Stralingskoeling kan energieverbruik koelsystemen terugdringen

Een opvallend koelsysteem is onlangs getest door onderzoekers van de Amerikaanse Stanford Universiteit. Het gaat om een systeem dat thermische energie afgeeft aan de ruimte, waardoor zonder elektriciteit gekoeld kan worden. De onderzoekers hopen dat hun technologie kan helpen het energieverbruik van koelsystemen terug te dringen, wat ondermeer interessant kan zijn voor datacenters.

Het systeem maak gebruik van een fenomeen dat stralingskoeling (radiative sky cooling) wordt genoemd. Dit is een natuurlijk proces dat ondermeer zichtbaar op het moment dat een warme asfaltweg na zonsondergang afkoelt. Het fenomeen is vooral zichtbaar gedurende nachten zonder bewolking, aangezien warmte op deze momenten eenvoudiger door de atmosfeer van de aarde kan stijgen.

Warmte weg laten stromen

“Indien je iets hebt dat zeer koud is - zoals de ruimte - kan je hier warmte aan afgeven, wat het mogelijk maakt te koelen zonder elektriciteit of mankracht. De warmte stroomt gewoon weg”, zegt Shanhui Fan, hoogleraar elektrotechniek bij de Stanford Universiteit. “Voor deze reden is de hoeveelheid warmte die de aarde aan het universum afgeeft enorm.”

Al langer experimenteren de wetenschappers met het inzetten van dit natuurlijke fenomeen om thermische energie af te geven aan de ruimte. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een meerlaagse optische film die het mogelijk maakt 97% van het zonlicht te weerkaatsen en de thermische energie door de dampkring te sturen. Indien de warmte van de zon kan worden geblokkeerd, kan dit effect worden ingezet om water te koelen tot een temperatuur die enkele graden lager ligt dat de temperatuur van de omringende lucht.

Eerder experiment

In 2014 werd al geëxperimenteerd met kleine wafers van een oppervlakte van ongeveer 20 centimeter in diameter bedekt met meerlaagse optische film. Dit experiment toonde aan dat met behulp van deze technologie het oppervlakte zichzelf kan koelen. Fan werkt de technologie verder uit in samenwerking met voormalig onderzoeksstudenten Aaswath Raman en Eli Goldstein. Fan, Raman en Goldstein hebben hiervoor gezamenlijk de startup SkyCool Systems opgericht, dat zich als doel stelt de technologie uiteindelijk op de markt te brengen. In een nieuw experiment van SkyCool Systems hebben de onderzoekers deze technologie opgeschaald en ingezet als onderdeel van een groter koelsysteem.

Het drietal heeft tijdens hun meest recente experiment panelen van 60 centimeter breed die bedekt zijn met de meerlaagse optische film gebruikt. Door deze panelen stroomt water, dat met behulp van de technologie wordt gekoeld. Het systeem is in verschillende opstellingen getest, waarbij tot vier panelen gelijktijdig zijn ingezet. Door het water relatief snel door de panelen te laten stromen wisten de onderzoekers met behulp van de technologie consistent de temperatuur van het water in de panelen te koelen tot drie tot vijf graden Celsius onder de buitentemperatuur.

Energiebesparing tot 21% is mogelijk

De data die de onderzoekers met dit experiment hebben verzameld is vervolgens verwerkt in een simulatie, waarbij het dak van een kantoorpand in Las Vegas werd bedekt met dergelijke panelen, die verbonden zijn met een condensator. Hierbij is bewust gekozen voor Las Vegas, aangezien het systeem optimaal functioneert op een hete en droge locatie. In deze simulatie werd berekend hoeveel elektriciteit dit systeem kan besparen in vergelijking met een conventioneel koelsysteem op basis van een koudwateraggregaat. Hieruit blijkt dat een energiebesparing van 21% mogelijk moet zijn.

De onderzoekers willen hun technologie de komende tijd verder gaan testen en berekenen momenteel hoeveel energie de panelen kunnen besparen indien zij worden geïntegreerd in traditionele airconditioning en koelsystemen. Fan, Raman en Goldstein stellen optimistisch te zijn dat hun technologie in de komende jaren op brede schaal kan worden ingezet voor uiteenlopende koeltoepassingen. De onderzoekers richten zich momenteel op het integreren van hun panelen in standaard airconditioning- en koelsystemen. Fan, Raman en Goldstein melden expliciet de technologie in de toekomst in te kunnen zetten voor het koelen van datacenters.