호주 시드니 재료 과학자들은 시원한 지붕 기술이 호주의 한 여름 기후 조건에서 조차 대기 온도보다 더 시원한 상태로 유지시킬 수 있도록 개발된 표면을 가지는 시원한 지붕 기술(cool roof technology)의 혁신을 이루었다고 밝혔다. 이 개발은 도시 지역에 열 부하를 감축하는데 중요한 의의를 가지며, 결과적으로 온실가스 배출을 줄이고 에너지 사용을 삭감한다고 동 연구진은 밝혔다. 관련 연구는 Advanced Science 저널에 발표됐다.
시드니 기술 대학(University of Technology Sydney) 소속의 Angus Gentle과 Geoff Smith 교수가 수행한 이 연구는 은 층 위에 특별하게 선택된 폴리에스테르(polyester)의 조합으로 이루어졌으며, 코팅된 고분자 적층(coated polymer stack)이라고 연구진은 보고했다. 연구진은 한여름 기후 조건 하에서도 대기 온도보다 더 시원한 지붕을 어떻게 만드는지 처음으로 증명했다고 Smith 교수는 밝혔다.
지붕은 일광을 흡수하여 온도가 올라가고, 따라서 보다 더 어두운 색상의 지붕은 매우 뜨거운 상태가 된다. 하얀색 지붕은 9~12℃까지 가열하는 데 충분한 일광을 흡수한다.
그러나 연구진이 개발한 새로운 표면은 기존의 최신 하얀색 지붕보다 더 시원하거나 약 11℃로 유지했다. 이러한 온도를 유지한 이유는 입사되는 일광의 단 3%만을 흡수하는 동시에 대기에 의해서 흡수되지 않는 적외선 파장에서 강력한 발산을 나타내기 때문이다. 게다가 증명을 위하여 사용된 플라스틱 재료는 상업적으로 이용될 수 있으며, 기본적인 지붕 재료에 적합할 가능성이 있다.
만약 표면이 집중적인 일광 아래 있으며, 따뜻한 공기가 개방되어 있다면, 대기 아래로 기온을 냉각시키는 것은 달성하기 어려운 목표가 된다. 기술적 목표는 기존 시원한 지붕을 능가하는 단열 성능(thermal performance)을 가지는 과냉각 지붕(super-cool roof)이다. 일광과 적외선 파장에서 엄격한 스펙트럼 요건이 필요하고, 이러한 요건을 충족하기 위하여 적합한 코팅 재료와 층 구조의 선택이 필요하다.
은(silver)을 제외하고, 금속만으로는 필요한 96% 이상의 일사 반사율(solar reflectance) 수준을 공급할 수 없고, 일반적인 금속의 열 발산도(thermal emittance)는 냉각하는데 훨씬 낮은 수준이다.
매우 낮은 일사 흡수율(solar absorptance)을 가지는 유리 또는 고분자 재료 아래 은을 배치하는 것이 우수한 냉각을 가능하게 할 수 있다. 그러나 PMMA와 대부분의 유리와 같은 선택 사항은 너무 많은 태양 복사를 흡수한다. PET를 포함한 다양한 폴리에스테르와 저철분 유리(low iron glass)는 얇은 경우 태양 에너지를 거의 흡수하지 않지만, 적외선 스펙트럼 반응(IR spectral response)은 지붕을 냉각시키는 데 이상적이지 않다.
만약 열 방출 밴드에서 적외선 스펙트럼 반응이 화창한 하늘 조건과 매우 높은 흡수율에 따라서 유입되는 복사가 거의 없는 스카이 윈도우(ky window)라고 불리는 7.9 μm < λ < 14 μm 범위에서 배출되는 조건 하에서 대기가 지구로 방사되는 파장에서 완만한 반사율의 혼합이 관여한다면, 냉각이 강화될 수 있다. 과냉각 표면(Super-cool surfaces)은 일광 반사와 100%에 가까운 스카이 윈도우 흡수를 필요로 한다.
IR 반사율과 하강류 대기 복사 밴드에서 흡수의 혼합은 지붕온도에서 열 산출에 영향을 끼치는 전체적인 열 발산도의 수치를 결정하는 스카이 윈도우와 함께 덜 엄격했다. 이러한 발산도는 중요한 실용적인 고려이다. 경제적인 선택은 흡수된 하강류 대기 복사의 기여가 포함된다.
연구진은 일광과 적외선의 바람직한 결합이 은 층위에 두 가지 또는 그 이상 특별하게 선택된 폴리에스테르를 이용하여 충족될 수 있다고 결론지었다. 두께와 IR 흡수는 유입되는 파장에서 완만한 투과율을 가지는 sky window의 약간 다른 부분에서 매우 강력해질 필요가 있다.
적합한 표면이 생성되어 외부에 설치됐다. 이 표면은 27°C에서 1060 W m−2의 강력한 일광 강도와 400 W m−2의 대기로부터 높은 IR 강도를 나타내는 한여름에도 대기 온도 이하로 유지됐다.
시원한 지붕은 도시와 마을에서 유발되고 있는 도시 열섬 문제의 심각성을 완화시키고, 수많은 에어컨 운영으로부터 야기되는 최대 동력 수요를 제거하는 데 도움을 준다고 Smith 교수는 밝혔다.
시원한 지붕으로부터 부가되는 피드백 이득은 아직까지 광범위하게 인정되지 않았지만, 최근 보고는 상당하다는 것을 보여주었다. 보고된 사례에는 공기를 더 시원하게 해주는 통풍과 지붕 상단 에어컨 설치의 성능을 보다 더 높여주는 것 등이 포함된다.
테스트 지붕은 그늘이 없고 하늘이 잘 보이는 시드니 공과대학 과학관 상층에 있는 복잡한 Harris St 위에 배치됐다. 먼지와 때가 구축된 영향을 평가하기 위하여 오염된 실외 여름 환경에 며칠 동안 배치됐던 표면과 보호되지 않은 새로운 표면에 대한 자료가 수집됐다.
전 세계 인구의 상당수는 따뜻한 기후에서 살고 있다. 지붕을 시원한 상태로 유지하는 것은 에너지를 절감하고, 여름철 건물 내부를 안락하게 해준다. 만약 지역 내에서 충분한 지붕이 지역 기후보다 시원하게 유지될 수 있다면, 긍정적이 영향을 끼칠 수 있다고 그는 밝혔다.
그림1> 테스트에 사용된 기존 시원한 지붕과 새로운 표면(중앙) 사이에 온도 차이를 보여주는 적외선 이미지
Sydney materials scientists are claiming a breakthrough in cool roof technology with a surface they've developed that will stay cooler than the ambient air temperature, even under the mid-summer Australian sun.
The development, with major implications for reducing the heat load in urban areas and consequently cutting energy use and
greenhouse gas emissions, is reported in the latest edition of the journal
Advanced Science.
The study by Dr Angus Gentle and Emeritus Professor Geoff Smith from the University of Technology Sydney has reported results from a "coated polymer stack" – a combination of specially chosen polyesters on a silver layer.
"We demonstrate for the first time how to make a roof colder than the
air temperature around it, even under the most intense summer conditions," Professor Smith said.
"Roofs heat up by absorbing sunlight, so darker roofs can get very hot. Even white roofs still absorb enough sunlight to warm up by 9 degrees Celsius to 12 degrees Celsius.
"This new surface, however, stayed 11 degrees or more colder than an existing state-of-the-art white roof nearby because it absorbs only 3 per cent of incident sunlight while simultaneously strongly radiating heat at infrared wavelengths that are not absorbed by the atmosphere.
"Furthermore the plastic materials used for the demonstration were available commercially and potentially suited to use on basic roofing."
Professor Smith said that cooling a roof below ambient air temperature had up until now been "an elusive target".
"Cool roofing reduces the severity of the urban heat island problem in towns and cities and helps eliminate peak power demand problems from the operation of many air conditioners," he said.
"The added feedback benefits from cool roofs are not yet widely appreciated, but recent reports have shown they are substantial. Examples include ventilation with cooler air and higher performance of rooftop air-conditioning installations."
The test roof was placed above busy Harris St on top of the UTS Faculty of Science building with a clear view of the sky and no shadowing.
Data was collected for an unprotected new surface and one aged over several days in a polluted outdoor summer environment for assessment of the impact of the build-up of dust and grime.
Professor Smith said the surface maintained its high performance in all conditions. "Extensive dew formation is inevitable for a super cool roof and dew drops precipitate dirt. This roof site being 25 metres above a busy city transit road was a stern test. Results show that excellent thermal performance can be maintained.
"Much of the world's population lives in warm climates. Keeping a
roof cool saves energy and makes building interiors comfortable in summer. If enough roofs in a precinct are kept cool then the local climate can also be beneficially influenced," he said.
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