Зигзаг прохлады: как нестандартная геометрия охлаждает здания без электричества

В условиях стремительного роста потребления энергии и обострения проблемы изменения климата, поиск экологически чистых и экономичных способов охлаждения зданий приобретает первостепенное значение. Одним из наиболее перспективных направлений в этой области является пассивное радиационное охлаждение (ПРО), позволяющее снижать температуру помещений без использования электричества, задействуя природный механизм теплоотдачи в космическое пространство. ПРО основано на способности особых материалов отражать солнечное излучение и эффективно испускать инфракрасное излучение в диапазоне 8-13 мкм, известном как «атмосферное окно прозрачности», через которое тепловая энергия беспрепятственно уходит в холодные глубины космоса.

До недавнего времени большинство исследований в области ПРО было сфокусировано на создании охлаждающих покрытий для крыш, в то время как стенам, занимающим гораздо большую часть поверхности зданий, уделялось сравнительно мало внимания. Основным препятствием на пути к эффективному ПРО стен является необходимость учета теплообмена не только с холодным космосом, но и с нагретой солнцем поверхностью земли. Особенно в летний период земля аккумулирует значительное количество тепла, которое затем излучается в инфракрасном диапазоне, нагревая стены зданий. Этот эффект может существенно снижать эффективность ПРО, если стена равномерно излучает тепло во всех направлениях, не блокируя приток тепла от земли.

Для решения этой проблемы группа ученых из Колумбийского университета под руководством профессора Юань Ян разработала инновационную конструкцию, получившую название «зигзагообразная стена с асимметричной излучательной способностью» (ERZ). Ключевой особенностью ERZ является ее нестандартная геометрия — зигзагообразный профиль, где одна сторона стены покрыта материалом с высокой излучательной способностью в инфракрасном диапазоне и направлена в сторону неба, а другая сторона, покрытая отражающим материалом, обращена к земле.

Такая асимметричная конструкция позволяет ERZ стене эффективно излучать тепло в космос, одновременно минимизируя приток тепла от нагретой земли. Для подтверждения эффективности ERZ стены были проведены как компьютерное моделирование, так и полевые испытания. В ходе полевых испытаний, проведенных летом 2022 года в штате Нью-Джерси, ERZ стена показала значительно более высокую эффективность охлаждения по сравнению с контрольной стеной, покрытой традиционным материалом для ПРО с равномерно высокой излучательной способностью. В среднем ERZ стена оказалась на 2,3°C холоднее контрольной стены, а при максимальной температуре поверхности земли (56°C), разница температур достигала 3,1°C, что соответствует мощности охлаждения 67 Вт/м².

Для всесторонней оценки потенциала ERZ стены, исследователи провели серию дополнительных экспериментов, варьируя ориентацию стены и искусственно снижая конвекцию воздуха. Результаты показали, что ERZ стена сохраняет высокую эффективность охлаждения в различных условиях, что делает ее универсальным решением для разных типов зданий и климатических зон.

Помимо экспериментальной валидации, ученые также провели моделирование энергопотребления зданий с использованием программы EnergyPlus, чтобы количественно оценить потенциальную экономию энергии, которую могут обеспечить ERZ стены. Результаты моделирования показали, что в регионах с теплым климатом применение ERZ стен может привести к сокращению годового потребления энергии на охлаждение на 8-32 ГДж (6,4-24,1 МДж/м²), что соответствует 2-26% экономии. Наибольшая эффективность ERZ стен была зафиксирована в Лос-Анджелесе, Сан-Франциско и Кейптауне (ЮАР), где экономия энергии достигла ~30 ГДж (22,9 МДж/м²) в год.

Несмотря на впечатляющие результаты, ERZ стены требуют дальнейших исследований и усовершенствований перед тем, как они смогут быть широко внедрены в строительной индустрии. Среди ключевых задач — решение проблемы возможного накопления пыли на зигзагообразной поверхности, оптимизация конструкции для применения в высотных зданиях и разработка методов интеграции ERZ стен в различные типы фасадов.

Тем не менее, зигзагообразные стены с асимметричной излучательной способностью являются многообещающим и практически реализуемым подходом к пассивному охлаждению зданий, который способен существенно снизить энергопотребление и внедрить существенный вклад в создание более устойчивой и экологичной архитектурной среды.