Всесезонное покрытие "умной крыши" сохраняет тепло в домах зимой и прохладу летом без использования природного газа или электричества, показало исследование, опубликованное в журнале Science.
По словам исследователей, технология, называемая термоадаптивным радиационным покрытием, превзошла доступные в настоящее время коммерческие системы охлаждения крыш в плане экономии энергии в городах, представляющих 15 различных климатических зон на континентальной части Соединенных Штатов.
В ходе исследования он отражал около 75% солнечного света круглый год, при этом тепловое излучение составляло примерно 90% при температуре выше 77 градусов по Фаренгейту, выделяя тепло из дома в небо, показали данные.
В более прохладную погоду коэффициент тепловыделения покрытия автоматически переключается примерно на 20%, помогая удерживать тепло от поглощения солнечных лучей и обогрева помещений.
По словам исследователей, при установке радиационного покрытия, адаптированного к температуре, среднестатистическое домашнее хозяйство может ежегодно экономить до 10% потребляемой электроэнергии.
"Наше всесезонное покрытие крыши автоматически переключается с сохранения прохлады на тепло, в зависимости от температуры наружного воздуха", - сказал соавтор исследования Цзюньцяо Ву в пресс-релизе. "Это безэнергетическое, без выбросов кондиционирование воздуха и отопление, все в одном устройстве, - сказал Ву, профессор материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли.
Доступные в настоящее время системы прохладной крыши, такие как отражающие покрытия, мембраны, черепица или черепица, имеют светлые или более темные поверхности, которые охлаждают дома, отражая солнечный свет.
По словам исследователей, эти системы также излучают часть поглощенного солнечного тепла в виде теплового инфракрасного излучения в рамках естественного процесса, называемого радиационным охлаждением.
Однако многие из этих систем с прохладной крышей продолжают излучать тепло зимой, что увеличивает расходы на отопление, сказали они.
Термоадаптивное излучающее покрытие предназначено для создания экономии энергии за счет автоматического отключения радиационного охлаждения зимой, преодолевая проблему переохлаждения, по мнению исследователей.
Покрытие изготовлено из диоксида ванадия, материала, который ведет себя как металл в ответ на электричество, то есть проводит его, но действует как изолятор для тепла.
Ниже 153 градусов по Фаренгейту диоксид ванадия также прозрачен и, следовательно, не поглощает тепловое инфракрасное излучение.
Однако, по словам исследователей, при превышении этой температуры он переходит в металлическое состояние, становясь поглотителем теплового инфракрасного света.
Эта способность переключаться с одной фазы на другую характерна для так называемого материала с фазовым переходом. По их словам, Ву и его коллеги смогли снизить порог изменения фазы до 77 градусов по Фаренгейту, что является более распространенной температурой в реальном мире, добавив вольфрам.
Объединив диоксид ванадия с металлическим вольфрамом, процесс, называемый "легированием", исследователи смогли создать верхний слой - покрытие - для кровельной системы, которая также включает отражающий нижний слой, изготовленный из серебра, и прозрачный средний слой, состоящий из фторида бария.
Этот верхний слой, термоадаптивное излучающее покрытие, "выглядит как скотч и может быть прикреплен к твердой поверхности, такой как крыша", - сказал Ву.
В рамках этого исследования исследователи провели эксперимент на крыше дома Ву в Ист-Бэй прошлым летом, чтобы продемонстрировать эффективность технологии в реальных условиях.
Беспроводное измерительное устройство, установленное на балконе Ву, непрерывно регистрировало реакцию на изменения прямых солнечных лучей и температуры наружного воздуха с помощью системы крыши с адаптивным к температуре радиационным покрытием и коммерчески доступного продукта в течение нескольких дней.
Затем исследователи использовали данные эксперимента на открытом воздухе, чтобы смоделировать, как адаптивное к температуре радиационное покрытие будет работать круглый год в 15 городах или климатических зонах по всей стране, сказали они.
Кроме того, используя набор из более чем 100 000 моделей энергетического моделирования зданий, исследователи предсказали ежегодную экономию энергии, обеспечиваемую адаптивным к температуре излучающим покрытием, благодаря его способности снижать потребность как в энергии охлаждения летом, так и в энергии нагрева зимой.
Данные показали, что покрытие превзошло существующие кровельные покрытия по энергосбережению в 12 из 15 климатических зон.
Это было наиболее эффективно в регионах с большими колебаниями температуры между днем и ночью, таких как район залива Сан-Франциско, или между зимой и летом, таких как Нью-Йорк.
Исследователи планируют разработать прототипы радиационного покрытия, адаптированного к температуре, в более широком масштабе, чтобы в дальнейшем проверить его эффективность в качестве практического покрытия для кровли.
По мнению исследователей, он также может иметь потенциал в качестве термозащитного покрытия для продления срока службы батареи смартфонов и ноутбуков, а также защиты спутников и автомобилей от экстремально высоких или низких температур.
По словам исследователей, его также можно использовать для изготовления терморегулирующей ткани для палаток, покрытий теплиц и даже шляп и курток.
"Простая физика предсказала, что радиационное покрытие, адаптированное к температуре, будет работать, но мы были удивлены, что оно будет работать так хорошо", - сказал Ву. "Изначально мы думали, что переход от потепления к охлаждению не будет таким драматичным [но] наши симуляции, эксперименты на открытом воздухе и лабораторные эксперименты доказали обратное", - сказал он.
Источник по ссылке: http://ccl.su/AvnS