Dodano: 20 grudzień 2021r.

Nowa inteligentna powłoka dachowa zapewni ciepło w zimie i chłód latem

Naukowcy opracowali przełomową technologię, która umożliwi całoroczną oszczędność energii. Nowa, inteligentna powłoka dachowa zapewnia ciepło w domu zimą i chłód latem. I to wszystko bez zużywania dodatkowej energii elektrycznej.

Nowa inteligentna powłoka dachowa zapewni ciepło w zimie i chłód latem

 

Wyniki nowych badań wskazują, że opracowana przez naukowców z University of California w Berkeley technologia może stać się przełomem w ocieplaniu budynków. Powłoka pod względem oszczędności energii przewyższa wszystkie znane systemy.

- Nasza całoroczna powłoka dachowa automatycznie przełącza się z trybu chłodzącego na tryb ociepleniowy, w zależności od temperatury powietrza na zewnątrz. Jest to czysta, bezemisyjna klimatyzacja i ogrzewanie w jednym – przekonuje prof. Junqiao Wu z UC Berkeley, który kierował badaniami.

Opis nowej powłoki ukazał się w magazynie „Science” (DOI: 10.1126/science.abf7136).

Powłoka z automatycznym przełącznikiem

Dzisiejsze systemy dachowe, takie jak powłoki odblaskowe, membrany, gonty lub dachówki, mają powierzchnie, które chłodzą domy poprzez odbijanie światła słonecznego. Emitują również część zaabsorbowanego ciepła w postaci promieniowania w podczerwieni. To naturalny proces znany jako chłodzenie radiacyjne.

Problem z obecnymi technologiami polega na tym, że zimą nadal wypromieniowują one ciepło, co powoduje wzrost kosztów ogrzewania. - Nasz nowy materiał, zwany temperaturowo-adaptacyjną powłoką radiacyjną (z j. ang. temperature-adaptive radiative coating) lub TARC, może umożliwić oszczędność energii poprzez automatyczne wyłączenie chłodzenia radiacyjnego w zimie – tłumaczy Wu. TARC jest pierwszą powłoką dachową, która automatycznie przełącza się pomiędzy chłodzeniem w gorące dni a ogrzewaniem w zimne.

Dach na każdą porę roku

- Już od kilku lat myślałem nad podobnym materiałem. Stwierdziłem, że może warto przetestować dwutlenek wanadu – mówi Wu.

Metale są zazwyczaj dobrymi przewodnikami elektryczności i ciepła. W 2017 roku Wu i jego zespół odkryli, że elektrony w dwutlenku wanadu zachowują się inaczej: dobrze przewodzą elektryczność bez przewodzenia dużej ilości ciepła. - To kontrastuje z większością innych metali, w których elektrony przewodzą ciepło i elektryczność proporcjonalnie - wyjaśnia Wu.

Dwutlenek wanadu w temperaturze poniżej 67 stopni Celsjusza nie pochłania promieniowania termicznego. Ale kiedy osiągnie temperaturę 67 stopni sytuacja się zmienia i metal zaczyna pochłaniać ciepło. Ta zdolność do przechodzenia z jednej fazy w drugą - w tym przypadku z izolatora w metal - jest charakterystyczna dla tzw. materiałów zmiennofazowych.

Badania Wu z 2017 r. wykazały, że gdy do dwutlenku wanadu doda się 1,5 proc. wolframu, próg przemiany fazowej materiału spada z 67 do 25 stopni Celsjusza. A to idealna temperatura, którą można stosować w praktyce.

Wu i jego zespół skonstruowali następnie cienki materiał. Składa się on z z trzech warstw: dolnej odbijającej wykonanej ze srebra, przezroczystej środkowej zbudowanej z fluorku baru oraz warstwy górnej z dwutlenku wanadu z domieszką wolframu.

- TARC wygląda jak taśma klejąca i może zostać łatwo przymocowana do stałej powierzchni, takiej jak dach - tłumaczy Wu. Badania nad materiałem wykazały niezwykłą wszechstronność dwutlenku wanadu w cienkiej folii.

Aby sprawdzić przydatność technologii w warunkach naturalnych współautor projektu, Kechao Tang, przeprowadził latem ubiegłego roku eksperyment na dachu domu. Urządzenie rejestrowało reakcje na zmiany światła słonecznego i temperatury próbki TARC. Dla porównania sprawdzano też próbki ciemnego i białego dachu.

TARC oszczędza energię

Następnie badacze wykorzystali dane z eksperymentu zewnętrznego do symulacji, jak TARC będzie działał przez cały rok w miastach reprezentujących 15 różnych stref klimatycznych w kontynentalnej części Stanów Zjednoczonych.

Kolejny współautor badań Ronnen Levinson pomógł udoskonalić model temperatury powierzchni dachu. Levinson opracował metodę szacowania oszczędności energii TARC na podstawie zbioru ponad 100 tys. symulacji energetycznych z różnych budynków, które przeprowadzano wcześniej. Zespół Wu wykorzystał tę metodę do oszacowania rocznych oszczędności energii, jakie zapewnia TARC poprzez zmniejszenie zapotrzebowania na energię do chłodzenia w lecie i grzewczą w zimie.

Według symulacji, TARC przewyższa istniejące pokrycia dachowe pod względem oszczędności energii w 12 z 15 stref klimatycznych, szczególnie w regionach o dużych wahaniach temperatury między dniem a nocą, takich jak obszar zatoki San Francisco, lub między zimą a latem, takich jak Nowy Jork. Okazuje się, że przeciętne gospodarstwo domowe w USA mogłoby zaoszczędzić do 10 porc. energii elektrycznej.

Według pomiarów naukowców, TARC odbija około 75 proc. światła słonecznego przez cały rok, ale jego emisyjność termiczna jest wysoka (około 90 proc.), gdy temperatura otoczenia jest powyżej 25 stopni Celsjusza. W chłodniejsze dni, termiczna emisyjność TARC automatycznie przełącza się na niską (około 20 proc.), pomagając zatrzymać ciepło z absorpcji słonecznej, czym ogrzewa wnętrza.

Wyniki eksperymentów z wykorzystaniem zaawansowanych narzędzi w Berkeley Lab's Molecular Foundry potwierdziły wyniki symulacji.

- Prosta fizyka przewidywała, że TARC będzie działać. Jednak byliśmy zaskoczeni, że jest tak dobrze. To naprawdę ekscytujące – mówi Wu.

Naukowcy planują dalej rozwijać prototypy TARC i stosować je na większą skalę, aby testować jego wydajność jako praktycznej powłoki dachowej.

 

Źródło: Lawrence Berkeley National Laboratory, fot. Junqiao Wu/ Lawrence Berkeley National Laboratory