Vědci vyvinuli celosezónní nátěr inteligentní střechy

14/01/2022 Adam Walko 8 min read 202 Zobrazení dům, inteligentní střecha, nátěr, střecha

Vědci vyvinuli celosezónní nátěr inteligentní střechy, který udržuje domovy v zimě v teple a v létě chladí, aniž by spotřebovával zemní plyn nebo elektřinu. Výsledky výzkumu zveřejněné v časopise Science poukazují na převratnou technologii, která v úsporách energie překonává komerční systémy chladicích střech.

„Celosezónní nátěr střechy se automaticky přepne z udržování chladu na teplo v závislosti na teplotě venkovního vzduchu. Jedná se o bezenergetickou, bezemisní klimatizaci a topení, vše v jednom zařízení,“ řekl Junqiao Wu, vědec z fakulty v oddělení materiálových věd v Berkeley Lab a profesor materiálové vědy a inženýrství na UC Berkeley, který studii vedl.

Dnešní chladné střešní systémy, jako jsou reflexní nátěry, membrány, šindele nebo tašky, mají světlé nebo tmavší „studené“ povrchy, které ochlazují domovy tím, že odrážejí sluneční světlo. Tyto systémy také vyzařují část absorbovaného slunečního tepla jako tepelné infračervené záření. V tomto přirozeném procesu známém jako radiační chlazení je tepelné infračervené světlo vyzařováno pryč z povrchu.

Problémem mnoha systémů chladicích střech, je to, že v zimě nadále vyzařují teplo, což zvyšuje náklady na vytápění, vysvětlil Wu.

„Náš nový materiál – nazývaný teplotně adaptivní radiační povlak nebo TARC – může umožnit úspory energie automatickým vypínáním radiačního chlazení v zimě, čímž překonává problém přechlazení,“ řekl.

Střecha pro všechna roční období

Nastavení pro střešní experiment v East Bay Hills. Data z experimentu byla použita k simulaci toho, jak by TARC fungoval po celý rok ve městech reprezentujících 15 různých klimatických pásem napříč kontinenty.

Kovy jsou obvykle dobrými vodiči elektřiny a tepla. V roce 2017 Wu a jeho výzkumný tým zjistili, že elektrony v oxidu vanadičitém se chovají jako kov pro elektřinu, ale jako izolant pro teplo. Jinými slovy, vedou elektřinu dobře, aniž by vedly velké množství tepla. „Toto chování je v kontrastu s většinou ostatních kovů, kde elektrony vedou teplo a elektřinu proporcionálně,“ vysvětlil Wu.

Oxid vanadičitý pod teplotou asi 67 stupňů Celsia je také průhledný a tudíž neabsorbuje tepelné infračervené světlo. Jakmile však oxid vanadičný dosáhne 67 stupňů Celsia, přejde do kovového stavu a tepelné infračervené světlo pohltí. Tato schopnost přejít z jedné fáze do druhé, v tomto případě z izolantu na kov, je charakteristická pro to, co je známé jako materiál se změnou fáze.

Aby Wu a jeho tým viděli, jak bude fungovat oxid vanadičitý ve střešním systému, zkonstruovali tenkovrstvé zařízení TARC o rozměrech 2 cm x 2 cm.

TARC „vypadá jako lepicí páska a lze ji připevnit na pevný povrch, jako je střecha,“ řekl Wu.

V klíčovém experimentu spoluvedoucí autor Kechao Tang loni v létě zorganizoval střešní experiment v domě Wu’s East Bay, aby demonstroval životaschopnost technologie v reálném prostředí.

Bezdrátové měřicí zařízení umístěné na balkoně Wu nepřetržitě zaznamenávalo odezvy na změny přímého slunečního světla a venkovní teploty ze vzorku TARC, komerčního vzorku tmavé střechy a komerčního vzorku bílé střechy po několik dní.

Jak TARC předčí v úsporách energie

Vědci poté použili data z experimentu k simulaci toho, jak by TARC fungoval po celý rok ve městech reprezentujících 15 různých klimatických pásem po celém kontinentu USA.

Kaichen Dong (vlevo) a Jiachen Li upravují zařízení Pulsed Laser Deposition (PLD) používané k vývoji povlaku inteligentní střechy TARC. (Kredit: Thor Swift/Berkeley Lab)

Wu přizval Ronnena Levinsona, spoluautora studie, který je vědeckým pracovníkem a vedoucím skupiny Heat Island Group v oblasti energetických technologií Berkeley Lab, aby jim pomohl vylepšit jejich model teploty povrchu střechy. Levinson vyvinul metodu odhadu úspor energie TARC ze souboru více než 100 000 energetických simulací budov, které dříve provedla skupina Heat Island Group, aby vyhodnotila výhody chladných střech a chladných zdí po celých Spojených státech.

For This Metal, Electricity Flows, But Not the Heat

Finnegan Reichertz, student 12. ^třídy na East Bay Innovation Academy v Oaklandu, který loni na dálku pracoval jako letní stážista pro Wua, pomohl simulovat, jak by TARC a další střešní materiály fungovaly v konkrétních časech a v konkrétní dny v průběhu roku. Pro každé z 15 měst nebo klimatických pásem, které výzkumníci pro tento článek studovali.

Výzkumníci zjistili, že TARC překonává stávající střešní nátěry pro úsporu energie ve 12 z 15 klimatických zón, zejména v oblastech s velkými teplotními rozdíly mezi dnem a nocí, jako je San Francisco Bay Area, nebo mezi zimou a létem, jako je město New York.

„S nainstalovaným TARC by průměrná domácnost mohla ušetřit až 10 % elektřiny,“ řekl Tang, který byl v době studie postdoktorandským výzkumníkem v laboratoři Wu. Nyní je odborným asistentem na Pekingské univerzitě v Pekingu v Číně.

Standardní chladné střechy mají vysokou odrazivost slunečního záření a vysokou tepelnou emisi (schopnost uvolňovat teplo vyzařováním tepelného infračerveného záření) i za chladného počasí.

Podle měření vědců odráží TARC po celý rok přibližně 75 % slunečního záření, ale jeho tepelná vyzařování je vysoká (asi 90 %), když je okolní teplota vysoká (nad 25 stupňů Celsia nebo 77 stupňů Fahrenheita), což podporuje tepelné ztráty. nebe. V chladnějším počasí se tepelná emise TARC automaticky přepne na nízkou hodnotu, což pomáhá zadržovat teplo ze solární absorpce a vnitřního vytápění, řekl Levinson.

Poznatky z experimentů infračervené spektroskopie s použitím pokročilých nástrojů v Berkeley Lab’s Molecular Foundry potvrdily simulace.

„Jednoduchá fyzika předpovídala, že TARC bude fungovat, ale byli jsme překvapeni, že bude fungovat tak dobře,“ řekl Wu. „Původně jsme si mysleli, že přechod z oteplování na chlazení nebude tak dramatický. Naše simulace, venkovní experimenty a laboratorní experimenty ukázaly opak – je to opravdu vzrušující.“

Výzkumníci plánují vyvinout prototypy TARC ve větším měřítku, aby dále otestovali jeho výkon jako praktického střešního nátěru. Wu řekl, že TARC může mít také potenciál jako tepelně ochranný povlak k prodloužení životnosti baterie v chytrých telefonech a laptopech a k ochraně satelitů a automobilů před extrémně vysokými nebo nízkými teplotami. Dalo by se také použít k výrobě látky regulující teplotu pro stany, kryty skleníků a dokonce i klobouky a bundy.

Tato práce byla primárně podporována Úřadem pro vědu DOE a Bakar Fellowship.

Technologie je k dispozici pro licencování a spolupráci. V případě zájmu kontaktujte úřad duševního vlastnictví Berkeley Lab, ipo@lbl.gov .

Úřad pro vědu DOE je jediným největším zastáncem základního výzkumu ve fyzikálních vědách ve Spojených státech a pracuje na řešení některých nejnaléhavějších výzev naší doby. Další informace naleznete na adrese energy.gov/science .

Zdroj: newscenter.lbl.gov