최근 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 저널에서 설명된 바와 같이, 듀크 대학교(Duke University)의 엔지니어들이 미국 전역에 널리 배치되는 경우 기존 HVAC 에너지 활용을 거의 20%까지 줄일 수 있는 건물 실내 온도 조절을 위한 이중 모드 난방 냉각 장치를 시연했다.

이 발명품은 특정 파장의 빛을 활용하거나 방출하기 위해 역학 및 재료 과학의 조합을 활용하고 있다. 조건에 따라 롤러는 시트를 앞뒤로 움직여 한쪽은 히트 트랩 재료를, 다른 한쪽은 냉각 재료를 노출시킨다. 나노 스케일로 특별히 설계된 한 물질은 태양 에너지를 흡수하고 기존 열을 가두는 반면 다른 물질은 빛을 반사하여 열이 지구 대기를 통해 우주로 빠져 나가도록 한다.

이는 사용자가 가열 또는 냉각을 위해 두 가지 모드 사이를 전환할 수 있는 가역적 열 접촉에 관한 첫 번째 데모 모델이다. 이를 통해 건물과 양호한 열 접촉을 유지하면서 재료를 움직일 수 있게 하여 열을 유입하거나 방출할 수 있는 것이다.

미국에서 에너지 소비의 약 15%, 전 세계적으로 30% 이상이 건물 냉난방에 사용되고 있다. 이 활동은 전 세계 온실 가스 배출량의 약 10%를 차지한다. 그러나 지금까지 탄소 발자국을 최소화하기 위한 대부분의 접근 방식은 난방 또는 냉방에만 적용되었다. 이로 인해 냉난방이 모두 필요한 세계 온대 기후대는 논의에서 벗어나 있었다. 이 새로운 장치는 날씨가 변해도 사용자를 따뜻하게 또는 시원하게 유지할 수 있다.

특수 설계된 시트에는 전기를 흐르게 하여 확장 또는 축소 할 수 있는 폴리머 복합재가 기본으로 포함되어 있다. 이렇게 하면 장치가 건물과의 접촉을 유지하여 에너지를 전달하는 동시에 롤러가면서 모드 사이를 전환할 수 있도록 해제할 수 있다.

시트의 냉각 부분에는 훨씬 더 얇은 투명 실리콘 층으로 덮인 초박형 은막이 있으며, 함께 거울처럼 태양 광선을 반사합니다. 이러한 물질의 고유한 특성은 또한 에너지를 중거리 적외선으로 변환하여 방출한다. 중거리 적외선은 지구 대기의 가스와 상호 작용하지 않고 쉽게 우주 공간으로 전달된다.

날씨 변화로 인해 난방이 필요하면 전하가 방출되고 롤러가 트랙을 따라 시트를 당긴다. 이렇게 하면 시트의 냉각 반사 절반이 열 흡수 절반으로 바뀐다.

건물 하단을 가열하기 위해 엔지니어들은 아연-구리 나노 입자 층으로 덮인 초박형 구리 층을 사용했다. 나노 입자는 특정 크기이고 일정한 거리를 두고 있기 때문에 표면에 빛을 가두는 방식으로 그 아래에 있는 구리와 상호 작용하여 물질이 햇빛 열의 93% 이상을 흡수할 수 있도록 한다.

듀크 대학교 연구팀은 이 장치를 기존 HVAC 시스템을 완전히 교체하는 것이 아니라 향상시킬 수있는 것으로 전망하고 있다. 건물을 직접 난방 및 냉각하는 대신 엔지니어는 물 패널을 사용하여 온수 또는 냉수를 히트 펌프 또는 보일러 시스템으로 가져올 수 있다. 추가적인 엔지니어링 기술을 활용하면 사용하면 벽에도 사용할 수 있어 일종의 전환 가능한 건물 외피를 형성할 수 있다.

앞으로 연구 팀은 이를 프로토타입에서 제조에 사용할 수 있는 확장 가능한 시스템으로 발전시키려고 한다. 오늘날 움직이는 부품의 장기적인 마모와 특수 재료의 비용에 대한 우려가 있다. 연구 팀은 저가 알루미늄 이은을 대체할 수 있는지 검토할 것이고 기계적이 아닌 화학적으로 모드를 전환할 수 있는 새로운 버전을 연구하고 있다.

많은 장애에도 불구하고 연구 팀은 이 기술이 미래에 에너지를 대폭 절감할 수 있을 것으로 믿고 있다. 이들은 이 기술을 적용할 이상적인 지역을 선택하기 위해 이미 한 기업과 협력하고 있다.

미국을 비롯한 상당 수의 선진국들이 봄에서 겨울까지 거의 모든 기후대에 적용되기 때문에 시기에 맞는 냉난방이 모두 필요하다. 따라서 이 새로운 듀얼 모드 발명이 장점은 전 지구적으로 환경에 매우 의미심장할 것이 분명하다.

- Nature Communications, November 30, 2020, “Integration of Daytime Radiative Cooling and Solar Heating for Year-Round Energy Saving in Buildings,” by Xiuqiang Li, et al.  © 2020 Springer Nature Limited.  All rights reserved.

Integration of daytime radiative cooling and solar heating for year-round energy saving in buildings chr(124)_pipe Nature Communications

As recently explained in the journal Nature Communications, engineers at Duke University have demonstrated a dual-mode heating and cooling device for building climate control which, if widely deployed in the U.S., could cut HVAC energy use by nearly 20 percent.

The invention uses a combination of mechanics and materials science to either harness or expels certain wavelengths of light. Depending on conditions, rollers move a sheet back and forth to expose either heat-trapping materials on one half or cooling materials on the other. Specially designed at the nanoscale, one material absorbs the sun’s energy and traps existing heat, while the other reflects light and allows heat to escape through the Earth’s atmosphere and into space.

This is the first demonstration of a reversible thermal contact, which allows users to switch between the two modes for heating or cooling. This allows the material to be movable while still maintaining good thermal contact with the building to either bring the heat in or let heat out.

About 15 percent of energy consumption in the U.S., and more than 30 percent globally, is for the heating and cooling of buildings. This activity is responsible for about 10 percent of global greenhouse gas emissions. Yet, up to now, most approaches to minimize the carbon footprint have only addressed either heating or cooling. That leaves the world’s temperate climate zones that require both heating and cooling out in the cold.  The new device could keep the user either warm or cool as the weather changes.

The specially designed sheet contains a polymer composite as the base which can be expanded or contracted by running electricity through it. This allows the device to maintain contact with the building for transmitting energy while still being able to disengage so that the rollers can switch between modes.

The cooling portion of the sheet has an ultra-thin silver film covered by an even thinner layer of clear silicone, which together reflect the sun’s rays like a mirror.  The unique properties of these materials also convert energy into mid-range infrared light and emit it. The mid-range infrared light does not interact with the gasses in the Earth’s atmosphere and easily passes into outer space.

When a change in weather brings the need for heating, the electrical charge releases, and the rollers pull the sheet along a track. This swaps the cooling, reflective half of the sheet for the heat-absorbing half.

To heat the building beneath, the engineers used an ultra-thin layer of copper-topped by a layer of zinc-copper nanoparticles. Because the nanoparticles are a specific size and are spaced a certain distance apart, they interact with the copper beneath them in a way that traps light onto their surface, allowing the material to absorb more than 93 percent of the sunlight’s heat.

The Duke team sees the device as something that could enhance existing HVAC systems, rather than fully replace them. Instead of directly heating and cooling the building, engineers could use a water panel to take hot or cold water to a heat pump or boiler system. With additional engineering, this could also be used on walls, forming a sort of switchable building envelope.

Moving forward, the team wants to advance this from a prototype to a scalable system ready for manufacturing. Today, there are concerns about the long-term wear and tear on the moving parts and the costs of the specialized materials. The team will investigate whether lower-cost aluminum can substitute for the silver and they are working on a static version that can switch modes chemically rather than mechanically.

Despite the many obstacles, they believe this technology could be an energy-saving boon in the future. They’re already working with a company to determine the ideal locations for deploying this technology.  And because almost every climate zone in the United States requires both heating and cooling at some point throughout the year, the advantages of a dual-mode device such as this are obvious.

[References]