Слонските уши вдъхновиха енергийно-ефективното строителство

Вдъхновени от венозните уши на зайци и слонове, изследователи от университета Дрексел са разработили нов подход към пасивното отопление и охлаждане, който един ден би могъл да направи сградите по-енергийно ефективни. Тяхната концепция, публикувана наскоро в Journal of Building Engineering , вгражда съдова мрежа в строителни материали на циментова основа, която, когато е запълнена с парафинов материал, може да помогне за пасивно регулиране на повърхностната температура на стени, подове и тавани.

Подходът е опит да се справи със значителния принос на търсенето на енергия в сградите – близо 40% от цялото потребление на енергия – към производството на парникови газове. Около половината от потреблението на енергия в сградата се изразходва за поддържане на комфортна температура. И докато новите изолационни продукти и техники са помогнали за укрепването на стените, прозорците и таваните, тези повърхности остават най-голямото предизвикателство, когато става въпрос за задържане или загуба на топлина – допринасяйки за около 63% от загубите на енергия в сградите.

„От архитектурна гледна точка изглежда хубаво да има много прозорци на сграда, но това също води до намалени изолационни свойства“, каза Ритъм Осан, студент в Инженерния колеж, който е съавтор на изследването.

„В идеален свят една сграда не би губила никаква топлина, но от гледна точка на реалистичната конструктивна пригодност, проблеми като термични мостове, изтичане на въздух от каналите, характеристики на материалите и детайли на фугите винаги ще представляват известна загуба на топлина.“

Обръщайки тази разочароваща реалност с главата надолу, екипът на Дрексел разработи начин тези повърхности да допринесат за поддържането на желаната вътрешна температура, вместо да бъдат пречка за това.

„Вижте начина, по който кръвоносната ни система регулира температурата. Когато е горещо навън, кръвта изтича на повърхността – може да се зачервим леко и да започнем да се потим през жлезите си, а това ни охлажда чрез процес на фазова промяна – изпаряване на потта“, каза д-р Амир Фарнам, доцент в Инженерния колеж на Дрексел, който беше ръководител на изследването. „Това е много ефективен, естествен процес, който искахме да възпроизведем в строителни материали .“

Лабораторията за усъвършенствани инфраструктурни материали (AIM) на Farnam е лидер в изследванията, фокусирани върху вдъхновени от природата методи за повишаване на издръжливостта на инфраструктурните материали. Те са разработили бетон, който използва фазово променящ се материал – подобен на парафина, използван за производството на свещи – за разтопяване на сняг и лед от повърхността си; самовъзстановяващ се бетон , който използва специални бактерии, произвеждащи калциев карбонат; и 3D-отпечатани полимери , които укрепват бетонни конструкции.

За да създадат термочувствителните строителни материали, групата е черпила вдъхновение от няколко от тези начинания – използвайки отпечатана полимерна матрица, за да създадат мрежа от канали в бетонната повърхност, преди да ги запълнят с парафинов материал, за да се осигури тяхната адаптивна регулация на температурата.

Фазопременящите се материали, като парафина, са уникално подходящи за това приложение, защото абсорбират и освобождават топлинна енергия, докато преминават от течно в твърдо състояние. Така че, когато температурите падат и материалът преминава от течно в твърдо състояние, той освобождава топлинна енергия; обратно, когато температурите на околната среда се покачват, материалът е способен да абсорбира топлинна енергия, създавайки хладна повърхност.

„Преди това сме използвали материал на основата на парафин като фазово променяща се съставка за самозатоплящ се бетон, така че знаехме, че това е надеждно, естествено вещество, което може да повлияе на повърхностната температура на бетонните строителни материали“, каза д-р Робин Деб, научен сътрудник в лабораторията AIM и съавтор на изследването.

„За това приложение избрахме фазово-променящ се материал с температура на топене около 18 градуса по Целзий, относително ниска точка на топене, за да тестваме неговата ефективност в студен климат. Но тази система би позволила приспособяването на фазово-променящия се материал да бъде отзивчив и в по-топъл климат.“

Използвайки разтворим или „жертвен“ полимерен шаблон, екипът създаде серия от циментови проби с различни модели на съдови канали, включително единичен канал, множество канали, паралелни канали, перпендикулярни на ръбовете на повърхността, диагонални паралелни канали и ромбовидна мрежа от канали; и с дебелина от 3 до 8 милиметра.

Те тестваха всяка проба, за да определят нейното механично поведение, както и способността им да забавят затоплянето и охлаждането на повърхността, във връзка с условията на околната среда, когато каналите бяха запълнени с фазово променящ се материал.

Най-ефективната комбинация от здравина и термична регулация се оказа пробата с ромбовидна архитектура на мрежестите канали. Тази проба успя да запази структурната си цялост по време на тестове за разтягане и компресиране, като същевременно забави нагряването и охлаждането на повърхността си – до 1-1,25 градуса по Целзий на час – спрямо околната среда.

„Открихме, може би не е изненадващо, че по-голямата площ на васкулатурата е равна на по-добри термични характеристики. Това наблюдение е подобно на физиологията на ушите на слонове и зайци, които съдържат обширни области от васкулатура, които помагат за регулиране на телесната им температура“, каза Деб.

„Вярваме, че нашите съдови материали биха могли да играят подобна роля в сградата, като помагат за компенсиране на температурните промени и намаляват енергийните нужди на ОВК системите за поддържане на топлинен комфорт.“

За да се засили допълнително здравината на материалите – въпреки че са частично издълбани от каналите – екипът показа, че добавянето на фин агрегатен материал към цимента може да подобри неговата издръжливост, без да се повлияе на способността на съдовата система да циркулира фазово променящия се материал.

„Въпреки че това проучване имаше за цел да докаже концепцията, тези резултати са обещаващи и нещо, върху което можем да надграждаме“, каза Фарнам. „Това показва както ефективността на този метод за регулиране на повърхностната температура в циментови материали, така и прост и рентабилен метод за тяхното производство. С допълнителни тестове и мащабиране вярваме, че това има потенциал да допринесе значително за многобройните текущи усилия за подобряване на енергийната ефективност на сградите.“

Бъдещите изследвания на екипа ще включват тестване на различни фазово-променящи се материали и конфигурации на канали в по-големи проби от циментови материали за по-дълъг период от време и по-широк диапазон от температури на околната среда, наред с други променливи.

Източник на материала: Тechxplore

Източник на материала: Тechxplore, Pixabay