Naukowcy odkrywają nowy mechanizm chłodzenia budynków przy jednoczesnym oszczędzaniu energii

Wraz ze wzrostem temperatur na całym świecie rośnie również zapotrzebowanie na bardziej zrównoważone opcje chłodzenia. Naukowcy z UCLA i ich współpracownicy znaleźli niedrogi i skalowalny proces chłodzenia budynków latem i ogrzewania ich zimą.

Zespół badawczy kierowany przez Aaswatha Ramana, profesora nadzwyczajnego nauk o materiałach i inżynierii w Szkole Inżynierskiej Samueli na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, zespół badawczy opublikował niedawno badanie w Cell Reports Nauki fizyczne opisując szczegółowo nową metodę manipulowania ruchem ciepła promieniowania przez typowe materiały budowlane w celu optymalizacji zarządzania ciepłem.

Ciepło promieniowania, które jest odczuwalne, gdy gorąca powierzchnia ogrzewa nasze ciała i domy, i jest przenoszone przez fale elektromagnetyczne, rozchodzi się w całym widmie łączy szerokopasmowych na poziomie gruntu między budynkami a ich otoczeniem, takim jak ulice i sąsiednie budowle. Z drugiej strony ciepło przemieszcza się pomiędzy budynkami a niebem w znacznie węższej części widma podczerwieni, zwanej atmosferycznym oknem transmisyjnym. Różnica w sposobie przemieszczania się ciepła promieniowania między budynkami i niebem a gruntem od dawna stanowi wyzwanie w chłodzeniu budynków o powierzchniach mniej skierowanych w stronę nieba. Budynki te są trudne do chłodzenia latem, ponieważ zatrzymują ciepło z gruntu i sąsiednich ścian, gdy temperatura na zewnątrz jest wysoka. Równie trudno je ogrzać zimą, gdy temperatura na zewnątrz spada, a budynki tracą ciepło.

„Jeśli spojrzymy na historyczne miasta, takie jak Santorini w Grecji czy Jodhpur w Indiach, odkryjemy, że chłodzenie budynków poprzez odbijanie światła słonecznego przez dachy i ściany było praktykowane od wieków” – powiedział Raman, który kieruje Laboratorium Ramana na UCLA Samueli. „W ostatnich latach wzrosło ogromne zainteresowanie chłodnymi powłokami dachowymi, które odbijają światło słoneczne. Chłodzenie ścian i okien jest jednak znacznie bardziej subtelnym i złożonym wyzwaniem”.

Jednakże po udowodnionym sukcesie chłodzenia budynków za pomocą super białej farby na dachach, która odbija światło słoneczne i emituje ciepło w niebo, badacze postanowili stworzyć podobny efekt pasywnego chłodzenia radiacyjnego, powlekając ściany i okna materiałami, które lepiej radzą sobie z przepływ ciepła pomiędzy budynkami a ich otoczeniem na poziomie gruntu. Naukowcy wykazali, że materiały zdolne do preferencyjnego pochłaniania i emitowania ciepła promieniowania w oknie atmosferycznym mogą latem pozostać chłodniejsze niż konwencjonalne materiały budowlane i cieplejsze niż zimą.

„Byliśmy szczególnie podekscytowani, gdy odkryliśmy, że materiały takie jak polipropylen, pochodzący z tworzyw sztucznych stosowanych w gospodarstwie domowym, mogą bardzo skutecznie selektywnie emitować lub pochłaniać ciepło w oknie atmosferycznym” – powiedział Raman. „Te materiały graniczą z przyziemnością, ale ta sama skalowalność, która czyni je powszechnymi, oznacza również, że w niedalekiej przyszłości możemy zobaczyć je w termoregulacji budynków”.

Oprócz wykorzystania łatwo dostępnych i oszczędnych materiałów podejście zespołu ma także dodatkową zaletę w postaci oszczędzania energii poprzez zmniejszenie zależności od klimatyzatorów i grzejników, które są nie tylko kosztowne w eksploatacji, ale także przyczyniają się do emisji dwutlenku węgla.

„Zaproponowany przez nas mechanizm jest całkowicie pasywny, co czyni go zrównoważonym sposobem chłodzenia i ogrzewania budynków w zależności od pory roku i pozwala uzyskać niewykorzystane oszczędności energii” – powiedział Jyotirmoy Mandal, pierwszy autor badania i były doktorant w laboratorium Ramana. Mandal jest obecnie adiunktem w dziedzinie inżynierii lądowej i środowiskowej na Uniwersytecie Princeton.

Według naukowców nową metodologię można łatwo skalować i będzie ona miała szczególny wpływ na społeczności o niskich dochodach, które mają ograniczony dostęp do systemów chłodzenia i ogrzewania lub nie mają go wcale, a które odnotowują coraz większą liczbę ofiar w wyniku ekstremalnych zjawisk pogodowych na całym świecie.

Raman i jego zespół badają sposoby wykazania tego efektu na większą skalę budynków i jego rzeczywistych oszczędności energii, szczególnie w społecznościach wrażliwych na ciepło w południowej Kalifornii.