Ilmuwan Princeton Kembangkan Mekanisme Pasif untuk Mendinginkan Bangunan di Musim Panas dan Menghangatkannya di Musim Dingin

Peneliti Princeton dan UCLA telah menciptakan teknologi kontrol iklim pasif baru menggunakan pelapis rekayasa yang mengatur perpindahan panas melalui panjang gelombang tertentu, yang berpotensi menawarkan penghematan energi yang substansial dan meningkatkan kenyamanan dalam bangunan, terutama di wilayah yang kurang makmur. Gambar termal menunjukkan panas yang terpancar dari sebuah bangunan. Kredit: Mandal et al/Universitas Princeton

Para peneliti telah merancang mekanisme pengaturan termal pasif menggunakan materials umum yang secara selektif mengelola panas radiasi, menyediakan cara berkelanjutan untuk meningkatkan efisiensi energi dan kenyamanan bangunan secara signifikan.

Insinyur di Princeton dan UCLA telah mengembangkan mekanisme pasif untuk mendinginkan bangunan di musim panas dan menghangatkannya di musim dingin.

Dalam sebuah artikel yang baru-baru ini diterbitkan di jurnal Laporan Sel Ilmu fisikamereka melaporkan bahwa dengan membatasi aliran panas radiasi antara bangunan dan lingkungannya ke panjang gelombang tertentu, pelapis yang direkayasa dari bahan umum dapat mencapai penghematan energi dan kenyamanan termal yang melampaui apa yang dapat dicapai oleh selubung bangunan tradisional.

“Dengan meningkatnya suhu international, menjaga bangunan layak huni telah menjadi tantangan international,” kata peneliti Jyotirmoy Mandal, asisten profesor Teknik Sipil dan Lingkungan di Princeton. “Bangunan menukar sebagian besar panas dengan lingkungannya sebagai radiasi, dan dengan menyesuaikan sifat optik selubungnya untuk memanfaatkan perilaku radiasi di lingkungan kita, kita dapat mengendalikan panas di dalam bangunan dengan cara yang baru dan berdampak.”

Teknik Pendinginan Historis dan Saat Ini

Panas yang dipancarkan oleh gelombang elektromagnetik ada di mana-mana – kita merasakannya saat sinar matahari menghangatkan kulit kita, atau saat kumparan listrik memanaskan ruangan. Mengatur suhu bangunan dengan mengendalikan panas yang dipancarkan merupakan praktik umum. Sebagian besar bangunan menggunakan penutup jendela untuk menghalangi sinar matahari, dan banyak yang mengecat atap dan dinding dengan warna putih untuk memantulkan sinar matahari.

“Jika kita melihat kota-kota bersejarah seperti Santorini di Yunani atau Jodhpur di India, kita menemukan bahwa pendinginan bangunan dengan membuat atap dan dinding memantulkan sinar matahari telah dilakukan selama berabad-abad,” kata peneliti Aaswath Raman, seorang profesor madya Ilmu Materials dan Teknik di Universitas California, California“Dalam beberapa tahun terakhir, ada minat besar pada pelapis atap dingin yang memantulkan sinar matahari. Namun, mendinginkan dinding dan jendela merupakan tantangan yang jauh lebih rumit dan rumit.”

Citra termal dinding dan atap bangunan. Kredit: Mandal et. al./Universitas Princeton

Atap biasanya memiliki pemandangan langit yang terbuka. Hal ini memungkinkan lapisan atap yang dingin memantulkan sinar matahari dan memancarkan panas gelombang panjang ke langit dan akhirnya ke luar angkasa. Di sisi lain, dinding dan jendela sebagian besar memiliki pemandangan tanah dan bangunan di sekitarnya. Selama cuaca panas, dinding dan jendela dihangatkan oleh panas yang terpancar dari jalan, trotoar, dan bangunan di dekatnya yang panas. Ini berarti bahwa meskipun dinding dan jendela memancarkan panas ke langit, keduanya dipanaskan lebih banyak oleh bumi. Selama cuaca dingin, lingkungan terestrial menjadi lebih dingin, sehingga panas terkuras dari dinding dan jendela.

Para peneliti menyadari bahwa cara mengatasi masalah ini terletak pada perbedaan cara perpindahan panas antara bangunan dan space di permukaan tanah dan cara perpindahannya antara bangunan dan langit. Panas yang terpancar bergerak dari bangunan ke langit dalam bagian sempit spektrum inframerah yang dikenal sebagai jendela transmisi atmosfer, sehingga para peneliti menyebutnya pita sempit. Di permukaan tanah, panas yang terpancar bergerak melintasi seluruh spektrum inframerah, dan para peneliti menyebutnya pita lebar.

“Dengan melapisi dinding dan jendela dengan bahan yang hanya memancarkan atau menyerap panas di jendela atmosfer, kita dapat mengurangi perolehan panas pita lebar dari tanah di musim panas, dan kehilangannya di musim dingin, sambil mempertahankan efek pendinginan dari langit. Kami yakin bahwa ide ini belum pernah ada sebelumnya, dan melampaui apa yang dapat dicapai oleh atap dan selubung dinding tradisional.” Mandal mencatat.

Inovasi Materials dan Potensi Masa Depan

Dampak temuan ini signifikan karena dua alasan penting. Pertama, para peneliti menunjukkan dalam artikel tersebut bahwa banyak bahan bangunan yang umum dan murah memancarkan panas dalam pita sempit dan menghalangi panas pita lebar. Bahan seperti polivinil fluorida, yang sudah digunakan sebagai bahan pelapis dinding, dapat disesuaikan untuk tujuan tersebut, seperti halnya plastik yang lebih umum.

“Kami sangat gembira saat menemukan bahwa materials seperti Polipropilena, yang kami dapatkan dari plastik rumah tangga, secara selektif memancarkan atau menyerap panas di jendela atmosfer,” kata Raman. “Materials-material ini hampir biasa saja, tetapi skalabilitas yang membuatnya umum juga berarti bahwa kita dapat melihatnya sebagai pengatur suhu bangunan dalam waktu dekat.”

Alasan kedua untuk optimis adalah bahwa dampak energi potensial pada skala bangunan cukup besar. Para peneliti mencatat bahwa penghematan energi musiman dengan mekanisme mereka sebanding dengan manfaat mengecat atap gelap menjadi putih. Ini dapat berguna karena biaya pendingin udara dan korban terkait panas terus melonjak di seluruh dunia. Mandal dan Raman berencana untuk melanjutkan penelitian ini lebih lanjut.

“Mekanisme yang kami usulkan sepenuhnya pasif, yang menjadikannya cara berkelanjutan untuk mendinginkan dan memanaskan bangunan sesuai musim dan menghasilkan penghematan energi yang belum dimanfaatkan.” Mandal mencatat. “Faktanya, manfaat mekanisme dan materials yang kami tunjukkan paling tinggi untuk bangunan di belahan bumi selatan. Jadi, ini bisa menjadi solusi yang lebih adil di masyarakat miskin sumber daya, terlebih lagi karena mereka melihat peningkatan permintaan pendinginan dan kematian akibat panas.”

Referensi: “Pendinginan radiatif dan termoregulasi dalam cahaya bumi” oleh Jyotirmoy Mandal, Jyothis Anand, Sagar Mandal, John Brewer, Arvind Ramachandran dan Aaswath P. Raman, 27 Juni 2024, Laporan Sel Ilmu Fisika.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102065

Dukungan untuk proyek ini diberikan sebagian oleh Schmidt Science Fellowship, Alfred P. Sloan Basis, dan Nationwide Science Basis.