Вчені розробили пасивний механізм для охолодження будівель влітку та зігрівання взимку

Дослідники розробили механізм пасивної терморегуляції з використанням звичайних матеріалів, які вибірково керують теплом, що випромінюється, забезпечуючи стійкий спосіб значного підвищення енергоефективності та комфорту будівлі. Інженери Прінстона та Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі розробили пасивний механізм для охолодження будівель влітку та обігріву взимку.

У статті, нещодавно опублікованій у журналі Cell Reports Physical Science, вони повідомляють, що, обмежуючи потоки променистого тепла між будівлями та їх навколишнім середовищем певними довжинами хвиль, покриття, створені зі звичайних матеріалів, можуть досягти економії енергії та теплового комфорту, що виходить за рамки традиційних огороджувальних конструкцій будівель. досягти.

«Зі зростанням глобальних температур підтримка придатних для проживання будівель стала глобальною проблемою», — сказав дослідник Джотирмой Мандал, доцент кафедри цивільної та екологічної інженерії в Прінстоні. «Будівлі обмінюються більшою частиною тепла з навколишнім середовищем у вигляді випромінювання, і, адаптуючи оптичні властивості їхніх оболонок, щоб використовувати те, як радіація поводиться в нашому середовищі, ми можемо контролювати тепло в будівлях новими та ефективними способами».

Історичні та сучасні методи охолодження

Променеве тепло, яке переноситься електромагнітними хвилями, є всюдисущим – ми відчуваємо його, коли сонячне світло зігріває нашу шкіру або коли електрична спіраль нагріває кімнату. Регулювання температури будівлі шляхом контролю радіаційного тепла є звичайною практикою. У більшості будівель використовуються віконні штори, щоб блокувати сонячне світло, а багато фарбують дахи та стіни в білий колір, щоб відбивати сонце.

«Якщо ми подивимося на такі історичні міста, як Санторіні в Греції чи Джодхпур в Індії, ми виявимо, що охолодження будівель шляхом відбиття дахів і стін сонячного світла практикувалося століттями», — сказав дослідник Асват Раман, доцент кафедри матеріалознавства та інженерії в UCLA. . «Останніми роками спостерігається величезний інтерес до прохолодних покриттів для дахів, які відбивають сонячне світло. Але охолодження стін і вікон є набагато тоншим і складнішим завданням».

Дахи зазвичай мають відкритий вид на небо. Це дозволяє прохолодним даховим покриттям відбивати сонячне світло та випромінювати довгохвильове тепло вгору та, зрештою, у космос. Стіни та вікна, навпаки, здебільшого мають вид на землю та сусідні будівлі. Під час спекотної погоди вони зігріваються теплом, що випромінюється від спекотних вулиць, тротуарів і прилеглих будівель, які видно. Це означає, що навіть якщо стіни та вікна випромінюють тепло до неба, вони ще більше нагріваються землею. У холодну погоду земне середовище стає холоднішим, відбираючи тепло від стін і вікон.

Дослідники зрозуміли, що шлях вирішення цієї проблеми полягає в тому, як тепло переміщується між будівлями та територією на рівні землі та між будівлями та небом. Променеве тепло рухається від будівель до неба у вузькій частині інфрачервоного спектра, відомому як атмосферне вікно пропускання, тому дослідники називають це вузькосмуговим. На рівні землі променисте тепло переміщується по всьому інфрачервоному спектру, і дослідники називають це широкосмуговим.

«Покриваючи стіни та вікна матеріалами, які тільки випромінюють або поглинають тепло в атмосферному вікні, ми можемо зменшити широкосмугове надходження тепла від землі влітку та втрати взимку, зберігаючи охолоджуючий ефект неба. Ми вважаємо, що ця ідея є безпрецедентною і перевершує те, що можна досягти традиційними даховими та стіновими огородженнями». Мандал зазначив.

Матеріальні інновації та майбутній потенціал

Вплив результатів є значним з двох важливих причин. По-перше, у статті дослідники показують, що багато звичайних і недорогих будівельних матеріалів випромінюють тепло у вузькій смузі та блокують широкосмугове тепло. Такий матеріал, як полівінілфторид, який уже використовується як матеріал для сайдингу, можна адаптувати для цієї мети, як і навіть більш звичайний пластик.

«Ми були дуже схвильовані, коли виявили, що такі матеріали, як поліпропілен, який ми одержували з побутової пластмаси, вибірково випромінюють або поглинають тепло в атмосферному вікні», — зазначив Раман. «Ці матеріали межують із повсякденністю, але та сама масштабованість, яка робить їх поширеними, також означає, що ми можемо бачити їх терморегуляторами будівель у найближчому майбутньому».

Друга причина для оптимізму полягає в тому, що потенційний енергетичний вплив у масштабі будівлі є значним. Дослідники відзначили, що сезонна економія енергії за допомогою їх механізму порівнянна з перевагами фарбування темних дахів у білий колір. Це може бути корисним, оскільки витрати на кондиціонування повітря та кількість жертв, пов’язаних зі спекою, продовжують стрімко зростати в усьому світі. Мандал і Раман планують продовжити ці дослідження й надалі.«Запропонований нами механізм є повністю пасивним, що робить його стійким способом охолодження та обігріву будівель у відповідності до сезону та забезпечує невикористану економію енергії». Мандал нотатки. «Насправді переваги механізмів і матеріалів, які ми показуємо, найбільші для будівель на півдні планети. Таким чином, це може бути більш справедливим рішенням для громад з бідними ресурсами, навіть більше, оскільки вони спостерігають зростаючі потреби в охолодженні та смертність, пов’язану зі спекою».