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パッシブ昼間放射冷却（PDRC）（パッシブ放射冷却、昼間パッシブ放射冷却、放射スカイクーリング、光子放射冷却、地表放射冷却[2] [3] [4] [5]とも呼ばれる）は、建物やその他の物体の温度を下げるために、電力を供給されない反射/熱放射面を使用する方法です。 [6]
これは、空調に必要なエネルギーを削減し、[7] [8]ヒートアイランド現象を緩和し、[9] [10]人体の体温を下げることで、温室効果ガスによる気温上昇を抑える方法として提案されている。[11] [1] [12] [13] [7]
PDRCは、太陽光発電システム、[4] [14] 、 結露収集装置、熱電発電機など、低温でより効率的なシステムを支援することができます。[15] [14]
地球の表面積の1～2%をPDRCに充てれば、地表温度を安定させることができるという推定もある。[16] [3]地域によって冷却能力は異なり、湿度や雲量の影響により、砂漠や温帯気候では熱帯気候よりも冷却効果が大きい。[17] [18] [19] PDRCは適応型システムに組み込むことができ、冷却から加熱に切り替えることで潜在的な「過冷却」効果を軽減することができる。[20] [21] 屋内空間冷却用のPDRCアプリケーションは成長しており、「2025年には市場規模が約270億ドルに達する」と推定されている。[22]
PDRC表面は、熱吸収を最小限に抑えるために太陽光反射率が高く、大気の赤外線ウィンドウ（8～13μm）に一致する長波赤外線（LWIR）熱放射 熱伝達が強くなるように設計されている。 [23] [2] [3]これにより、熱が大気を通過して宇宙に放出される。 [ 6] [24]
PDRCは、地球が宇宙に熱を放出することで冷却する放射冷却という自然のプロセスを活用します。[25] [26] [7] PDRCは日中に稼働します。[27]晴れた日には、太陽放射照度は1000 W/m 2に達し、拡散成分は50～100 W/m 2になります。平均的なPDRCの推定冷却能力は、露出表面積に比例して約100～150 W/m 2です。[28] [29]
PDRCの用途は、空に面した表面として展開されます。[14]大量生産の可能性がある低コストでスケーラブルなPDRC材料には、コーティング、薄膜、メタファブリック、エアロゲル、生分解性表面などがあります。
通常は白ですが、他の色も使用できますが、一般的に冷却効果は低くなります。[30] [31]
PDRCの研究、開発、関心は2010年代以降急速に高まっており、これは2014年に日中の冷却効果を高めるためにフォトニックメタマテリアルを使用するという画期的な進歩と、エネルギー使用と地球温暖化に対する懸念の高まりによるものである。[4] [ 32] [15] [33 ] PDRCは、大量のエネルギーを消費し、正味の加熱効果（屋内を冷やすよりも屋外を暖める）があり、電力への容易なアクセスが必要で、オゾン層を破壊するか強い温室効果を持つ冷媒を使用することが多い従来の圧縮ベースの冷却システム（エアコンなど）とは対照的である。[ 36] [37]
太陽放射管理とは異なり、PDRCは単純な反射を超えて熱放射を増加させます。[38]
実装
2019年の研究では、「放射冷却を広範囲に導入すると、大気全体ではないにしても、地表近くの気温を下げることができる」と報告されています。[5]地球温暖化に対処するには、PDRCは「放出が大気のみに放出されるのではなく、大気の透明窓を通過して宇宙に放出されるように設計する必要があります。そうしないと、局所的な冷却は可能になりますが、地球全体の冷却は不可能になります。」[38]
現在、地球は放出する熱よりも約 1 W m 2多く吸収しており、これが気候全体の温暖化につながっています。地球のごく一部を熱放射物質で覆うことで、地球から放出される熱量を増やし、正味の放射フラックスをゼロ（またはマイナス）にまで減らすことができ、地球を安定（または冷却）させることができます（...）。地球の表面積の 1%～2% を現在の平均値ではなくこの速度で放射するようにすれば、地球全体への熱流束と地球からの熱流束が均衡し、温暖化は止まります。[12]推定される総表面積は 5×10 12 m 2で、サハラ砂漠の約半分の広さです。[38]
— ジェレミー・マンデー
砂漠気候は年間を通じて湿度と雲量が低いため放射冷却の可能性が最も高いが、熱帯気候は湿度と雲量が高いため放射冷却の可能性は低い。[5] [39]世界規模での導入にかかる費用は1.25～2.5兆ドル、世界のGDPの約3％と推定されており、規模の経済性が期待されている。[38]商業化に向けていくつかの課題が残っているものの、大規模導入に向けて低コストでスケーラブルな材料が開発されている。[40] [41]
いくつかの研究では、表面の太陽光反射率またはアルベドを最大化し、熱放射率を90%にすることを目標に努力することを推奨しています。例えば、反射率を0.2（一般的な屋上）から0.9に上げることは、すでに反射率が高い表面を0.9から0.97に改善するよりもはるかに効果的です。[10]
利点
研究ではPDRCの利点が数多く報告されています。
- カーボンニュートラルな未来に向けて前進し、ネットゼロ排出を達成する。[11] [15] [33] [42]
- 電力網と再生可能エネルギー源が冷却に電気エネルギーを費やす負担を軽減する。 [11] [5]
- 地球のエネルギー収支のバランスをとる。[5]
- 猛暑時に人体の体温を下げる。 [11] [15] [33]
- 大気中の水分収集システムと露収集技術の改善。[15] [11] [33] [36]
- 太陽エネルギーシステムの性能向上[14] [11]
- エネルギー危機の緩和[1] [38]
- 都市ヒートアイランド現象の緩和。[5] [10] [43] [44]
- 冷却に使用される化石燃料エネルギーを置き換えることで温室効果ガスの排出を削減する。 [11] [5]
- 地球温暖化に伴う地域的および地球規模の気温上昇を軽減する。[1] [38]
- 水資源の熱汚染の削減[5]
- 湿式冷却処理における水消費量の削減[5]
その他の地球工学的アプローチ
PDRCは成層圏エアロゾル注入（SAI）よりも安定性、適応性、可逆性が高いと主張されている。[45]
ワンらは、SAIは「地球の基本的な気候機能に潜在的に危険な脅威をもたらす可能性がある」と主張し、それが元に戻らない可能性があるため、PDRCを推奨した。[46]マンデーは、PDRCの世界的な実施により「予期せぬ影響が発生する可能性が高い」が、「数十年にわたって大気中に粒子状物質を拡散させる方法とは異なり、これらの構造物は必要に応じてすぐに除去できる」と指摘した。[38]
屋根を白く塗るなどして表面のアルベドを高める反射面アプローチや、 「宇宙に巨大な反射面を配置する」という宇宙ミラーの提案と比較すると、マンデーは「反射率の増加はおそらく必要なレベルには達せず、高い経済的コストがかかる」と主張した。 [38] PDRCは、「単に太陽の吸収を減らすのではなく、地球からの放射熱放出を増やす」という点で反射面アプローチと異なる。[38]
関数
PDRCの基本的な尺度は、太陽光反射率（0.4〜2.5μm）と熱放射率（8〜13μm）です[2] 。これにより、「長波熱放射の純放射」を最大化し、「下向きの短波放射の吸収」を最小化します。[5] PDRCは、赤外線ウィンドウ（8〜13μm）を熱伝達に使用し、宇宙空間の寒さ（約2.7K）を利用して熱を放射し、エネルギー入力なしで周囲の温度を下げます。[5]
PDRCは、地球が熱を宇宙空間（地球のエネルギー収支）に放出することで冷却する自然のプロセスを模倣していますが、日中は直射日光が当たると周囲の温度が下がります。[ 5 ]晴れた日には、太陽放射照度は1000 W/m 2に達し、拡散成分は50～100 W/m 2になります。2022年現在、PDRCの平均冷却能力は約100～150 W/m 2です。[20]冷却能力は設備の表面積に比例します。[15]
効果の測定
最も有用な測定は現実世界の設定で行われ、標準化された装置が提案されている。[47]
「高度に依存する大気プロファイルの代わりに、地表気温や湿度などの周囲の気象条件を使用して」大気の下向き長波放射を評価することは、「下向き長波放射は、温度、圧力、水蒸気含有量が異なる大気のさまざまな高度から来る」ことと、「その厚さ全体にわたって密度、組成、温度が均一ではない」ことから、問題が生じる可能性があります。[5]
広帯域エミッター (BE) と選択的エミッター (SE)
広帯域放射体は太陽スペクトルと大気のLWIRウィンドウ（8～14μm）の両方で高い放射率を持ちますが、選択放射体は長波赤外線のみを放射します。 [20]
理論上、選択的熱放射体はより高い冷却力を実現できる。[20]しかし、選択的放射体は、疎水性表面上にも蓄積して放射を減少させる可能性のある滴状結露（半乾燥気候でも一般的）など、実際の用途ではその性能を弱める可能性がある課題に直面している。[48]広帯域放射体は、「材料が周囲の空気よりも暖かい場合、またはその表面温度が周囲温度より数度の範囲内にある場合」に選択的材料よりも優れた性能を発揮する。[9]
それぞれのタイプは、特定の用途に有利です。広帯域エミッターは屋根などの水平方向の用途に適していますが、選択的エミッターは建物のファサードなどの垂直面に適しています。垂直面では滴状の結露が重要ではなく、より強力な冷却力が得られます。[48]
広帯域エミッターは角度依存型にすることで性能を向上させることができる。[20] ポリジメチルシロキサン（PDMS）は一般的な広帯域エミッターである。[48]ほとんどのPDRC材料は広帯域であるが、これは主にコストが低く、周囲温度以上の温度で性能が高いためである。[49]
ハイブリッドシステム
PDRC を他のシステムと組み合わせると、冷却力が向上する可能性があります。「太陽光反射板、水分を多く含み IR を放出する蒸発層、蒸気透過性、IR 透過性、太陽光反射断熱層」で構成される断熱、蒸発冷却、放射冷却を組み合わせたシステムに含めると、周囲冷却力が 300% 向上することが実証されています[説明が必要] 。これにより、冷蔵せずに、湿気の多い気候では食品の保存期間が 40%、乾燥した気候では 200%延長されます。ただし、このシステムでは、冷却力を維持するために水を「補充」する必要があります。[50]
シリコンベースの回折格子で構成されたデュアルモード非対称フォトニックミラー（APM）は、曇りや湿気の多い条件でも、暖房だけでなくオールシーズンの冷却を実現できます。APMの冷却能力は、スタンドアロンの放射冷却器と比較して80％以上向上します。曇り空では8℃の冷却、暖房では5.7℃の冷却を実現できます。[51]
気候変動
さまざまな地域の冷却能力は、主に気候帯、気象パターン、およびイベントによって異なります。乾燥した暑い地域では、一般的に放射冷却力が高く（最大120 W m 2 ）、寒い地域や湿度や雲量が多い地域では一般的に放射冷却力が低くなります。[39]冷却能力は、湿度と雲量の変化により季節的に変化します。[5]日中の放射冷却能力をマッピングする研究は、中国、 [37]インド、[52]米国、[53]およびヨーロッパ全体で行われています。[54]
砂漠
西アジア、北アフリカ、オーストラリア、米国南西部などの乾燥地域は、季節を通じて湿度と雲量が比較的少ないため、PDRCに最適です。砂漠地帯の冷却ポテンシャルは「80～110 W m 2の高い範囲」と推定されています[5] 。また、120 W m 2 [39]。サハラ砂漠と西アジアは、地球上で最も高い冷却ポテンシャルを持つ地域です。[5]
砂漠地帯の冷却潜在能力は人口密度が低いため比較的未活用のままであり、冷却潜在能力が非常に高いにもかかわらず、地域的な冷却需要は減少する可能性が高い。[5]
温帯気候
温帯気候は放射冷却の潜在性が高く、人口密度も高いため、PDRCへの関心が高まる可能性がある。これらの地域は、乾燥気候と湿潤気候の間の「移行」地域である傾向がある。[5]温帯の人口密集地域は、夏から冬への気温の変化によりPDRCによる「過冷却」の影響を受けやすいが、PDRCを気温の変化に合わせて修正することでこれを克服できる。[20]
熱帯
PDRCは温帯地域では効果があることが証明されていますが、熱帯地域では同等の性能を達成することはより困難です。これは主に、太陽放射量と大気放射、特に湿度と雲量が高いことに起因しています。[17]熱帯気候の平均冷却能力は10～40 W m 2で、高温乾燥気候よりも大幅に低くなっています。[5]
例えば、東南アジアとインド亜大陸のほとんどの地域では、夏季には湿度が急激に上昇するため冷却能力が大幅に低下し、10～30 W/m 2まで低下します。アフリカの熱帯サバンナ地域など、他の同様の地域では、夏季には湿度の低下はより緩やかで、20～40 W/m 2まで低下します。しかし、熱帯地域では持続的な雲量によりアルベドまたは放射強制力が高く、そのため、その地表が惑星のアルベドに与える影響は小さくなります。[5]
2022年の研究では、熱帯気候のPDRC表面の温度を下げるには、太陽光反射率が少なくとも97％、赤外線放射率が少なくとも80％である必要があると報告されています。この研究では、BaSO 4 - K
2それで
4シンガポールの熱帯気候において、「太陽光反射率と赤外線放射率（8～13μm）がそれぞれ98.4％と95％」のコーティングを施し、直射日光の強度1000W m 2の下で「日中の気温が周囲温度より2℃低い状態を維持」することを実証した。 [ 17]
変数
湿度と雲量
湿度と雲の覆いはPDRCの有効性を著しく弱める。[7] 2022年の研究では、「大気中の蒸気濃度と温度の両方の垂直変動」が放射冷却器にかなりの影響を及ぼす可能性があると指摘されている。著者らは、エアロゾルと雲の覆いがラジエーターの有効性を弱める可能性があると報告し、したがって、これらの気候条件下で有効性を最大化するには、適応性のある「放射冷却器の設計戦略」が必要であると結論付けた。[18]
滴状凝縮
PDRC表面に滴状の結露 が形成されると、選択性PDRCエミッターの赤外線放射が変化し、性能が低下する可能性があります。半乾燥環境でも、結露が発生します。2022年の別の研究では、選択性エミッターの冷却力が「選択性エミッターの狭帯域放射を広げ、周囲温度以下の冷却力と広帯域エミッターに対する想定される冷却効果を低下させる可能性がある」と報告されています[48]。
我々の研究によると、放射冷却の最大の用途である建物の屋根の冷却に関しては、選択的エミッターの想定される利点はさらに小さいことが示されています。しかし、最近、夏季の広帯域の地熱増加と冬季の熱損失を経験する垂直の建物ファサードでは、選択的エミッターが季節的な温度調節とエネルギー節約を実現できることが示されています。非常に湿度の高い環境でも垂直面では結露が発生しにくいため、選択的エミッターの温度調節の利点は、湿度の高い運転条件と乾燥した運転条件の両方で持続する可能性があります。[48]
雨
雨は一般的に、ほこりや土、その他のゴミで覆われたPDRC表面をきれいにするのに役立ちます。しかし、湿気の多い地域では、雨が降り続けると水が溜まり、性能が低下する可能性があります。多孔質PDRCはこれらの状況を緩和することができます。 [ 55]もう1つの対応策は、疎水性セルフクリーニングPDRCを作ることです。VOCを回避するスケーラブルで持続可能な疎水性PDRCは、雨水やその他の液体をはじくことができます。[56]
風
風は受動的な放射冷却面や技術の効率を変える可能性がある。2020年の研究では、風の影響を緩和するために「傾斜戦略と風よけ戦略」の使用を提案した。研究者らは中国における地域差を報告し、「中国の85％の地域は風よけで放射冷却性能を達成できる」のに対し、中国北西部では風よけの影響がより大きくなると指摘した。[19] Bijarniyaらも同様に、強風の影響を受けやすい地域では風よけの使用を提案している。[7]
材料と生産
PDRC表面は様々な材料で作ることができます。しかし、PDRC材料を広く応用するには、低コストで大量生産が可能で、多くの状況に適用可能でなければなりません。ほとんどの研究はコーティングと薄膜に焦点を当てており、これらは大量生産が可能で、低コストで、より幅広い状況に適用できる傾向がありますが、他の材料も特定の用途に可能性を秘めている可能性があります。[40] [41] [57] [58]
PDRCの研究では、完全に生分解性ではないとしても、より持続可能な代替材料が特定されています。[34] [59] [60] [61] [62] 2023年の研究では、「現在、PDRC材料のほとんどは再生不可能なポリマー、人工光子、または合成化学物質であり、化石燃料を消費することで過剰なCO2排出を引き起こし、世界的なカーボンニュートラルの目標に反します。環境に優しいバイオベースの再生可能材料は、PDRCシステムを考案するための理想的な材料であるはずです。」と報告されています。[63]
多層構造と複雑な構造
多層薄膜、マイクロ/ナノ粒子、フォトニック結晶、メタマテリアル、メタサーフェスなどの高度なフォトニック材料と構造が、潜在的なアプローチとして報告されている。[64]しかし、多層で複雑なナノフォトニック構造は実験シナリオとシミュレーションで成功していることが証明されている一方で、2022年の研究では、広範囲にわたる応用は「準備の複雑で高価なプロセスのために大幅に制限されている」と報告されている。[41]同様に、2020年の研究では、「複雑な構造、優れた特性、高スループット、低コストの人工フォトニック放射器のスケーラブルな生産は依然として困難である」と報告されている。[65]これにより、PDRC材料のより単純な構造の研究が進み、大量生産に適している可能性がある。[64]
コーティング
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塗料などのPDRCコーティングは、表面に直接塗布できるため、準備が簡素化され、コストが削減されるという利点があるが、[41]すべてのコーティングが安価というわけではない。[66] 2022年の調査では、コーティングは一般的に「操作性が高く、処理が簡単で、コストが低いため、大規模な利用が見込まれている」と述べられている。[40] PDRCコーティングは、高い太陽光反射率と熱放射率を示しながら、白以外の色でも開発されている。[30]
コーティングは耐久性と汚れに対する耐性が求められますが、これは多孔質PDRC [55]または洗浄に耐えられる疎水性トップコートで実現できますが、疎水性コーティングでは耐水性のためにポリテトラフルオロエチレンまたは類似の化合物を使用します。 [66]塗料によく使用されるアセトンなどの他の有毒溶剤の使用を制限することで、環境への悪影響を軽減できます。無毒または水性塗料が開発されています。[66] [60]
多孔質ポリマーコーティング（PPC）は、優れたPDRC性能を発揮します。これらのポリマーには、高濃度の微細孔があり、ポリマーと空気の境界で光を効果的に散乱させます。この散乱により、太陽光反射率（96%以上）と熱放射率（熱の97%）の両方が向上し、フェニックスの正午の表面温度が周囲より6度低くなります。このプロセスは溶液ベースであり、拡張性に役立ちます。[67] [68]希望する色の染料がポリマーにコーティングされます。染料がポリマーに混合される従来の多孔質ポリマー染料と比較して、新しい設計はより効果的に冷却できます。[69]
2018年の研究では、コーティングコストが大幅に削減されたことが報告されており、「光子輸送の平均自由行程を最小限に抑えるために適切にランダム化されたフォトニック媒体は、黒い基板をコーティングし、放射冷却によって温度を下げるために使用できる」と述べています。このコーティングは、高価な製造工程や材料を必要とせずに、「日中の冷却に市販の太陽光反射白色塗料よりも優れている」可能性があります。[70]
映画
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多くの薄膜は高い太陽光反射率と熱放射率を示す。しかし、精密なパターンや構造を持つフィルムは、 「大規模な精密リソグラフィーに固有のコストと技術的困難のため」（2022年） [9]、または「複雑なナノスケールのリソグラフィー/合成と剛性のため」（2021年）拡張可能ではない。[73]
2022年の研究で使用されたポリアクリレートハイドロゲルフィルム[74]は、建築工事や大規模な熱管理システムへの潜在的な用途など、より幅広い用途があります。この研究は、ハイブリッドパッシブ冷却用に開発されたフィルムに焦点を当てました。このフィルムは、低コストの工業材料であるポリアクリル酸ナトリウムを使用して、高い 太陽光反射率と高い中赤外線放射率を実現しています。この材料の重要な特徴は、大気中の水分を吸収し、蒸発冷却を助ける能力です。この3つのメカニズムにより、湿度が高い場合や晴天が限られている場合など、さまざまな大気条件下での効率的な冷却が可能になります。[74]
メタファブリック
PDRCはメタファブリックから作ることができ、体温を遮蔽/調節するために衣類に使用できます。ほとんどのメタファブリックは石油ベースの繊維で作られています。[78]たとえば、2023年の研究では、「木材のような階層的な微細構造を備えた新しい柔軟なセルロース繊維フィルムをウェアラブルPDRCアプリケーション用に開発する必要がある」と報告されています。[63]
2021年の研究では、酸化チタンとポリ乳酸（TiO2-PLA）の複合材料とポリテトラフルオロエチレン（PTFE）のラミネートが選ばれました。この生地は光学的および熱的特性評価を受け、反射率や放射率などの測定が行われました。ローレンツ・ミー理論やモンテカルロシミュレーションなどの数値シミュレーションは、生地の性能を予測し、最適化を導く上で非常に重要でした。生地の耐久性、強度、実用性を評価するために機械試験が実施されました。[79]
この研究では、放射冷却を促進する優れた能力が報告されています。この生地は、94.5%の放射率と92.4%の反射率を達成しました。この高い放射率と反射率の組み合わせは、この生地の冷却能力の中核を成しており、従来の生地を大幅に上回っています。さらに、強度、耐久性、防水性、通気性などの生地の機械的特性は、衣類に適していることを確認しました。[79] [80] [81]
エアロゲル
エアロゲルは、大量生産に適した低コストの材料となる可能性があります。エアロゲルの中には、分解性があり、有毒化学物質を含まないため、他の材料よりも環境に優しい代替品と考えられるものもあります。[83] [61]エアロゲルは、太陽光の吸収と寄生熱の増加を減らし、PDRCの冷却性能を向上させる断熱材として役立ちます。 [84]
ナノバブル
色素は光を吸収します。シャボン玉の表面にはさまざまな色のプリズムが現れます。これらの色は、泡の表面の異なる厚さと光が相互作用する方法によって生じ、構造色と呼ばれます。ある研究では、植物に含まれるセルロースから得られるセルロースナノクリスタル（CNC）は、色素を追加せずに虹色のカラフルなフィルムを作ることができると報告されています。彼らは青、緑、赤の色のフィルムを作り、それを日光の下に置くと、周囲の空気よりも平均で約7ᵒF冷たくなり、フィルムは120 W m -2を超える冷却力を生み出しました。[87]
生分解性表面
提案されている放射冷却材料の多くは生分解性ではありません。2022年の研究では、「放射冷却のための持続可能な材料は十分に調査されていない」と報告されています。[34]
マイクログレーティング
シリカマイクログレーティングフォトニックデバイスは、830 W m −2から990 W m −2の太陽光強度下で市販のシリコンセルを3.6 °C冷却した。[88]
アプリケーション
パッシブ昼間放射冷却は、「エネルギー危機と地球温暖化という2つの大きな問題を同時に緩和する可能性」 [1]と「環境保護冷凍技術」[40]を持っています。PDRCにはさまざまな用途がありますが、現在最も頻繁に使用されているのは、エネルギー需要、コスト、およびCO2排出量を削減するための建物エンベロープ、クールペーブメント、およびその他の表面など、建築環境のさまざまな側面です。[89] PDRCは、屋内空間の冷却、屋外都市冷却、太陽電池の効率、発電所のコンデンサー冷却などの用途に適用されています。 [7] [15] [33]屋外用途では、PDRCの耐久性が重要な要件です。[49]
室内空間の冷房
最も一般的な用途は、クールルーフを含む建物の外壁です。PDRCは、白い屋根の2倍のエネルギーを節約できます。[15]これにより、PDRCはエアコンの代替または補助となり、エネルギー需要を減らし、エアコンによるハイドロフルオロカーボン（HFC）の大気中への放出を減らします。HFCはCO2の数千倍の強力です。[7] [15] [41] [8]
エアコンは世界のエネルギー使用量の12%～15%を占めており[7] [78]、一方、エアコンからのCO2排出量は「エネルギー関連のCO2排出量の13.7%、年間約52.3 EJ」[40]、つまり総排出量の10%を占めています。[ 78 ]エアコンの用途は増加すると予想されています。[30]しかし、屋内空間の冷却用の低コストPDRCの大量生産により、この量産は大幅に削減できます。[7] [8] [91]建物の屋根の10%を覆う多層PDRC表面は、日中の最も暑い時間帯に使用されるエアコンの35%を置き換えることができます。[7]
米国の郊外の一戸建て住宅地では、PDRCはエネルギーコストを26%～ 46 %削減し、平均気温を5.1℃下げることができます。「オフピーク時に生成された水の余剰冷却エネルギーを利用するための冷蔵を追加することで、ピーク冷却負荷時の室内空気の冷却効果が大幅に向上し」、気温を6.6～12.7℃下げることができます。[92]
都市では、PDRC は大幅なエネルギーとコストの節約をもたらします。米国の都市に関する研究で、Zhou らは「暑く乾燥した地域の都市では年間 2200 kWhを超える高い電力消費の節約が達成できるのに対し、寒く湿度の高い都市では 400 kWh 未満しか達成できない」ことを発見しました。電力消費の節約額が高い順に並べると、フェニックス (~2500 kWh)、ラスベガス (~2250 kWh )、オースティン(~2100 kWh)、ホノルル (~2050 kWh )、アトランタ (~1500 kWh ) 、インディアナポリス(~1200 kWh)、シカゴ (~1150 kWh)、ニューヨーク市 (~900 kWh)、ミネアポリス(~850 kWh)、ボストン(~750 kWh)、シアトル (~350 kWh) となります。[92] 2030年のインドの都市のエネルギー節約を予測した研究では、ムンバイとコルカタのエネルギー節約の可能性は低く、ジャイサルメール、ヴァランサイ、デリーのエネルギー節約の可能性は高かったが、湿度と風の強さに応じて4月から8月にかけて大きな変動があった。[52]
2020年の調査では、PDRCの建物への適用に対する関心の高まりと増加は、「世界の建物の表面積の巨大さ、市場規模は2025年に約270億ドル」と推定されており、それに関連するコスト削減に起因していると考えられています。[89]
屋外都市空間の冷却
PDRC 表面は、世界中の 450 以上の都市で発生する都市ヒートアイランド現象による猛暑を緩和することができます。都市部では、近くの田舎よりも 10～12 °C (18～22 °F) も高温になることがあります。[9] [10]平均的な暑い夏の日には、建物の屋根は周囲の空気よりも 27～50 °C (49～90 °F) 高くなり、対流によって空気の温度がさらに上がります。断熱性の高い暗い屋根は、アスファルト舗装を含む他のすべての都市表面よりも大幅に高温になり、[10]エアコンの需要がさらに高まり (これにより、廃熱が周囲の空気に放出され、地球温暖化と都市ヒートアイランドがさらに加速します)、熱中症や致命的な健康被害のリスクが高まります。[9] [43] [44]
PDRC は建物の屋根や都市部のシェルターに適用でき、都市環境から宇宙空間に熱を反射することで、エネルギー消費ゼロで表面温度を大幅に下げることができます。[9] [10] PDRC 実装の主な障害は、周囲の建物への可視光の反射によって引き起こされるグレアです。着色された PDRC 表面はグレアを軽減する可能性があります。[66] Zhai ら[30]「市販の高屈折率 (n~1.9)再帰反射球を使用したスーパーホワイトペイント」[66]や再帰反射材 (RRM) の使用もグレアを軽減する可能性があります。[10] PDRC のない周囲の建物は、PDRC の冷却力を弱める可能性があります。[90]
高密度の都市部で屋根に設置した場合でも、広帯域放射冷却パネルは歩道レベルの表面温度を低下させます。[93] 2022年の研究では、コルカタ都市圏で、非変調PDRCと変調PDRCを含む冬季のPDRC表面の影響を評価しました。反射率0.95、放射率0.93の非変調PDRCは、地表温度を約4.9℃（8.8℉）低下させ、日中の平均低下は2.2℃（4.0℉）でした。[9]
夏にはブロードバンド非変調PDRCの冷却効果は望ましいかもしれないが、冬には都市住民にとって不快な「過冷却」効果をもたらし、暖房のためのエネルギー使用量を増加させる可能性がある。これはブロードバンド変調PDRCによって緩和することができ、冬には毎日の都市周囲温度を0.4～1.4℃（0.72～2.52℉）上昇させる可能性があることが判明した。コルカタでは「過冷却」は起こりそうにないが、他の場所では望ましくない影響を与える可能性がある。したがって、変調PDRCは夏が暖かく冬が寒い都市で制御された冷却のために好まれるかもしれないが、非変調PDRCは夏が暑く冬が穏やかな都市でより有益である可能性がある。[9]
都市部のバス停に関する研究では、ほとんどの停留所は通勤者に快適な温度を提供できていないのに対し、木は0.5℃（0.90℉）高い冷却効果をもたらすことがわかった。[90]停留所を冷却する他の方法としては、エアコンやその他のエネルギーを大量に消費する手段が用いられることが多い。PDRC屋根を備えた都市部の停留所は、エネルギーをまったく投入せずに温度を大幅に下げることができるが、「非相反性中赤外線カバー」を追加すると、周囲の建物からの放射を反射するだけでなく、大気からの放射を減らすことで効果を高めることができる。[90]
2021年の研究では、都市部の屋外空間冷却については、放射率が90％以上を維持できる限り、都市部のPDRCは主にアルベドの増加に重点を置くことを推奨しました。[10]
太陽エネルギー効率
PDRC表面は、太陽エネルギープラントと統合することができ、太陽エネルギー放射冷却（SE-RC）と呼ばれ、太陽電池の「過熱」を防ぎ、劣化を防ぐことで機能性と性能を向上させることができます。シリコン太陽電池の最大効率は33.7％（平均的な商用パネルは約20％に達する）であるため、吸収された電力の大部分が過剰な熱を生成し、動作温度を上昇させます。[15] [76]太陽電池の効率は、温度が1℃上昇するごとに0.4～0.5％低下します。[15]
PDRCはシステムの動作温度を下げることで太陽電池の寿命を延ばすことができます。[76]また、「ほとんどの太陽エネルギー収集システムは、放射冷却システムに似た、空に面した平板構造設計になっている」ことを考えると、PDRCを太陽エネルギーシステムに統合することも比較的簡単です。統合により、単位面積あたりのエネルギー利得が増加し、セルが動作する日の割合が増加すると報告されています。[14]
冷却性能を高める可能性のある方法が提案されている。2022年の1つの研究では、「放射冷却とスペクトル分割を組み合わせて放射熱放散を高め、サブBG光子の吸収によって発生する廃熱を減らす、太陽電池を冷却するためのフルスペクトル相乗管理（FSSM）戦略」の使用を提案した。[94]
個人の体温管理
パーソナルサーマルマネジメント（PTM）は、PDRCを生地に使用して、猛暑時の体温を調節します。他の生地は熱の蓄積に役立ちますが、「暑い天候では熱中症を引き起こす可能性があります。」[95] 2021年の研究では、「受動放射冷却構造をパーソナルサーマルマネジメント技術に組み込むことで、激化する地球規模の気候変動から人類を効果的に守ることができる」と主張しました。[96]
着用可能なPDRCはさまざまな形で提供され、屋外で働く人々を対象としています。製品はまだ試作品の段階です。[82] [97]ほとんどの繊維製品は白色ですが、特定の色の着用可能な素材は、状況によっては適切な場合があります。[15]
発電所のコンデンサー冷却
火力発電所や集光型太陽光発電所（CSP）で使用される発電所コンデンサーは、熱交換器内で水を効率的に使用するために水を冷却することができます。放射冷却器で覆われた池の研究では、水の損失なしに150 W m 2のフラックスを達成できることが報告されています。[7] PDRCは、水の使用と水冷却による熱汚染を減らすことができます。[5]
ある調査によると、熱電発電所のコンデンサーの放射冷却パネルに空冷コンデンサーを補充すると、ポンプのエネルギー消費量11kWh/日で4096kWhth/日の冷却効果が達成されたと報告されています。[7] 550ᵒCのCO2超臨界サイクルの集光型太陽光発電所（CSP）は、14m2/kWeの容量の放射冷却器と統合することで、空冷システムよりも5％の純出力増加を生み出すと報告されています。" [7]
建物の熱調節
冷却に加えて、PDRC表面は双方向の熱調節（冷却と加熱）のために変更することができます。[9]これは、熱放射率を高値と低値の間で切り替えることによって実現できます。[9] [15]
熱電発電
熱電発電機と組み合わせると、PDRC表面は少量の電気を生成することができます。[15]
自動車と温室の冷却
自動車や温室などの熱的に密閉された空間は、特に有害な温度上昇の影響を受けやすい。これは、窓が多く、太陽放射の入射に対しては透明だが、放射される長波熱放射に対しては不透明であるため、太陽の光で急速に熱くなるためである。外気温がわずか21℃の場合でも、直射日光にさらされた自動車の温度は60～82℃まで上昇することがある。[15]
水の採取
PDRC を使用することで、結露の収穫量が向上する可能性があります。高放射率の選択的 PDRC エミッターと広帯域エミッターでは、さまざまな結果が生じる可能性があります。広帯域 PDRC を使用したある研究では、ピーク時の太陽強度800 W m 2で、デバイスは 1 日あたり約 8.5 mL の水を凝縮しました。" [15]選択的エミッターは他の状況ではあまり有利ではないかもしれませんが、結露の収穫アプリケーションでは優れている可能性があります。[48] PDRC は、太陽蒸気発生システムと組み合わせて水の収集率を向上させることで、大気中の水の収穫を改善できます。[49]
水と氷の冷却
PDRC表面は冷却のために水面上に設置することができる。対照試験では、光子放射器の使用により、水面が周囲温度より10.6℃低く冷却された。[7] [検証失敗]
PDRC表面は氷を冷却し、日光による氷の融解を防ぐために開発されました。これは氷保護のための持続可能な方法として提案されています。これは冷蔵食品の腐敗防止にも応用できます。[98]
副作用
ジェレミー・マンデーは、「予期せぬ影響が生じる可能性は高い」ものの、PDRC構造は「数十年にわたって残る可能性がある大気中に粒子状物質を拡散させる方法とは異なり、必要に応じてすぐに除去できる」と書いている。[99]成層圏エアロゾル注入は「地球の基本的な気候機能に潜在的に危険な脅威をもたらす可能性がある」ため、PDRCが望ましい。[24]ゼヴェンホーフェンらは、「成層圏エアロゾル注入（SAI）、雲の増光、または上空の多数の鏡（「日よけジオエンジニアリング」）で入射する（短波、SW）太陽放射を遮断または反射する代わりに、長波長（LW）熱放射を選択的に放出し、大気を通して宇宙に伝達することができる」と述べている。[3]
「過冷却」とPDRC変調
「過冷却」はPDRCの副作用として挙げられており、特に温帯地域に特徴的な暑い夏と寒い冬の人口密集地域にPDRCを適用すると問題になる可能性がある。[20]これらの地域でPDRCを適用すると夏には役立つが、冬には暖房のためのエネルギー消費量の増加につながる可能性があり、その結果、エネルギー節約と排出量に対するPDRCの利点が減少する可能性がある。 [9] [21] Chenらによると、「この問題を克服するために、冬や寒冷環境での過冷却を防ぐための動的に切り替え可能なコーティングが開発されている。」[20]
過冷却による弊害は、PDRC の変調によって軽減できます。PDRC は夏季には受動的な冷却機能を活用し、冬季には受動的な加熱機能に改造します。変調には、「冬季には放射率または反射率を低い値に、温暖期には高い値に切り替える」ことが含まれます。[9] 2022 年に、Khan らは、「低コストの光変調型」PDRC が「開発中」であり、「間もなく市場で市販される予定であり、寒い時期に過冷却によるペナルティを招くことなく都市部の都市熱を軽減する高い将来性がある」と結論付けました。[9]
PDRC を「切り替え可能」にして過冷却を緩和する方法は様々です。[20]ほとんどの研究では、無機化合物である二酸化バナジウム(VO2) を使用して、温度に基づく「切り替え可能な」冷却および加熱効果を実現しています。[20] [21] Khan らによると、VO2 の開発は困難ですが、彼らのレビューでは、「最近の研究は、さまざまな種類のアプリケーション向けの技術の拡張を簡素化および改善することに重点を置いています」と結論付けられています。[9] Chen らは、「中赤外線スペクトルの切り替えにおける VO2 コーティングには多くの努力が費やされており、太陽スペクトルにおける温度依存コーティングの切り替え能力を報告した研究はわずかです」と結論付けています。[20]温度依存の切り替えでは、冷却と加熱の両方を達成するために追加のエネルギー入力は必要ありません。[20]
PDRCの「スイッチング」の他の方法では、望ましい効果を得るために余分なエネルギー入力が必要です。そのような方法の1つは、誘電環境を変更することです。これは、水やアルコールなどの一般的な液体でPDRC表面を「可逆的に濡らす」ことと乾燥させることによって行うことができます。ただし、これを大規模に実装するには、「実際のアプリケーションでは、作業液体のリサイクルと利用、および循環ループの密閉性を考慮する必要があります。」[20]
もう一つの方法は、機械的な力による「切り替え」を伴うもので、これは有用である可能性があり、「伸縮性があるため、[PDRC]ポリマーコーティングで広く研究されている」。この方法では、「εLWIRで切り替え可能なコーティングを実現するために、PDMS格子と埋め込まれたナノ粒子で構成される薄いPDMSフィルムに機械的応力/ひずみを適用することができる」。ある研究では、この方法を使用することで、「米国では加熱と冷却に使用されるエネルギーの19.2％を節約でき、これは冷却モードのみの場合の1.7倍、加熱モードのみの場合の2.2倍である」と推定されており、さらなる研究開発を促す可能性がある。[20]
グレアと外観
太陽光反射率の高い表面から生じるグレアは、特に地上レベルの都市環境において、視認性の問題を引き起こし、PDRCの適用を制限する可能性がある。[30]より拡散した方法で反射を生成するために「散乱システム」を使用するPDRCが開発されており、リンらによると「実際の適用ではより好ましい」とのことである。[100]
低コストのPDRC着色塗料コーティングも開発されており、これによりPDRC表面のまぶしさが軽減され、色の多様性が増しています。表面の太陽光反射率は可視光スペクトルでいくらか失われますが、着色PDRCは依然としてかなりの冷却力を発揮します。例えば、Zhaiらによるコーティングでは、α- Bi 2 O 3コーティング（化合物の色に似ている）を使用して、太陽光反射率99%、熱放射率97%を示す無毒塗料を開発しました。[30]
一般的に、冷却能力と暗い色の表面の間にはトレードオフがあることが指摘されています。反射率の低い色のPDRCを壁に適用し、反射率の高い白色PDRCを屋根に適用することで、垂直面の視覚的な多様性を高めながらも冷却効果を高めることができます。[31]
歴史
夜間の受動的な放射冷却は数千年にわたって認識されており、記録によれば古代イラン人は紀元前400年以来ヤフチャールの建設を通じてその認識を示していた[102]。
PDRCは1967年にフェリックス・トロンベによって仮説が立てられました。最初の実験装置は1975年に作成されましたが、夜間の冷却にしか成功しませんでした。異なる材料組成を使用して日中の冷却を実現するためのさらなる開発は成功しませんでした。[7]
1980年代に、ルシクとグランクヴィストは、赤外線窓が極寒の宇宙空間にアクセスして受動的な昼間の冷却を実現する可能性のある方法であることを確認しました。[3]
受動放射による昼間冷却材の開発の初期の試みは、自然界、特にサハラギンアリやシロオオカブトムシが極度の暑さの中でどのように体を冷やすかに注目して行われた。[15] [33]
PDRCの研究開発は、2010年代にフォトニックメタマテリアルを使用して太陽熱を抑制する能力が発見され、この分野の研究開発が大きく拡大したことで急速に発展しました。[15] [33]
2024年、日産は直射日光下で車内の温度を最大21°F下げる塗料を導入した。この塗料には2種類の粒子が含まれており、それぞれ異なる周波数で動作する。1つは近赤外線を反射し、もう1つは赤外線ウィンドウに合わせて他の周波数を変換し、エネルギーを宇宙に放射する。[103]
参照
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2
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