Iedomājieties ēkas, kas pašas sevi atdzesē tā, it kā tajās būtu gaisa kondicionieris, bet neizmantojot nevienu vatu. Šāda nākotne jau tiek veidota, pateicoties... pasīvā starojuma dzesēšanaŠī stratēģija izmanto termiskā starojuma fiziku, lai izvadītu siltumu debesīs pat pilnā saules gaismā, ja materiāls ir labi izstrādāts. Tālu no zinātniskās fantastikas, pastāv reāli prototipi. jauni bioloģiski bioloģiski noārdāmi plastmasas pārklājumi un fotoniskās ierīces, kas jau ir pierādījušas ievērojamu temperatūras samazināšanos reālos apstākļos.
Lai izprastu maģiju, noderīgs ir īss skaidrojums: visi karstie ķermeņi izstaro infrasarkano starojumu. Ja virsmai izdodas debesīs izstarot vairāk enerģijas, nekā tā absorbē, tā atdziest. Tas var notikt gan naktī, gan dienā, kad apvienojas noteikti apstākļi. augsta saules atstarošana (lai izvairītos no karstuma saulē) un augsta emisijas spēja infrasarkanajā starojumā (lai efektīvi izvadītu siltumu, īpaši atmosfēras logā 8–13 µm). Ņemiet vērā, ka tas "nebloķē aukstumu", bet gan otrādi: izstaro siltumu debesu virzienā, kas, skatoties no Zemes, darbojas kā liels siltuma izkliedētājs ar ļoti zemu efektīvo temperatūru.
Kas ir pasīvā radiatīvā dzesēšana un kā tā iederas Zemes enerģijas bilancē?
Klimata sistēmā Zeme galvenokārt absorbē īsviļņu starojumu no Saules un zaudē enerģiju, izstarojot garviļņu starojumu. Tomēr aina ir sarežģītāka, nekā šķiet: papildus starojuma izkliedei notiek arī siltuma pārnese ar konvekcija un iztvaikošanakas bieži dominē uz virsmas. Atmosfēras mērogā radiācija atkal ir galvenais faktors, un, lai sarežģītu lietas, diennakts svārstības, ģeogrāfija un vispārējā asinsrite kas pārdala siltumu starp tropiem un poliem.
Tā kā tropi saņem vairāk saules enerģijas uz kvadrātmetru, atmosfēra un okeāni pārvieto siltumu caur virpuļiem un vidējām plūsmām. Tādējādi tropu reģioni kosmosā izstaro mazāk siltuma nekā bez šīs cirkulācijas, bet poli - vairāk, lai gan absolūtā izteiksmē tropi joprojām ir apgabali, kas tie izdala vairāk enerģijas uz kosmosu. Šis fons izskaidro, kāpēc radiatīvās dzesēšanas veiktspēja ir atkarīga no kur y kad tiek piemērots.
Kā tas jūtas un kad tas vislabāk darbojas
Jebkurā skaidrā naktī jūsu āda to pamana: ja dažas sekundes paskatīsities debesīs un pēc tam apsedzat sevi ar papīra lapu, jūs jutīsiet, ka papīrs ir "silta". Īstais izskaidrojums ir tāds, ka papīrs aptuveni ~300 K Un ar augstu emisijas spēju tā izstaro vairāk siltuma nekā debesis, kuru efektīvā temperatūra, neskaitot kosmisko starojumu (~3 K atmosfēras vājināšanās dēļ), joprojām ir daudz zemāka. Nav pareizi apgalvot, ka papīrs bloķē aukstumu.Tas vienkārši izstaro siltumu uz jums, tāpat kā uguns, tikai daudz zemākā temperatūrā.
Šis ikdienas efekts rodas, kad debesis ir skaidras, gaisa mitrums ir zems un izmantotie materiāli labi izstaro gaismu atmosfēras infrasarkanajā diapazonā. Šādos apstākļos virsma var atdzist zem apkārtējās vides temperatūras un pat veidot siltumu. sals vai melnais ledus uz virsmām, kas atklātas naktī, pat ja gaisa temperatūra ir nedaudz virs 0 °C. Amatieru astronomu vidū ir ļoti labi zināms: optika un aprīkojums viņiem kļūst "pārāk auksti" skatoties augšup uz skaidrajām nakts debesīm.
Zināšanas ar gadsimtiem ilgu vēsturi: nakts ledus Indijā un Irānā
Pirms ledusskapju parādīšanās Indijā ledu gatavoja, atstājot ūdens kārtiņas seklās keramikas paplātēs ārā, izolētas ar sienu un pilnībā pakļautas debesīm. Ja vējš bija vājš un gaiss nebija daudz siltāks par 0°C, radiācijas zudumi Augšupvērstais siltuma pieaugums pārsniedza konvekcijas radīto pieaugumu, un ūdens agrā rītā sasala. Līdzīgas metodes tika dokumentētas Irānā, kas ir vēsturisks precedents. pasīvā dzesēšana kas šodien spēcīgi atgriežas.
Fizikas pamati: emisijas spēja, atstarošanas spēja un 8–13 µm logs
Lai materiāls darbotos, tam ir maksimāli jāuzlabo divas īpašības: augsta saules atstarošanās spēja redzamajā un tuvajā infrasarkanajā spektrā (lai izvairītos no sakaršanas saulē) un augsta emisijas spēja Termiskajā infrasarkanajā diapazonā, īpaši diapazonā no 8 līdz 13 µm, kur atmosfēra "ļauj" starojumam iziet kosmosā. Stefana-Bolcmana likums saista izstaroto jaudu ar temperatūru, un emisijas spēja norāda, cik lielu daļu no šīs jaudas materiāls var izstarot attiecībā pret melns ķermenisMateriāli ar emisijas koeficientu ~0,9–0,98 ir lieliski piemēroti aukstajiem jumtiem un paneļiem.
Ir vērts atcerēties, ka ne viss ir radiācija: virsmas līmenī vējam un mitrumam ir nozīme, jo konvekcija un iztvaikošana var samazināt vai dažreiz maska, starojuma priekšrocība. Tāpēc godīga materiālu testēšana nosaka homogēnus testa apstākļus, lai salīdzinātu ābolus ar āboliem.
Būvmateriāli: no baltiem jumtiem līdz fotoniskām konstrukcijām
Tradicionālie risinājumi, piemēram, krāsas un javas, jau piedāvāja emisijas koeficientus aptuveni 0,96kas izskaidro tā efektivitāti dzesēšanā naktī. Labākās pašreizējās baltās krāsas sasniedz saules atstarošanos līdz pat ~0,94 ar emisijas koeficientu ~0,96. Problēma: pigmenti, piemēram, TiO2 (un ZnO) absorbē ultravioleto gaismu, kā rezultātā kopējā atstarošanās spēja parasti ir zem 0,95.
Lai pārvarētu šīs robežas, ir radušies "krāsojami" poraini polimēri: to poras ļoti efektīvi izkliedē saules gaismu, panākot atstarošanos.0,96 un emisijas ~0,97Ārā pilnā saules gaismā, dzesēšanas jauda tuva 96 W / m² un temperatūra nokrītas par aptuveni 6 °C zem apkārtējās vides temperatūras, kas vasarā nav mazsvarīgi.
Citas stratēģijas ietver dielektriskos kaudzītes uz metāla spoguļiem, polimēru-metālu kompozītmateriāliem un sudrabotām polimēru plēves ar atstarojumiem. ~ 0,97 un emisijas spēja ~0,96, kas, salīdzinot ar vasaras sauli, izdevās saglabāties 11 ° C Vēsākas nekā komerciālās baltās krāsas. Tās ir fotoniskas pieejas, kas apvieno slāņus un tekstūras, lai "iespiestu" starojumu labajā logā.
2014. gadā tika ziņots par daudzslāņu fotonisku struktūru ar selektīvu emisiju garo viļņu infrasarkanajā diapazonā, kas spēj sasniegt 5 °C zem apkārtējās vides temperatūras tiešos saules starojumos. Un 2017. gadā materiāli ar silīcija dioksīda mikrosfērām polimēru matricā ar sudraba pamatni uzrādīja radiācijas dzesēšanas jaudu aptuveni ~93 W/m² Pusdienlaikā, visi ar mērogojamiem ražošanas procesiem no ruļļa uz ruļļa.
Bioplastmasa un krāsa: no īpaši atstarojoša PLA līdz šķidrajiem kristāliem
Džendžou un Dienvidaustrālijas Universitātes komanda ir prezentējusi filmu par Bioloģiski noārdāms PLA ar porainu mikrostruktūru, kas iegūta, atdalot fāzes zemā temperatūrā. Rezultāts: saules atstarojums ~ 98,7%, īpaši zema siltumvadītspēja (~0,049 W/m·K) un augsta infrasarkanā starojuma spēja.
Jumta testos pilnā saulē šis pārklājums sasniedza maksimālo dzesēšanu -9,2 ° C Attiecībā uz atmosfēru pusdienlaikā; tā vidēji bija -4,9 ° C dienas laikā un -5,1 ° C naktī ar jaudu līdz pat ~136 W/m²Pilsētvides simulācijas liecina par gada dzesēšanas ietaupījumu līdz pat ~20,3% tādās pilsētās kā Lhasa. Turklāt tā izturība izskatās daudzsološa: pēc 120 stundām iegremdēšanas skābē un 8 mēnešu UV iedarbības tas joprojām darbojās labi. -5 līdz -6,5 °C zem apkārtējās vides temperatūras.
Ko darīt, ja mēs vēlamies krāsas, neupurējot veiktspēju? Korejas pētnieki ir izstrādājuši fotoniskie šķidrie kristāli Šīs sistēmas rada krāsu, izmantojot strukturālu atstarošanos, nevis absorbciju, tādējādi saglabājot dzesēšanas jaudu. Ēkās un transportlīdzekļos, kur estētikai ir nozīme, iespēja izvēlēties krāsas, neapdraudot temperatūru, ir ievērojama priekšrocība.
Vairāk nekā gleznas: ierīces un koncepcijas, kas paplašina karti
No Bufalo Universitātes nāk ļoti atjautīgs prototips: putu kaste ar absorbējošām, slīpām ārējām sienām, ģeometriju ar iekšējo konusu un plānu plēvi alumīnijs, pārklāts ar polidimetilsiloksānu (PDMS). Alumīnijs atstaro sauli, un IR starojumu izstarojošā PDMS izstaro siltumu uz debesīm; dizains novirza gaismu uz centru un izvada atstaroto siltumu uz āru, samazinot saules enerģijas pieaugumu un veicinot starojuma izkliedi.
Pārbaudot uz klāja, sistēmai izdevās pazemināt iekšējo temperatūru līdz ~ 6 ° C pa dienu un ~ 11 ° C naktī bez elektroenerģijas patēriņa. Šāda veida modulāras un lētas pieejas ļoti labi iederas blīvi apdzīvotās pilsētvidēs, lai mazinātu siltuma sala.
Vēl viena pārsteidzoša pētījumu joma: emisijas elektriskā regulācija. Linšēpingas Universitātes grupa ir pierādījusi, ka ar vadošs polimērsEmisivitāti var regulēt elektroķīmiski, tādējādi modulējot ierīces temperatūru apkārtējās vides apstākļos. Pašlaik izmērītā smalkā vadība ir aptuveni ~ 0,25 ° CTaču tas pierāda koncepciju: radiatīvs “termostats” ar minimālu patēriņu, ko nākotnē varētu integrēt jumtos, tāpat kā saules paneļus.
Un teorētiskajā jomā ir ierosināta pašpietiekama sistēma, kas ietver sevī termoradiatīvā diode (TRD) un siltumdzinēju (ideālā gadījumā Karno dzinēju vai termoelektrisko ģeneratoru, TEG). Dzinējs daļu no termiskā gradienta pārveido elektrībā, lai darbinātu TRD, kas savukārt izstaro infrasarkanos fotonus, radot fotonu ķīmiskais potenciāls pozitīvs. Ar emitētāju 293 K temperatūrā simulācijas dod jaudu līdz pat ~485 W/m², pārsniedzot Planka likuma noteikto robežu ~459 W/m² pie 300 K, aptuvens pieaugums par 5,7%.
Pielietojums: no ēkas līdz operāciju zālei, ieskaitot lauka apstākļus
Pirmais lauks ir acīmredzams: ēkasVēsi jumti, fotoniskie pārklājumi vai porainas bioplastmasas var samazināt virsmas temperatūru un pieprasījums pēc gaisa kondicionēšanasīpaši sausā klimatā ar daudzām skaidrām dienām gadā. Pilsētu kontekstā tie arī palīdz kontrolēt albedo efektu un mazināt pilsētas termo pildspalva.
Bet saraksts ir garš: transportēt (vēsāki ķermeņi), lauksaimniecība (kultūraugu un augsnes aizsardzība), elektronika (siltuma izkliede bez elektriskās ieejas), biomedicīna (temperatūru regulējoši brūču pārsēji) un telpa (optiskie saules atstarotāji kosmosa kuģu termiskai kontrolei). Arī tiek pētīti. starojošie paneļi Dzesēšanas ūdenim un hibrīdsistēmām ar iztvaikošanu, lai palielinātu efektivitāti.
Ideāli apstākļi un praktiskie ierobežojumi
Lai efekts būtu redzams, pamatsastāvdaļas ir skaidras un kalpo kā kontrolsaraksts: skaidras debesis, zems mitrums un materiāli ar augsta emisijas spēja 8–13 µm diapazonāMitrā vai mākoņainā klimatā veiktspēju samazina lejupvērstais atmosfēras starojums, kas "aizpilda" infrasarkano logu, taču šī pieeja joprojām ir noderīga, jo papildināt aktīvo stratēģiju.
- Skaidras debesisTie samazina atmosfēras atkārtotu emisiju uz virsmas.
- Zems mitrumsŪdens tvaiki absorbē IR starojumu un samazina lietderīgās lietošanas logu.
- Piemērots materiālsAugsta saules atstarošanas spēja + augsta infrasarkanā starojuma emisijas spēja.
Precīzi mērījumi ir svarīgi: puslodes emisijas spēja, pārnēsājams aprīkojums un salīdzināmi testi
Nenovērtēts izaicinājums ir metroloģijaLielākā daļa laboratorijas iekārtu mēra emisijas spēju kvazinormālā režīmā, bet, lai patiesi novērtētu materiālu, ir nepieciešama tā emisijas spēja. pilna puslode visos viļņu garumos un leņķos. Turklāt lauka testiem ir nepieciešama atbilstoša pārnēsājamo iekārtu kalibrēšana ar ERD modeļi no zināmām īpašībām.
Vēl viens svarīgs aspekts ir vienoties nopelnu skaitļi un homogēnus testēšanas apstākļus (saule, leņķis, vējš, mitrums, termiskais fons). Spānijas grupas, piemēram, IETCC-CSIC un IO-CSIC, kopā ar starptautiskiem sadarbības partneriem (INRiM, universitātēm) cenšas apvienot metodoloģijas un testēšanas stendus, kas ļauj salīdzināt materiālus uzticams un atkārtojams.
Nanomateriāli un fotonika: smalkās detaļas, kas rada atšķirību
Pieeju klāsts ir plašs. Ir augstas emisijas krāsas (ε > 0,9) jumtiem un fasādēm, izstarojošām polimēru plēvēm virsmām un infrasarkano staru selektīviem logiem, un fotoniskās struktūras (kristāli un slāņu kaudzes), kas veido gaismas izplatīšanos, lai maksimāli palielinātu jaudu pie 8–13 µm.
Nanotehnoloģiju jomā tiek pētīti savienojumi. kodolslānis kas ļauj regulēt gan saules atstarošanos, gan IR emisiju. Ir ziņots par hibrīdiem cinka oksīds un grafēna oksīds integrētas polimēru matricās ar augstu radiācijas veiktspēju un plēvēm, kuru pamatā ir TiO2 apvienojumā ar grafītu, kas saglabā labu emisijas spēju un atstarošanos IR diapazonā, panākot dzesēšanu zem apkārtējās vides temperatūras bez enerģijas ievades.
Polimēru matricas ar daļiņām SiO2 o SiC Tie ir ļoti aktīvi, jo ir caurspīdīgi saules starojumā un izstaro infrasarkanajā starojumā. Metāliskais pamats (sudrabs vai alumīnijs) var darboties kā spogulis, lai uzlabotu virzību un intensitāti; tā radās polimēra-sudraba plēves ar atstarošanas koeficientu ~0,97 un emisijas koeficientu ~0,96, vasaras vidū pārspējot krāsas.
Vēl viena pieeja ir šo savienojumu apstrāde nanofibri un tekstilizstrādājumiem, paverot durvis apģērbam, kas regulē termisko komfortu un nodrošina starojuma filtrus. Nanokompozītu integrēšana polimēru fotonu masīvos ir daudzsološa, lai gan to rūpnieciskā dzīvotspēja, optiskā/termiskā saderība un citi aspekti joprojām tiek pētīti. ietekme uz vidi un veselību.
Pilsētvides klimats, enerģijas taupīšana un uzstādīšanas vietas
Pilsētas koncentrē pieprasījumu pēc aukstuma uzglabāšanas un cieš no sekām. pilsētas siltuma salaŠeit jumtu un ēku norobežojošo konstrukciju pārklāšana ar ERD materiāliem samazina virsmas temperatūru un elektroenerģijas patēriņu. Pilsētu modeļi, piemēram, rāda, ka pilsētā ar augstu starojumu, piemēram, Lhasā, PLA plēves izmantošana varētu samazināt līdz pat ~ 20,3% Gada saldēšanas patēriņš.
Jumti ir galvenais mērķis, taču ir iespējams uzlabot autostāvvietas, rūpniecisko ēku jumtus, nojumes un pat transporta flotesERD apvienošana ar izolāciju, nakts ventilāciju vai iztvaikošanas dzesēšanu rada sinerģiju, kas paceļ efektivitāti soli tālāk, īpaši sausā klimatā ar daudzām skaidrām dienām gadā.
Praktiskie aspekti: izmaksas, izturība un apkope
Cena un izturība veicina ieviešanu. Daži moderni pārklājumi bija trausli vai dārgi, taču jaunie poraina PLA Tas pierādīja izturību pret skābēm un UV starojumu (atbilst 8 mēnešiem), vienlaikus saglabājot ievērojamu veiktspēju. Tomēr ieteicams izveidot apkopes protokolus un homologācijas testi paātrināta novecošana, lai salīdzinātu tehnoloģijas uz vienlīdzīgiem noteikumiem.
Apkārtējā gaisa mitrums un mākoņainība samazina dzesēšanas jaudu, tāpēc ieguldījumu atdeve būs klimata atkarīgsMitros reģionos tas var turpināt kompensēt patēriņu, lai samazinātu maksimālo patēriņu, un sausā klimatā tas var kļūt par ēkas enerģijas stratēģijas centrālo instrumentu.
Vai to var regulēt un "izspiest no tā vairāk"? Kas tālāk?
Aktīva emisijas kontrole paver iespējas pārvaldīt komfortu pēc pieprasījuma ar minimālie izdevumiKoncepcijas pierādījums ar vadošiem polimēriem jau ļauj veikt precīzus pielāgojumus un izmantot debesu simulatorus (ar alumīniju pārklātas caurules un prožektorus, kas atdzesēti ar šķidrais slāpeklis) palīdz mērīt bez apkārtējā trokšņa. Palielinoties stabilitātei un regulēšanas diapazonam, mēs redzēsim “viedus” pārsegus, kas tie paši pielāgojas.
Paralēli TRD + termiskā dzinēja (jeb TEG) tandēms liecina, ka joprojām pastāv fiziska telpa, lai iegūtu enerģiju no starojuma ar pozitīvu fotonu ķīmisko potenciālu. Tādi faktori kā apgabalu attiecības TRD/emitētājs (~1:15) vai tādi materiāli kā melnais fosfors (Augsta kvantu efektivitāte, zema neradiatīvā rekombinācija) rada atšķirību; TRD novietošana dzinēja karstajā pusē var uzlabot veiktspēju par dažām 3-5%Tas joprojām ir jāpārceļ no papīra uz prototipu, taču perspektīvas ir daudzsološas.
Galu galā šī joma apvieno tradīcijas (nakts ledus), jaunākās materiālzinātnes un klimata pārmaiņas. izstarojošās krāsas No tradicionālajiem fotoniskajiem pārklājumiem, kas labi darbojas pilnā saules gaismā, līdz izturīgām bioplastmasām, lētām "starojošās kastes" ierīcēm un elektriski regulējamām sistēmām, risinājumu klāsts strauji pieaug un atbilst steidzamajai vajadzībai samazināt patēriņu saldēšanas nozarē, kas jau tuvojas divciparu skaitļiem globālajā elektroenerģijas patēriņā.
Joprojām ir tāls ceļš ejams mērījumu standartizēšanā, izmaksu samazināšanā un pielāgošanā mitram klimatam, taču potenciāls ir milzīgs: sākot ar veselu apkaimju jumtu noklāšanu līdz pat zemākai temperatūrai. pilsētas temperatūra pat integrējot starojošos paneļus, kas atdzesē procesa ūdeni vai aizsargā sensorus un elektronisko aprīkojumu, nepatērējot elektrību. Vislabākais ir tas, ka mēs izmantojam priekšrocības, ko sniedz dabisks mehānisms ko Zeme ir izmantojusi miljoniem gadu; tagad mēs to vienkārši precīzi pielāgojam, lai tas darbotos mūsu labā.
