PERFORMANCE-DRIVEN DESIGNS OF PASSIVE RADIATIVE COOLING SYSTEMS FOR SUB-AMBIENT TEMPERATURE ACHIEVEMENT. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF 202315910-Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 19 November 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

الطلب المتزايد على أنظمة التكييف عالية الاستهلاك للطاقة في المباني، والارتفاع المستمر في الأحمال الحرارية للأجهزة الإلكترونية الحديثة، يسلط الضوء على الحاجة الملحّة إلى تقنيات تبريد مستدامة وغير مستهلكة للطاقة (سلبية). ويُعَدّ التبريد الإشعاعي السلبي (RC) ، الذي يبدّد الحرارة مباشرةً إلى الفضاء الخارجي عبر نافذة الشفافية الجوية (8–13 ميكرومتر)، مسارًا واعدًا لتحقيق تبريد دون مستوى درجة حرارة الجو المحيط من دون استهلاك للكهرباء. ورغم أن معظم أبحاث RC ركّزت على ابتكارات المواد، إلا أن تحسين الأشكال الهندسية على مستوى النظام والتصميمات المعمارية ما زال مجالًا غير مستكشف بما يكفي. تُقدّم هذه الأطروحة تصميما وتصنيعا وتقييمًا تجريبيًا لبُنى جديدة في التبريد الإشعاعي، تجمع بين أشكال مختلفة للمشعات (مسطحة، متعرجة، وأسطوانية) وتكوينات عاكسة تشمل العاكس المخروطي والعاكس على شكل-V. تم تصنيع المشعات هذه باستخدام ركائز من الألمنيوم المطلية بمادة بوليدايميثيلسيلوكسان (PDMS: Polydimethylsiloxane) ، بينما طُوّرت العواكس من صفائح ألمنيوم مصقولة صُمّمت عبر عمليات تشكيل معدني مدعومة بالتصميم الحاسوبي (CAD) . وقد جرى اختبار هذه الأنظمة ميدانيًا في مدينة الظهران في المملكة العربية السعودية تحت ظروف مناخية واقعية عبر عدة ليالٍ وخلال دراسة استمرت شهرًا كاملًا. وتمت مراقبة تأثير عدة عوامل بيئية على الأداء بما في ذلك الرطوبة وتغطية الغيوم ودرجة الحرارة المحيطة. أظهرت النتائج أن جميع البُنى المقترحة حققت تبريدًا أقل من درجة حرارة الجو المحيط بشكل متسق، مع انخفاض ملحوظ في درجات الحرارة تراوح من 2 °م إلى 11 °م تحت درجة حرارة الجو المحيط. ووفّر العاكس المخروطي عوامل رؤية قريبة من الوحدة، مما عزّز الكفاءة الإشعاعية بشكل ملحوظ، في حين أظهرت المشعات المتعرجة أداءً مماثلًا للتصاميم المسطحة ولكن مع تقليل المساحة السطحية بحوالي 60%، مما يجعلها أكثر ضغطًا وعملية للتطبيقات المقيدة بالمساحة. وأكدت التجارب طويلة المدى استقرار الأداء، حيث بلغ متوسط التبريد الشهري 2–5 °م رغم ارتفاع درجات الحرارة الصيفية (~40 °م) وتفاوت مستويات الرطوبة (20–70%). وكانت هذه النتائج متوافقة بقوة مع التنبؤات النظرية والقيم المنشورة في الأدبيات. تُظهر هذه النتائج أن تحسين الأشكال الهندسية لا يقل أهمية عن تطوير المواد في تعزيز أداء التبريد الإشعاعي. ومن خلال ربط الابتكارات على مستوى المواد بالتصاميم الهندسية القابلة للتطبيق على نطاق واسع، تُسهم هذه الدراسة في تحقيق التبريد الإشعاعي السلبي عمليًا. كما أن التصاميم المقترحة توفر إمكانية لتقليل أحمال التبريد في المباني، وتقديم إدارة حرارية غير مستهلكة للطاقة في الأنظمة الإلكترونية المدمجة، مما يدعم الجهود العالمية نحو استدامة الطاقة والمرونة المناخية.

English Abstract

The growing demand for energy-intensive air conditioning in buildings and the increasing heat loads in modern electronic devices highlight the urgent need for sustainable, passive cooling technologies. Passive radiative cooling (RC), which dissipates heat directly to outer space through the atmospheric transparency window (8–13 μm), offers a promising pathway to achieve sub-ambient cooling without electricity input. While most RC research has focused on material innovations, system-level geometry and architectural optimization remain comparatively underexplored. This thesis presents the design, fabrication, and experimental evaluation of novel RC architectures combining different emitter geometries, flat, zigzag, and cylindrical, with reflector configurations including cone-shaped and V-shaped reflectors. Emitters were fabricated using polydimethylsiloxane (PDMS)-coated aluminum substrates, while reflectors were developed from polished aluminum sheets shaped through CAD-assisted sheet metal processes. The systems were tested outdoors in Dhahran, Saudi Arabia, under real climatic conditions across multiple nights and during a month-long study. Environmental parameters, including humidity, cloud cover, and ambient temperature, were monitored to assess their influence on performance. Results show that all proposed architectures achieved consistent sub-ambient cooling, with temperature reductions ranging from 2 °C to 11 °C below ambient. Cone-shaped reflectors provided near-unity view factors, significantly enhancing radiative efficiency, while zigzag emitters demonstrated performance comparable to flat designs but with ~60% reduced surface area, making them compact and practical for constrained applications. Long-term experiments confirmed stability, with a monthly average cooling of 3–5 °C despite high summer ambient temperatures (~40 °C) and humidity variations (20–70%). These results were in strong agreement with theoretical predictions and literature values. The findings demonstrate that geometric optimization is as critical as material development in improving RC performance. By bridging material-level advances with scalable system architectures, this work contributes to the practical realization of passive radiative cooling. The proposed designs offer potential for reducing building cooling loads and for providing silent, energy-free thermal management in compact electronic systems, advancing global efforts in sustainable energy and climate resilience.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Arshad, Hafiz Muhammad Ali
Committee Members:	Ahmed, Usama and Qureshi, Bilal Ahmed
Depositing User:	QAMAR ABBAS (g202315910)
Date Deposited:	30 Nov 2025 05:34
Last Modified:	30 Nov 2025 05:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143749