Новая система без электричества охлаждает здания и нагревает воду
Системы радиационного охлаждения, созданные на протяжении многих лет во многих формах, поглощают тепло внутри комнаты или здания и излучают его в инфракрасных волнах
Кондиционеры и другие системы охлаждения относятся к числу крупнейших потребителей электроэнергии, поэтому поиск способов пассивного охлаждения зданий будет иметь важное значение в будущем. Теперь исследователи из Университета Буффало разработали прототип гибридного устройства, которое может не только резко 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 ученых, 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.
«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 смоделированном ночном времени.
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 ученые использовали его для нагрева воды до 60 ° C.
«Большинство систем радиационного охлаждения рассеивают солнечную энергию, что ограничивает охлаждающие возможности системы», — говорят исследователи. «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 в размере около 1000 ватт на квадратный метр этих систем была просто потрачена впустую».
Исследователи говорят, что новое устройство может помочь снизить затраты и 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 размера крыши — тестовая модель имела размеры всего 70 см2.
Исследование было опубликовано в журнале Cell Reports Physical Science.