Инженеры разработали новую инновационную технологию охлаждения зданий

С ростом глобальных температур растет и спрос на устойчивые решения для охлаждения. Группа исследователей из Калифорнийского университета и их соавторы разработали экономически 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 летом оставаться более прохладными, чем обычные строительные материалы, и, соответственно, более теплыми 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 повсеместны. Но та же масштабируемость, которая делает их широко используемыми, поможет нам в ближайшем будущем 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 разработали новую 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.