Кондиционеры и другие системы охлаждения относятся к числу наших крупнейших потребителей электроэнергии, поэтому поиск способов пассивного охлаждения зданий будет иметь важное значение в нашем все более и более теплом будущем. Теперь исследователи из Университета Буффало разработали прототип гибридного устройства, которое может не только кардинально охлаждать здания без использования электричества, но и улавливать солнечную энергию для нагрева воды.
Системы радиационного охлаждения, созданные на протяжении многих лет во многих формах, поглощают тепло изнутри комнаты или здания и излучают его в инфракрасных волнах в сторону неба. На этих длинах волн атмосфера Земли «невидима» для излучения, а это означает, что ничто не мешает теплу выходить прямо в холод космического пространства.
В этих устройствах используются панели из материалов, которые могут поглощать и излучать тепло. Логичный способ ориентировать эти панели с тепловым излучателем состоит в том, чтобы одна сторона была направлена в небо, как солнечная панель, но команда, проводившая новое исследование, говорит, что это не самый эффективный метод. Панели излучают тепло с обеих сторон, поэтому в этом положении часть тепла излучается обратно на землю.
Итак, для новой конструкции исследователи переместили тепловой излучатель так, чтобы тепло могло собираться с обеих сторон и передаваться в космос. Для этого они расположили термоэмиттер вертикально между парой зеркал, расположенных в форме буквы V. Затем эти зеркала отражают инфракрасные волны вверх в небо.
Новая система радиационного охлаждения состоит из двух зеркал в форме буквы V, с вертикальной панелью теплового излучателя посередине. Фото: University at Buffalo
«Поскольку тепловое излучение от обеих поверхностей центрального теплового излучателя отражается в небо, локальная плотность мощности охлаждения на этом излучателе удваивается, что приводит к рекордно высокому снижению температуры», - говорит Цяоцян Ган, ведущий автор исследования.
В ходе экспериментов команда показала, что устройство способно снизить температуру внутри испытательной установки более чем на 12°C под прямыми солнечными лучами и более чем на 14°C в моделированном ночном тесте.
Зеркала тоже более продвинутые, чем может показаться. Сделанные из 10 тонких слоев серебра и диоксида кремния, они спроектированы так, чтобы избирательно подходить к работе с волнами различной длины. Они отражают средние инфракрасные волны от излучателя, поглощая видимые и ближние инфракрасные волны солнечного света. Это не позволяет солнечному теплу нейтрализовать охлаждающий эффект, повышая эффективность.
Кроме того, тепло, поглощаемое зеркалами, может быть использовано с пользой - в этом тесте команда использовала его для нагрева воды до 60°C.
«Большинство систем радиационного охлаждения рассеивают солнечную энергию, что ограничивает охлаждающие возможности системы», - говорит Ган. «Даже при идеальном спектральном выборе верхний предел охлаждающей способности при температуре окружающей среды 25°C составляет около 160 Вт на квадратный метр. Напротив, солнечная энергия около 1000 Вт на квадратный метр на этих системах была просто потрачена впустую».
Исследователи говорят, что это устройство может помочь снизить затраты и снизить нагрузку на окружающую среду, связанную с охлаждением, которое остается одним из самых больших источников потребления энергии. Однако на данный момент основное внимание будет уделено увеличению его до размеров крыши - тестовая модель имела размер всего 70 см2.
Исследование было опубликовано в журнале Cell Reports Physical Science.
Источник: New Atlas / University at Buffalo
