Международная исследовательская группа под руководством ученых из Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) разработала материал, который при нанесении на стеклянную оконную панель может эффективно самоадаптироваться к обогреву или охлаждению помещений в различных климатических зонах. в мире, помогая сократить потребление энергии.
Разработанное исследователями NTU и опубликованное в ведущем научном журнале Science, первое в своем роде стекло автоматически реагирует на изменение температуры, переключаясь между нагревом и охлаждением.
Самоадаптивное стекло разработано с использованием слоев композита наночастиц диоксида ванадия, поли(метилметакрилата) (ПММА) и низкоэмиссионного покрытия для формирования уникальной структуры, которая может модулировать нагрев и охлаждение одновременно.
Недавно разработанное стекло, не имеющее электрических компонентов, работает за счет использования спектра света, отвечающего за нагрев и охлаждение.
Летом стекло подавляет солнечный нагрев (ближний инфракрасный свет), одновременно усиливая радиационное охлаждение (длинноволновое инфракрасное излучение) - естественное явление, при котором тепло излучается через поверхности в холодную вселенную - для охлаждения помещения. Зимой, наоборот, обогревает комнату.
В ходе лабораторных испытаний с использованием инфракрасной камеры для визуализации результатов стекло позволяло излучать контролируемое количество тепла в различных условиях (комнатная температура - выше 70°C), доказывая свою способность динамически реагировать на изменение погодных условий.
Новое стекло регулирует как нагрев, так и охлаждение
Окна являются одним из ключевых компонентов в конструкции здания, но они также наименее энергоэффективны и наиболее сложны. Только в Соединенных Штатах потребление энергии, связанное с окнами (отопление и охлаждение) в зданиях, составляет примерно четыре процента от их общего потребления первичной энергии каждый год, согласно оценке, основанной на данных, доступных Министерству энергетики США.
В то время как ученые в других странах разработали устойчивые инновации для снижения этого спроса на энергию, такие как использование покрытий с низким коэффициентом излучения для предотвращения теплопередачи и электрохромного стекла, которое регулирует проникновение солнечного света в помещение путем окрашивания, ни одно из решений не смогло чтобы модулировать как нагрев, так и охлаждение одновременно, до сих пор.
Главный исследователь исследования, доктор Лонг Йи из Школы материаловедения и инженерии NTU (MSE), сказал: «Большинство энергосберегающих окон сегодня решают часть солнечного тепла, вызванного видимым и ближним инфракрасным солнечным светом.. Однако исследователи часто упускают из виду радиационное охлаждение в длинноволновом инфракрасном диапазоне. Хотя инновации, направленные на радиационное охлаждение, использовались на стенах и крышах, зимой эта функция становится нежелательной. Наша команда впервые продемонстрировала стекло, которое хорошо реагирует на обе длины волны, а это означает, что оно может постоянно самонастраиваться, чтобы реагировать на изменение температуры в любое время года».
В результате этих особенностей исследовательская группа NTU считает, что их нововведение предлагает удобный способ сохранения энергии в зданиях, поскольку для его функционирования не требуются какие-либо движущиеся компоненты, электрические механизмы или блокирующие обзоры.
Для улучшения характеристик окон решающее значение имеет одновременная модуляция пропускания солнечного света и радиационного охлаждения, считают соавторы профессор Ган Тан из Университета Вайоминга, США, и профессор Ронгуй Ян из Научного университета Хуажонг. и технологии, Ухань, Китай, руководивший моделированием энергосбережения здания.
«Эта инновация заполняет пробел между традиционными умными окнами и радиационным охлаждением, открывая новое направление исследований для минимизации энергопотребления», - сказал профессор Ган Тан.
Исследование является примером новаторского исследования, которое поддерживает стратегический план NTU 2025, направленный на решение серьезных проблем человечества в области устойчивого развития и ускорение преобразования научных открытий в инновации, которые смягчают воздействие человека на окружающую среду.
Инновации, полезные для широкого спектра климатических условий
В качестве доказательства концепции ученые проверили энергосберегающие характеристики своего изобретения, используя моделирование климатических данных, охватывающих все населенные части земного шара (семь климатических зон).
Команда обнаружила, что разработанное ими стекло демонстрирует экономию энергии как в теплое, так и в прохладное время года, с общим показателем энергосбережения до 9,5%, или ~330 000 кВтч в год (оценочная энергия, необходимая для питания 60 домохозяйств). в Сингапуре в течение года) меньше, чем коммерчески доступное стекло с низким коэффициентом излучения в смоделированном офисном здании среднего размера.
Первый автор исследования Ван Шаньчэн, научный сотрудник и бывший аспирант доктора Лун И, сказал: «Результаты доказывают жизнеспособность применения нашего стекла во всех типах климата, поскольку оно способно помочь сократить использование энергии независимо от сезонных колебаний температуры в жару и холод. Это отличает наше изобретение от современных энергосберегающих окон, которые, как правило, находят ограниченное применение в регионах с меньшими сезонными колебаниями."
Кроме того, характеристики нагрева и охлаждения их стекла могут быть настроены в соответствии с потребностями рынка и региона, для которого оно предназначено.
"Мы можем сделать это, просто изменив структуру и состав специального нанокомпозитного покрытия, наносимого на стеклянную панель, что позволяет потенциально использовать нашу инновацию в широком спектре приложений для регулирования тепла, не ограничиваясь окнами", Доктор Лонг И сказал.
Представляя независимую точку зрения, профессор Лянбинг Ху, заслуженный профессор Герберта Рабина, директор Центра инновационных материалов в Университете Мэриленда, США, сказал: «Лонг и его коллеги сделали оригинальную разработку умных окон, которая может регулировать ближний инфракрасный солнечный свет и длинноволновое инфракрасное тепло. Использование этого умного окна может иметь большое значение для энергосбережения и обезуглероживания зданий».
Сингапурский патент был подан на инновацию. В качестве следующих шагов исследовательская группа стремится достичь еще более высоких показателей энергосбережения, работая над конструкцией своего нанокомпозитного покрытия.
В состав международной исследовательской группы также входят ученые из Нанкинского технического университета, Китай. Исследование проводится при поддержке Альянса исследований и предпринимательства Сингапура и HUJ (SHARE) в рамках программы Campus for Research Excellence and Technology Enterprise (CREATE), Фонда исследований Министерства образования уровня 1 и Китайско-Сингапурского международного объединенного исследовательского института.