Termowizyjny obraz w podczerwieni Royce Hall na Uniwersytecie Kalifornijskim ujawnia promieniowanie cieplne. Fasada pochłania ciepło (białe do jasnoczerwonego) z gruntu (czerwony), podczas gdy część ciepła z gruntu/budynku wypromieniowuje w górę w stronę zimnego nieba (niebieski). Źródło: Raman Lab/UCLA
Tania metoda wykorzystuje typowe materiały budowlane, które pochłaniają lub wypromieniowują ciepło w celu regulacji temperatury.
Wraz ze wzrostem globalnej temperatury rośnie również zapotrzebowanie na zrównoważone rozwiązania chłodnicze. Zespół badaczy z UCLA i ich współpracowników opracował opłacalną i skalowalną metodę chłodzenia budynków latem i ogrzewania ich zimą.
Prowadzone przez Aaswatha Ramana, profesora nadzwyczajnego nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie im Uniwersytet Kalifornijski Zespół badawczy Samueli School of Engineering opublikował niedawno badanie w Raporty komórkowe Nauka fizyczna 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.
Kontekst historyczny i współczesne innowacje
„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 domowych tworzyw sztucznych, mogą bardzo skutecznie selektywnie emitować lub pochłaniać ciepło w oknie atmosferycznym” – powiedział Raman. „Materiały te graniczą z przyziemnością, ale ta sama skalowalność, która czyni je powszechnymi, oznacza również, że w niedalekiej przyszłości możemy zobaczyć je w termoregulacji budynków”.
Oszczędność energii i wpływ na środowisko
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 im Uniwersytet 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.
Odniesienie: „Chłodzenie radiacyjne i termoregulacja w blasku ziemi” Jyotirmoy Mandal, Jyothis Anand, Sagar Mandal, John Brewer, Arvind Ramachandran i Aaswath P. Raman, 27 czerwca 2024 r., Cell Reports Nauki fizyczne.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.102065
Badanie zostało częściowo sfinansowane przez stypendium Schmidt Science, Rhodes Trust, Fundację Alfreda P. Sloana i National Science Foundation. Innymi autorami artykułu są John Brewer — niedawny doktorant. absolwent laboratorium Ramana, Jyothis Anand z Oak Ridge National Lab, Arvind Ramachandran z Arizona State University i niezależny badacz Sagar Mandal.
