를 절약할 수 있다는 점을 알아냈다. 건물 냉방에 사용된 기존 전력을 21퍼센트 감소시켰던 것이다. 이 시스템은 전체 기간 동안 일일 전기 소비량을 최소 18퍼센트에서 많게는 50퍼센트까지 줄였다.


현재 스카이쿨시스템스는 패널이 기존 냉난방 시스템, 냉장고 시스템과 통합될 때 에너지가 얼마나 절감되는지를 테스트 시설에서 측정하고 있다. 판, 골드스타인, 라만 교수는 이 기술이 수년 동안 폭넓게 적용될 것이라고 전망하고 있다.


퍼시픽 노스웨스트 국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory)의 에너지 분석가 닉 페르난데즈(Nick Fernandez)에 따르면, 설계 단계부터 복사 냉각 시스템을 새로운 건물에 직접 통합하는 개발자의 경우 훨씬 큰 에너지 절감 효과를 기대할 수 있다. 페르난데즈가 주저자로 참여한 2015년 시뮬레이션 분석에 따르면, 이 시스템이 순환수식(hydronic) 복사 냉방 시스템 - 공기대신 물을 순환시킴으로써 작동하는 매우 효율적인 건물 냉방 방식 - 과 결합하는 경우, 이상적인 기후 조건 하에서 냉난방 및 환기를 위한 에너지 절감이  거의 70퍼센트에 이를 수 있다.


이것을 돈으로 환산하면, 2050년 전 세계 전력 절감액이 연 2조5천억 달러에 달한다.


이러한 새로운 기술을 기반으로 우리는 향후 냉난방 전력 수요 대해 다음과 같이 예측해본다.


첫째, 복사 냉방 시스템의 채택률은 기후와 건축 유형에 따라 크게 달라질 것이다.


퍼시픽 노스웨스트 연구소가 연구한 결과에 따르면, 스카이쿨시스템즈 유형의 옥상 개조 방열기가 평방피트 당 58센트 미만으로 생산, 설치될 수 있다면 설치비용은 약 5년 내에 에너지 절감 비용으로 충당될 것으로 추산된다. 뜨겁고 건조한 기후에 큰 지붕이 있는 건물은 이 시스템이 매우 이상적일 것이다. 따라서 이러한 기후에 해당되는 미 남서부 지역과 중동은 확실한 목표가 될 수 있다. 태평양 북서부와 영국은 그다지 매력적인 지역이 되진 않을 것이다.


둘째, 스카이쿨시스템즈가 복사 냉방 시스템의 엄청난 기회를 누릴 유일한 회사는 아닐 것이다.


2018년 2월 볼더(Boulder)에 위치한 콜로라도 대학교(University of Colorado) 연구진은 「사이언스(Science)」에 ‘정오 시간 기준 직접적인 햇빛 아래 평당 93와트시의 복사 냉방 능력’을 달성한 유리-폴리머 하이브리드 재료를 발표했다. 이 연구진은 필름 형태의 롤(roll)을 경제적 가격에 제작하는 방법을 이미 개발했다고 강조했다. 이는 거주용과 상업용 모두 적용 가능하도록 잠재적으로 실행 가능한 대량 생산 기술이 가능하다는 의미이다. 스탠포드 대학 연구팀과 같이, 이 연구팀은 미국 에너지혁신 프로그램(ARPA-E, Advanced Research Projects Agency-Energy)으로부터 자금을 유치하고 특허를 신청했으며, 라디쿨(Radi-Cool)이라는 회사를 설립했다. 연구 논문의 공동 저자이자, 스타트업 라디쿨의 CEO인 기계공학과 롱구이 양(Ronggui Yang) 교수에 따르면, 그들 연구 과학자들은 현재 잠재적 투자자들, 제조업체와 협의를 진행 중이다.


셋째, 수조 달러의 절감을 통해, 이러한 시도들은 정책 입안자들, 소비자, 투자자의 상상력을 사로잡을 실질적인 ‘녹색 기술’의 하나가 될 것이다.


오늘날 소위 ‘환경 친화적’이라는 각종 솔루션과 달리, 이 복사 냉방 기술은 확실하게 비용을 절감하고, 자원을 절약하며, 환경을 개선하고 소비자의 삶을 개선할 수 있다. 이는 하나를 취하고 하나를 잃는 기존 녹색 기술의 한계를 극복하고, 모든 사람들에게 이익을 제공하는 윈-윈 혁신의 하나가 될 것이다.


* *


References List :
1. Eli A. Goldstein, Aaswath P. Raman, and Shanhui Fan. Nature Energy, 2017. Sub-ambi- ent Non-evaporative Fluid Cooling With the Sky.
https://www.nature.com/articles/nener-gy2017143


2. James Temple. MIT Technology Review, November 28, 2017. How High-tech Mirrors Can Send Heat Into Space.
https://www.technologyreview.com/s/609321/how-high-tech-mirrors-can-send-heat-into-space/
 
3. James Temple. MIT Technology Review, September 12, 2017. A Material That Throws Heat Into Space Could Soon Reinvent Air Conditioning.
https://www.technologyreview.com/s/608840/a-material-that-throws-heat-into-space-could-soon-reinvent-air-conditioning/
 
4. N. Fernandez, W. Wang, K. Alvine and S. Katipamula. Pacific Northwest National Labora- tory Resport, November 2015. PNNL-24904: Energy Savings Potential of Radiative Cooling Technologies.
https://www.pnnl.gov/main/publications/external/technical_reports/PNNL-24904.pdf
 
5. Chris Cesare. Stanford Report, November 26, 2014. Stanford Engineers Invent High- tech Mirror to Beam Heat Away From Buildings Into Space.
https://news.stanford.edu/ news/2014/november/radiative-cooling-mirror-112614.html
 
6. Trent Knoss. CU Boulder Today, February 9, 2017. Newly Engineered Material Can Cool Roofs, Structures With Zero Energy Consumption.
https://www.colorado.edu/today/2017/02/09/newly-engineered-material-can-cool-roofs-structures-zero-energy-con-sumption


7. Yao Zhai, Yaoguang Ma, Sabrina N. David, Dongliang Zhao, Runnan Lou, Gang Tan, Rong- gui Yang, and Xiaobo Yin. Science, March 10, 2017. Scalable-manufactured Randomized Glass-polymer Hybrid Metamaterial For Daytime Radiative Cooling.
http://science.science-mag.org/content/355/6329/1062.full



이전

목록