С ростом глобальных температур растет и спрос на устойчивые решения для охлаждения. Группа исследователей из Калифорнийского университета и их соавторы разработалиэкономически эффективный и масштабируемый метод охлаждения зданий летом и обогрева зимой.
Под руководством Аасвата Рамана, доцента материаловедения и инженерии в Школе инженерии Самуэли Калифорнийского университета, команда исследователей недавно опубликовала в журнале Cell Reports Physical Science исследование, в котором подробно описывается новый метод управления движением лучистого тепла через обычные строительные материалы для оптимизации управления тепловым режимом.
Лучистое тепло, которое ощущается всякий раз, когда горячая поверхность нагревает наши тела и дома, переносится электромагнитными волнами и распространяется во всем широкополосном спектре на уровне земли между зданиями и окружающей средой, такой как улицы и соседние строения. С другой стороны, тепло перемещается между зданиями и небом в гораздо более узкой части инфракрасного спектра, известной как атмосферное окно передачи.
Разница в том, как лучистое тепло перемещается между зданиями и небом по сравнению с землей, уже давно представляет собой проблему для охлаждения зданий с менее обращенными к небу поверхностями. Такие здания трудно охладить летом, так как они удерживают тепло от земли и соседних стен при высокой наружной температуре. Их также трудно согреть в зимнее время, поскольку наружная температура падает и здания теряют тепло.
«Если мы посмотрим на исторические города, такие как Санторини в Греции или Джодхпур в Индии, то обнаружим, что охлаждение зданий за счет того, что крыши и стены отражают солнечный свет, практиковалось на протяжении веков, — говорит Раман. — В последние годы наблюдается огромный интерес к покрытиям для крыш, отражающим солнечный свет. Но охлаждение стен и окон — гораздо более тонкая и сложная задача».
Однако, учитывая успешный опыт охлаждения зданий с помощью супербелой краски на крышах, отражающей солнечный свет и излучающей тепло в небо, исследователи задались целью создать аналогичный эффект пассивного радиационного охлаждения путем покрытия стен и окон материалами, которые могут лучше управлять движением тепла между зданиями и их окружением на уровне земли.
Исследователи продемонстрировали, что материалы, способные преимущественно поглощать и излучать лучистое тепло в пределах атмосферного окна, могут оставаться более прохладными, чем обычные строительные материалы летом, и более теплыми, чем обычные материалы зимой.
«Мы были взволнованы, когда обнаружили, что такие материалы, как полипропилен, который мы получали из бытовой пластмассы, могут избирательно излучать или поглощать тепло в атмосферном окне очень эффективно, — сказал Раман. — Эти материалы граничат с обыденностью, но та же масштабируемость, которая делает их обычными, означает, что в ближайшем будущем мы сможем увидеть, как они будут терморегулировать здания».
Помимо использования легкодоступных экономичных материалов, подход команды также имеет дополнительное преимущество — экономию энергии за счет снижения зависимости от кондиционеров и обогревателей, которые не только дорого стоят, но и способствуют выбросам углекислого газа.
«Предложенный нами механизм является полностью пассивным, что делает его устойчивым способом охлаждения и обогрева зданий в зависимости от времени года и позволяет получить неиспользованную экономию энергии», — сказал Джайотирмой Мандал, первый автор исследования.
По словам исследователей, новая методика легко масштабируется и будет особенно полезной для малообеспеченных сообществ с ограниченным доступом или отсутствием доступа к системам охлаждения и отопления, в которых растет число жертв в результате экстремальных погодных явлений по всему миру. Раман и его команда изучают возможности демонстрации этого эффекта в более крупных масштабах зданий и его реальной экономии энергии, особенно в уязвимых к жаре сообществах в Южной Калифорнии.
Ранее исследователи вдохновились костюмом дистикомб из фантастического фильма «Дюна» и разработалиновую систему фильтрации мочи для скафандров. Разработанная исследователями из Корнелла система, перерабатывает мочу астронавтов в питьевую воду, чтобы повысить комфорт и эффективность будущих полетов на Луну и Марс.
