Strategies for harnessing the maximum cold potential of a hybrid system for radiative cooling and solar collection

Abstract

La transformació i l’ús d’energies és essencial per al funcionament de les societats contemporànies. Però aquest ús va lligat, des de la Revolució Industrial, a emissions de gasos d’efecte hivernacle que han modificat el comportament del clima a nivell mundial; situació que s’ha conegut com a canvi climàtic. El nostre repte és el de construir societats capaces d’adaptar-se a aquests canvis a la vegada que en pal·lien els efectes o, si més no, no els empitjoren. Una de les estratègies d’adaptació passa per substituir les fonts d’energia, que encara avui són no-renovables, per fonts d’energia netes i renovables.

La tecnologia de refrigeració radiant, o radiative cooling, es presenta com una alternativa renovable per a la producció de fred per a la climatització d’espais. A més a més, investigacions prèvies han demostrat que, mitjançant un sol dispositiu, es pot produir fred i calor, en moments del dia diferents, aprofitant els fenòmens de refrigeració radiant i captació solar. Malgrat tot, la potència de producció de fred és considerablement baixa en comparació amb, per exemple, la producció de calor.

L’objectiu perseguit en aquesta tesi és el d’identificar estratègies que maximitzin el potencial de les tecnologies combinades de refrigeració radiant i captació solar. Al llarg de la tesi s’estudien tres estratègies consistents en: (1) la utilització de cobertes convectives que redueixin les pèrdues paràsites de convecció; (2) l’aprofitament del fred produït per refrigeració radiant per tal de millorar el rendiment de sistemes energètics convencionals, reduint el consum d’electricitat; i (3) la identificació de les regions europees on el potencial de producció de fred i calor és màxim.

La transformación y uso de la energía es esencial para el funcionamiento de las sociedades contemporáneas. Pero este uso va ligado, desde la Revolución Industrial, a emisiones de gases de efecto invernadero que han modificado el comportamiento del clima a nivel mundial; situación que se ha conocido como cambio climático. Nuestro reto es el de construir sociedades capaces de adaptarse a estos cambios a la vez que palian sus efectos o, al menos, no los empeoran. Una de las estrategias de adaptación pasa por sustituir las fuentes de energía, que todavía hoy son no renovables, por fuentes de energía limpias y renovables.

La tecnología de refrigeración radiante, o radiative cooling, se presenta como una alternativa renovable para la producción de frío para la climatización de espacios. Además, investigaciones previas han demostrado que, mediante un solo dispositivo, se puede producir frío y calor, en momentos del día distintos, aprovechando los fenómenos de refrigeración radiante y captación solar. Sin embargo, la potencia de producción de frío es considerablemente baja en comparación con, por ejemplo, la producción de calor.

El objetivo perseguido en esta tesis es el de identificar estrategias que maximicen el potencial de las tecnologías combinadas de refrigeración radiante y captación solar. A lo largo de la tesis se estudian tres estrategias consistentes en: (1) la utilización de cubiertas convectivas que reduzcan las pérdidas parásitas de convección; (2) el aprovechamiento del frío producido por refrigeración radiante para mejorar el rendimiento de sistemas energéticos convencionales, reduciendo el consumo de electricidad; y (3) la identificación de las regiones europeas donde el potencial de producción de frío y calor es máximo.

The transformation and use of energy is essential for the functioning of contemporary societies. But this use has been linked, since the Industrial Revolution, to greenhouse gas emissions that have changed the global climate behaviour; this situation is known as the climate change. Our challenge is to build societies that can adapt to these changes while mitigating their effects, or at least not worsening them. One of the adaptation strategies is to replace energy sources, which are still non-renewable, with clean and renewable energy sources.

Radiative cooling technology is presented as a renewable alternative for the production of cold for space conditioning. In addition, previous research has shown that, using a single device, cold and heat can be produced at different times of the day, taking advantage of the phenomena of radiative cooling and solar heating. Nevertheless, the power of cold production is considerably low compared to, for example, heat production.

The aim of this thesis is to identify strategies that maximize the potential of combined radiative cooling and solar heating technologies. Throughout the thesis, three strategies are studied, consisting of: (1) the use of convective covers that reduce parasitic convection losses; (2) the use of cold produced by radiative cooling in order to improve the performance of conventional energy systems, reducing the consumption of electricity; and (3) the identification of the European regions where the potential for cold and heat production is maximized.