Терморегулирование не только играет жизненно важную роль в комфорте и здоровье человека, но и вносит значительный вклад в потребление энергии. Только на отопление и охлаждение зданий приходится 10% общего энергопотребления в мире. Ожидается, что высокий уровень энергопотребления и сопутствующие экологические последствия, т.е. выбросы сильнодействующих газов, вызывающих глобальное потепление, будут возрастать по мере роста экономики. Системы климат-контроля широко используются для достижения теплового комфорта в электромобилях. Но при неблагоприятных погодных условиях они могут потреблять до 40% энергии аккумулятора, что относится к основным препятствиям на пути к достижению больших расстояний.
Постоянные усилия по снижению энергопотребления систем климат-контроля направлены на разработку эффективных технологий терморегулирования. Однако значительное количество энергии тратится впустую традиционными системами, поскольку они обогревают или охлаждают целые здания и транспортные средства, хотя их обитатели занимают лишь небольшое пространство. Кроме того, сложно установить температуру здания или транспортного средства для обеспечения теплового комфорта всех присутствующих. Помимо влияния на энергоэффективность зданий и тепловых систем транспортных средств, существует также огромный интерес к достижению оптимального теплового комфорта, например, в спорте, армии, специальных и медицинских учреждениях.
Терморегулирующие устройства.
В последнее время растет интерес к персональным терморегулирующим устройствам, которые могут обеспечить точную тепловую дозу в целевых точках на человека. Следовательно, они могут уменьшить объем нагрева или охлаждения на порядок по сравнению с тепловыми оболочками зданий и автомобилей. Традиционная система отопления и охлаждения имеет преимущество в покрытии больших площадей, что подходит для применения в крупных зданиях с большим количеством людей, или когда температура окружающей среды значительно отличается от температуры теплового комфорта.
Плюсы терморегулирующих устройств:
- Персонализированное регулирование температуры как внутри, так и вне помещений используется для целей энергоэффективности, когда небольшое количество людей, кому нужно согреться или наоборот охладиться.
- Персональные терморегуляторы полезны для наружного отопления или охлаждения, когда централизованное отопление или кондиционирование воздуха недоступно.
- В частности, индивидуальные охлаждающие устройства могут найти применение для улучшения здоровья спортсменов и людей, занятых на открытом воздухе, которые могут подвергаться сильному воздействию тепла, теплового удара или ожогов.
- Эти устройства также могут быть использованы для лечения множественных симптомов и состояний, таких как жар, ожог раны и неврологические расстройства.
- Применение индивидуальных терморегуляторов в вооруженных силах имеет большой потенциал. Эти устройства не только смогут обеспечить тепловую защиту, но и смогут скрыть человека от инфракрасного обнаружения.
Примером таких персональных терморегуляторов может служить нагревательная одежда, в которой используется подогрев джоулей, например, металлические сетки из нанопроволоки. Однако разработка изделий с активным охлаждением намного сложнее и еще не изучена, так как большинство современных охлаждающих устройств громоздки и трудны для интеграции в одежду.
Например, имеющиеся в продаже охлаждающие жилеты содержат громоздкие каналы для циркуляции охлаждающей жидкости или пакеты со льдом, а мощность их охлаждения не регулируется. Учитывая эти недостатки индивидуальных систем охлаждения, текущие исследования сосредоточены в основном на твердотельных технологиях, таких как термоэлектрические охлаждающие системы. Тем не менее, несмотря на обширные исследования на уровне материалов, износостойкие устройства с высокой охлаждающей способностью еще только предстоит продемонстрировать. Активное охлаждение было получено в миниатюрных электроконтактных устройствах с высоким напряжением (~10 кВ), однако падение температуры оставалось небольшим (1,4°C).
Термоэлектрический жилет.
Термоэлектрические устройства привлекательны для персонализированного охлаждения, поскольку они имеют легко настраиваемые мощности охлаждения. Несмотря на то, что проделана серьезная работа по созданию гибких светодиодов для износостойких применений, большинство этих устройств обеспечили получение энергии только за счет использования тепла тела или показали ограниченный эффект охлаждения с помощью громоздких теплоотводов (таких как водяные гели или вентиляторы) Хотя для охлаждения могут использоваться износостойкие электрогенераторы, требования к активному охлаждению, т.е. перекачиванию тепла с холодной стороны на горячую, более строгие. В принципе, устройства должны иметь высокие эксплуатационные характеристики и подходящую тепловую конструкцию.
Терморегулирование оказывает существенное влияние на потребление энергии, комфорт и здоровье человека. Недавно продемонстрировали износостойкое термоэлектрическое устройство, которое может обеспечить эффект охлаждения более 10°C с высоким коэффициентом полезного действия (COP > 1,5).
Благодаря новой конструкции двойных эластомерных слоев и высокопрочных стоек из полиэтилена, эта система первой достигла длительного активного охлаждения с высокой гибкостью. Ее также интегрировали в одежду, которую можно носить, с длительным энергосберегающим эффектом охлаждения и нагрева кожи человека: Одежда поддерживала температуру кожи на уровне 32°C, в то время как окружающая температура колебалась в диапазоне от 22° до 36°С.
Наконец, продемонстрировали полностью гибкий персонализированный пакет терморегуляции, интегрировав гибкий блок батарей в одежду. Эта гибкая и высокопроизводительная конструкция может проложить путь к индивидуальному охлаждению с преимуществами значительной экономии энергии и повышенного теплового комфорта.