Как работает пассивное радиационное охлаждение и почему поверхность может быть холоднее воздуха

Охладить поверхность без компрессора и вентилятора кажется невозможным, особенно под открытым небом. Однако любой нагретый предмет постоянно излучает инфракрасную энергию. Если материал одновременно получает мало тепла от солнца и эффективно отдаёт собственное тепловое излучение в небо, его температура может снижаться даже без электрического охлаждения. На этом основано пассивное радиационное охлаждение.

Любая поверхность обменивается теплом излучением

Тело с температурой выше абсолютного нуля испускает электромагнитное излучение. При обычных земных температурах значительная его часть приходится на инфракрасный диапазон. Одновременно поверхность получает энергию от солнца, окружающего воздуха, соседних предметов и атмосферного излучения.

Температура определяется балансом этих потоков. Чтобы материал охлаждался, суммарная отдача энергии должна некоторое время превышать её поступление.

Почему небо может работать как холодный приёмник

Атмосфера поглощает инфракрасное излучение неодинаково. В диапазоне примерно 8–13 микрометров существует область сравнительно высокой прозрачности, которую называют атмосферным окном. Часть теплового излучения поверхности в этом диапазоне способна пройти через атмосферу и уйти в сторону холодного космического пространства.

• поверхность испускает инфракрасную энергию;
• атмосферное окно пропускает часть этого излучения;
• энергия покидает локальную систему;
• материал получает меньше тепла обратно;
• при подходящем балансе температура снижается.

Это не означает прямой контакт с температурой космоса: атмосфера, облака и окружающие предметы продолжают обмениваться энергией с поверхностью.

Почему ночью эффект получить проще

Ночью отсутствует мощный поток солнечного излучения. Открытая поверхность может терять тепло в ясное небо быстрее, чем получает его от окружения. Поэтому радиационное охлаждение давно наблюдается в природе: например, поверхность способна остывать сильнее воздуха и создавать условия для росы.

Днём задача сложнее. Даже небольшое поглощение солнечного света может принести больше энергии, чем удаётся отвести инфракрасным излучением. Поэтому дневные радиационные охладители должны очень хорошо отражать солнечный спектр.

Зачем материал делают очень светлым

Для работы под солнцем поверхность стремятся сделать высокоотражающей в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Чем меньше солнечной энергии поглощается, тем легче сохранить отрицательный тепловой баланс. Белый цвет сам по себе полезен, но современные материалы проектируют точнее, управляя размером частиц, порами и оптическими свойствами слоёв.

Важно не просто отражать видимый свет. Значительная доля солнечной энергии находится за пределами видимого диапазона, поэтому оценивают интегральную солнечную отражательную способность.

Почему инфракрасное излучение нужно настроить отдельно

Хороший дневной охладитель должен сочетать две на первый взгляд противоположные функции: почти не принимать солнечную энергию и при этом эффективно испускать собственное тепловое излучение. Для этого создают покрытия и многослойные материалы с нужной спектральной излучательной способностью.

Особенно полезна высокая эмиссия в области атмосферного окна. Тогда значительная часть тепла уходит в диапазоне, где воздух сравнительно слабо возвращает его обратно.

Может ли поверхность стать холоднее окружающего воздуха

Да, при ясном небе, слабом дополнительном нагреве и удачном оптическом балансе температура поверхности может опуститься ниже температуры воздуха. Но воздух при этом начинает передавать ей тепло конвекцией, поэтому возникает естественное ограничение.

Ветер усиливает теплообмен с окружающим воздухом и способен уменьшить разницу температур. Для практических систем учитывают не только оптику, но и конвекцию, теплопроводность основания и геометрию установки.

Как влияют облака и влажность

Облака хорошо поглощают и излучают инфракрасную энергию. При плотной облачности небо становится для поверхности гораздо менее эффективным холодным приёмником. Высокая влажность также меняет прозрачность атмосферы и может ослаблять полезный радиационный обмен.

Поэтому одинаковое покрытие работает по-разному в сухом ясном климате и во влажную облачную погоду. Реальную эффективность оценивают для конкретного места и сезона.

Где применяют такую технологию

Радиационно-охлаждающие покрытия исследуют для крыш, фасадов, резервуаров, теплообменников и систем кондиционирования. На здании материал может уменьшать нагрев наружной поверхности и тем самым снижать часть нагрузки на обычное охлаждение.

Есть и гибридные решения, где радиационный элемент предварительно охлаждает жидкость или помогает отводить тепло от оборудования. Пассивный эффект не отменяет инженерную систему, но способен уменьшить количество энергии, которое ей приходится переносить.

Почему это не вечный бесплатный кондиционер

Мощность радиационного отвода ограничена. В жарком помещении есть люди, техника, солнечные окна, вентиляция и теплопритоки через стены. Одно покрытие на крыше не обязано компенсировать их все. Кроме того, загрязнение и старение поверхности могут снизить солнечное отражение.

Практический результат зависит от площади, климата, теплоизоляции и способа связи охлаждающей поверхности с объектом. Поэтому технологию рассматривают как один из инструментов теплового управления.

Главный принцип

Пассивное радиационное охлаждение использует естественный тепловой обмен с небом. Материал старается отражать приходящий солнечный свет и одновременно эффективно излучать собственное тепло в инфракрасном диапазоне, где атмосфера относительно прозрачна.

Если уход энергии превышает её поступление, поверхность охлаждается без холодильного цикла. Вся технология строится на точном управлении спектром света и тепла — на том, какие длины волн материал отражает, а какие охотно испускает.