A passive solar heater-refrigerator

Summary In this paper we study the nonequilibrium thermodynamic steady-state behaviour of a model system representing a core surrounded by an envelope in which the envelope interacts with the solar radiation and with an external bath having a given temperature profile. The heat flow between core and envelope can be controlled by varying the thermal conductivity of their interface. We show that this system acts as a passive heat pump raising the core average temperature with respect to the average equilibrium value corresponding to a fixed value of the interface conductivity, at the same time flattening its oscillation in time. By changing the time dependence of the conductivity the systemvice versa acts as a refrigerator. We show how the limits of this performance depend on the passive parameters such as surfaces, conductivities, heat capacities. The periodicity considered in this study is the daily cycle.

---

Riassunto In questo lavoro si studia lo stato stazionario di non equilibrio termodinamico per un sistema che rappresenta modellisticamente un corpo circondato da un involucro; questo interagisce con la radiazione solare e con un bagno termico esterno caratterizzato da una temperatura che dipende dal tempo in modo prefissato. Il flusso di calore fra l'interno e l'involucro è controllato variando la conducibilità termica dell'interfaccia. Noi mostriamo che questo sistema funziona come una pompa di calore passiva, cioè innalza la temperatura media dell'interno rispetto a quella che si avrebbe nel caso di conducibilità fissa e, allo stesso tempo, riduce le oscillazioni di codesta temperatura. Semplicemente cambiando la dipendenza oraria del controllo, il sistema funziona come un frigorifero. Si mostra in che modo tale effetto dipenda dai parametri passivi che sono le superfici, i calori specifici, la conducibilità. Consideriamo in questo studio il ciclo giornaliero.

---

Резюме В этой работе мы исследуем неравновесное термодинамическое стационарное поведение модельной системы, представляющей ядро, окруженное оболочкой, которая взаимодействует с солнечным излучением и с внешним термостатом, имейщим заданный профиль температур. Поток тепла между ядром и оболочкой можно контролировать посредством изменения теплопровдности их границы раздела. Мы покзываем, что эта система действует, как пассивный тепловой насос, поднимающий среднюю температуру ядра относительно средней равновесной величины, соответствующей фиксировчнной величине теплопроводности границе раздела, и в то же время сглаживающий осцилляции температуры во времени. Изменяя временную зависимость теплопроводности, описанная система может действовать как холодильник. Мы показываем, как указанный эффект зависит от таких пассивных параметров, как поверхности, проводимости, теплоемкости. Периодичность рассмотренной системы представляет суточный цикл.