Здания будут изменять цвет для экономии энергии
Исследователи разработали строительный материал, похожий на хамелеон: он меняет свой цвет и количество тепла, которое поглощает или выделяет, в зависимости от наружной температуры, сообщается на сайте Притцеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета.
02.02.2023 / 22:19
В жаркие дни материал может выделять до 92% инфракрасного тепла и таким образом охлаждать внутреннюю часть здания. В холодные дни материал излучает всего 7% инфракрасного тепла и, соответственно, помогает сохранять в здании тепло.
«По сути, мы нашли способ низкого энергопотребления, и он в том, чтобы здание имело такие же отношения с энергией, как человек с одеждой: вы добавляете слой, когда вам холодно, и снимаете слой, когда вам жарко», — говорит ассистент-профессор По-Чун Хсу, руководивший исследованием, опубликованным в журнале Nature Sustainability. «Такой умный материал позволяет нам поддерживать температуру в здании без огромных затрат энергии».
Двигатель изобретения — изменения климата
По некоторым оценкам, здания потребляют 30% энергии в мире и выделяют 10% всех парниковых газов. Около половины этого энергетического следа вызваны обогревом и охлаждением внутренних помещений.
«Долгое время большинство из нас воспринимали контроль температуры в помещении как нечто должное и не задумывались о том, сколько энергии для этого требуется», — говорит Хсу. «Если мы хотим углеродно-отрицательное будущее, я думаю, мы должны рассмотреть различные способы контроля температуры в здании, которые будут более энергоэффективны».
Ранее исследователи разработали материалы для радиационного охлаждения, которые помогают поддерживать прохладу в зданиях через невидимое тепло, излучаемое людьми и предметами. Также есть материалы, предотвращающие выделение инфракрасного излучения в холодном климате.
«Проще говоря, если у вас есть полностью черное здание, обращенное к солнцу, оно будет нагреваться легче, чем другие здания», — говорит аспирант Ченкси Сюй, первый автор исследования.
Такой пассивный обогрев может быть хорош зимой, но не летом.
Поскольку глобальное потепление вызывает все более частые экстремальные погодные явления и вообще изменчивую погоду, необходимо, чтобы здания могли к этому адаптироваться; немногие климатические условия требуют круглогодичного отопления или круглогодичного кондиционирования воздуха.
Из металла в жидкость и обратно
Хсу и его коллеги разработали незагораемый «электрохромный» строительный материал, содержащий слой, который может принимать две формы: твердой меди (тогда он сохраняет большую часть инфракрасного тепла) или водного раствора (тогда слой излучает инфракрасное тепло). При любой выбранной температуре устройству нужно небольшое количество электричества, чтобы вызвать химический переход между двумя указанными формами — во время такого перехода медь или наносится в виде тонкой пленки, или удаляется.
В новой статье исследователи подробно описали, как устройство может быстро и оборачивающе переключаться между металлическим и жидким состояниями. По словам ученых, эта способность переключаться оставалась эффективной даже после 1 800 циклов.
«Такой умный материал позволяет поддерживать температуру в здании без огромных затрат энергии».
Затем команда создала модели того, как их материал может снизить затраты на электроэнергию в типичных зданиях в 15 разных городах США. По словам ученых, в среднем коммерческом здании электроэнергия, используемая для разработанной ими технологии, составит менее 0,2% от общего потребления электроэнергии в здании. При этом новый строительный материал поможет сэкономить 8,4% годового потребления всей энергии здания, идущей на отопление, вентиляцию и кондиционирование.
«Как только вы переключаетесь между фазами (медь и вода), вам не нужно больше тратить энергию, чтобы оставаться в любой из них», — говорит Ченкси Сюй. «Таким образом, в зданиях, где вам не нужно переключаться между этими фазами очень часто, будет потребляться действительно незначительное количество электроэнергии».
Расширение масштабов
Пока что группа Хсу создала лишь несколько кусков материала около шести сантиметров в ширину. Ученые полагают, что многие такие участки могут быть собраны, как черепица, в крупные листы. Они говорят, что материал также можно настроить таким образом, чтобы использовать разные цвета: водная фаза прозрачна, и за ней можно разместить почти любой цвет. Это не повлияет на способность поглощать инфракрасное излучение.
Сейчас исследователи изучают различные способы изготовления материала. Они также планируют исследовать, как могут быть полезны его промежуточные состояния.
«Мы показали, что радиационный контроль может играть роль в регулировании широкого диапазона температур здания в разные сезоны», — говорит Хсу. «Мы продолжаем работать с инженерами и строительным сектором, чтобы выяснить, как это может способствовать лучшему будущему».