Investigating the Potential of Radiative Cooling of Selective Surfaces Technology to Cooling Building Spaces in Kuwait

التبريـد الإشعاعي هـي وسـيلة فعالـة لتقليـل الحـرارة في المبانـي. يمكـن تلخيـص مفهـوم التبريـد الإشعاعي في فقـدان الحـرارة عـن طريـق الإشعاع الحــراري إلى الفضــاء الخارجــي. إلى جانــب انبعــاث الإشعاع الحــراري، تمتــص مــواد التبريــد الإشعاعي الطاقــة الحراريــة الــواردة إليهــا وتعكســها إلى الفضــاء الخارجــي. يمكــن اســتخدام هــذه المــواد لتقليــل حجــم أنظمــة تكييــف الهــواء المطلوبــة وبالتالــي تقليــل استهلاك الطاقــة الكهربائيــة مــن التبريــد. مــن الممكــن تطبيــق هــذه المــواد في البلــدان ذات درجــات الحــرارة المحيطــة المرتفعــة مثــل الكويــت. في هــذا البحــث، تــم دراســة اســتخدام مـواد التبريـد الإشعاعي في تحسـين جـودة الهـواء الداخلـي وتقليـل استهلاك الطاقـة في المبانـي السـكنية الكويتيـة. أثبتـت لوحـات التبريـد الإشعاعي قابليتهـا للتطبيـق في المنـازل خاصـة في البلـدان ذات الرطوبـة النسـبية المنخفضـة والسـماء الصافيـة. ومـع ذلـك، ال يمكـن لمـواد التبريـد الإشعاعي أن أنظمـة التبريـد والتأكـد مـن دقتهـا باسـتخدام البيانـات مـن تجـارب سـابقة تـم نشـرها. وقـد أثبتـت فعاليـة تلـك النمـاذج في التنبـؤ بـأي تطبيـق إضافـي تعمـل بشـكل مسـتقل في منـاخ الكويـت الحـار، لذلـك تمـت دراسـة عـدة مجموعـات مـن أنظمـة التبريـد مـع تلـك المـواد. تـم اعـداد نمـاذج محـاكاة لـكل للتبريـد الإشعاعي. في أول حالـة، تـم دمـج مـواد التبريـد الإشعاعي مـع نظـام لتبريـد الميـاه، واسـتخدمت مـادة تغييـر الطـور )PCM )كخـزان حـراري. ًـا إلى جنـب مـع وحـدة تكييـف الهـواء التقليديـة التبريـد المطلـوب. بالنسـبة لهـذا النظـام، تـم زيـادة يوفـر هـذا خـزان ذو درجـة الحـرارة المنخفضـة جنب بنسـبة 57٪ في معامـل أداء أنظمـة تكييـف الهـواء، ممـا أدى إلى انخفـاض كبيـر في استهلاك الطاقـة خـلال فصـل الصيـف. يمكـن أيضـا اسـتخدام ألـواح التبريـد الإشعاعي لتبريـد الهـواء الخارجـي للتهويـة. بهـذه الطريقـة سـيتم تقليـل حمـل التهويـة وبالتالـي تقليـل سـعة التبريـد للتكييـف. عندمـا غطـت ألـواح التبريـد الإشعاعي 70٪ مـن مسـاحة السـطح، كان التخفيضـات الكليـة لحمـل الملـف 13٪ في ظـروف الـذروة خـال النهـار، و25٪ أثنـاء الليـل. تـم ً أيضـا دراسـة لوحـات التبريـد الإشعاعي عنـد دمجهـا مـع مبـرد تبخيـري غيـر مباشـر )Cycle-M ،Cycle Maisotsenko ً ) مـزودا بنظـام اسـترجاع الميـاه. بنسـبة ،44.2٪ وتحقيـق وفـورات كبيـرة محتملـة في انبعاثـات ثانـي أكسـيد الكربـون. تـم إجـراء تحليـل الاستخدام تلـك مـواد في التخفيـف مـن انتقـال أدى هـذا النظـام المقتـرح إلى خفـض استهلاك الطاقـة الكهربائيـة بنسـبة 53.4٪ مقارنـة بنظـام التهويـة وتكييـف الهـواء العاديـة، مـع توفيـر في الميـاه الحـرارة في المناطـق المبنيـة وقـد ثبتـت فعاليتهـا. لـذا مـن الممكـن توفيـر نسـبة كبيـر مـن الطاقـة المهـدرة علي التكييـف والتبريـد في حـال اسـتخدام تلـك المـواد في الكويـت. ومـع ذلـك، قـد تتأثـر أداء تلـك المـواد أثنـاء العواصـف الرمليـة والأيام الرطبـة.

Radiative cooling is an effective way to reduce heat in buildings. Its concept can be summarized in losing heat by thermal radiation to outer space, namely, long-wave infrared radiation (LWIR). Along with emitting thermal radiation, radiative cooling (RC) materials absorb the incoming heat energy and reflect it to outer space. The utilization of these materials can potentially reduce the size of the air-conditioning systems required hence reduce its electrical energy consumption. It is applicable in high-ambient temperature countries like Kuwait. In this research, the use of RC materials was investigated in improving indoor air quality (IAQ) and reducing energy consumption in Kuwaiti residential buildings. RC panels proved their high applicability in houses especially in countries with low relative humidity (RH) and clear skies. However, RC materials cannot operate standalone in Kuwait’s hot climate, therefore several combinations of cooling systems were studied. For all the configurations, the modeling techniques were validated with experimental data from the literature and proved their effectiveness in predicting any additional application for the RC. In one case, RC materials were combined with a hydronic system to cool down water, and a phase change material (PCM) was used as a storage tank. This low-temperature storage tank along with a conventional air conditioning (AC) unit provided the required cooling. For this system, a 57% increase in the air-conditioning systems coefficient of performance was reported, resulting in significant reductions in energy consumptions during the summer. RC panels can also be used to cool the outside air for ventilation. This way the ventilation load will be decreased and therefore reduce the AC cooling coil capacity. When the RC panels covered 70% of the roof area, the overall coil load reductions were 13% at peak conditions during the day, and 25% during nighttime. RC panels are also studied when combined with an indirect evaporative cooler (Maisotsenko Cycle, M-Cycle) equipped with a water reclamation system. This proposed hybrid system reduced the electrical energy consumption by 53.4 % compared to a typical HVAC system, with water savings of 44.2%, and significant potential savings in CO2 emissions. Analysis for the use of RC materials in mitigating urban heat transfer was conducted. RC materials were effective due to the reduction of the near-surface temperatures. RC materials have potential energy savings if applied in Kuwait. Nonetheless, the RC performance may be affected during sandstorms and humid days.