Инженеры разработали новую систему, которая может помочь охлаждать здания в многолюдных мегаполисах без потребления электроэнергии, что является важной инновацией в то время, когда города работают над адаптацией к изменению климата.
Система состоит из специального материала - недорогой полимерно-алюминиевой пленки, которая устанавливается внутри коробки на дне специально разработанного солнечного «укрытия». Пленка помогает охлаждать окружающую среду, поглощая тепло из воздуха внутри коробки и передавая эту энергию через атмосферу Земли в космическое пространство. Укрытие служит двойной цели, помогая блокировать поступающий солнечный свет, а также излучая тепловое излучение, испускаемое пленкой, в небо.
«Полимер остается холодным, поскольку рассеивает тепло посредством теплового излучения, а затем может охлаждать окружающую среду», - говорит соавтор Лю Чжоу, кандидат технических наук в области электротехники в Инженерной школе Университета Буффало и Прикладные науки. «Это называется радиационным или пассивным охлаждением, и это очень интересно, потому что оно не потребляет электроэнергию - для реализации охлаждения не потребуется батарея или другой источник электроэнергии».
«Одним из нововведений нашей системы является способность целенаправленно направлять тепловое излучение в сторону неба», - говорит ведущий исследователь Цяоцян Ган, доктор философии, доцент кафедры электротехники UB. «Обычно тепловое излучение распространяется во всех направлениях. Мы нашли способ направить излучение в узком направлении. Это позволяет системе быть более эффективной в городских условиях, где со всех сторон есть высокие здания. Мы используем недорогие коммерчески доступные материалы и считаем, что они очень хорошо работают».
В совокупности спроектированная инженерами система укрытий и ящиков имеет размеры около 18 дюймов в высоту (45,72 сантиметра), 10 дюймов в ширину и 10 дюймов в длину (25,4 сантиметра). Чтобы охладить здание, необходимо установить множество блоков системы, чтобы покрыть крышу.
Исследование будет опубликовано 5 августа в журнале Nature Sustainability. Исследование было международным сотрудничеством между группой Гана в UB, группой Буна Оои в Университете науки и технологий имени короля Абдуллы (KAUST) в Саудовской Аравии и группой Зонгфу Ю в Университете Висконсин-Мэдисон. Наряду с Чжоу соавторами являются Хаоминь Сун, доктор философии, доцент кафедры электротехники UB, и Цзяньвэй Лян из KAUST. Исследование частично финансировалось Национальным научным фондом.
Система, которая работает днем и в людных местах
Новая система пассивного охлаждения решает важную проблему: как может работать радиационное охлаждение днем и в многолюдных городских районах.
«Ночью легко осуществить радиационное охлаждение, потому что у нас нет солнечной энергии, поэтому тепловые излучения просто исчезают, и мы легко реализуем радиационное охлаждение», - говорит Сонг. «Однако охлаждение в дневное время представляет собой проблему, потому что светит солнце. В этой ситуации вам необходимо найти стратегии, которые предотвратят нагрев крыш. Вам также необходимо найти излучающие материалы, которые не поглощают солнечную энергию. Наша система решает эти проблемы."
При размещении на открытом воздухе в течение дня излучающая тепло пленка и солнцезащитное укрытие помогли снизить температуру небольшого замкнутого пространства максимум примерно на 6 градусов по Цельсию (11 градусов по Фаренгейту). Ночью эта цифра поднималась примерно до 11 градусов по Цельсию (около 20 градусов по Фаренгейту).
Как инновационная архитектура может способствовать радиационному охлаждению
Новая система радиационного охлаждения включает в себя ряд оптически интересных конструктивных особенностей.
Одним из центральных компонентов является полимерно-металлическая пленка, изготовленная из листа алюминия, покрытого прозрачным полимером, называемым полидиметилсилоксаном. Алюминий отражает солнечный свет, а полимер поглощает и рассеивает тепло из окружающего воздуха. Инженеры поместили материал на дно коробки из пенопласта и установили «укрытие» от солнца поверх коробки, используя поглощающий солнечную энергию материал, чтобы построить четыре наклонные наружу стены, а также перевернутый квадратный конус внутри этих стен.
Эта архитектура служит двойной цели: во-первых, она помогает поглощать солнечный свет. Во-вторых, форма стен и конуса направляют тепло, излучаемое пленкой в сторону неба.
«Если вы посмотрите на фару своего автомобиля, то увидите, что она имеет определенную структуру, позволяющую направлять свет в определенном направлении», - говорит Ган. «Мы следуем такому дизайну. Структура нашей системы формирования луча увеличивает наш доступ к небу. Возможность направлять излучение повышает производительность системы в людных местах».