Белее белого: стены, отражающие до 98% солнечного света



    Холодными зимними днями, когда муконазальный секрет превращается в сосульки, многие из нас мечтают, чтоб лето наступило быстрее. Но, когда лето неминуемо наступает, и жара раскаляет асфальт, машины и людей, наши желания меняются в противоположную сторону. Спасаться от жары можно разными методами: тень, чай, купание в водоеме, переезд на Северный полюс и т.д. Но самый распространенный и самый технологичный метод это кондиционеры. Проблема в том, что эти устройства потребляют немало энергии и сопутствуют выделению углекислого газа в атмосферу. Ученые из Калифорнийского университета (США) решили разработать новый метод охлаждения помещений, в котором нет нужды в кондиционерах, а всю работу выполняет определенная краска, нанесенная на внешние стены помещения. Какие физические законы эксплуатирует данная разработка, как именно она сопутствует охлаждению, и насколько эффективна охлаждающая краска? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

    Основа исследования


    Одним из самых широко известных физических явлений является способность разных материалов по-разному взаимодействовать с электромагнитными излучениями. Все мы знаем, что в солнечный день лучше надеть белую футболку, нежели черную, ибо белые поверхности лучше отражают солнечный свет, чем черные. За этим известным фактом стоит сразу несколько физических явлений (поглощение, отражательная способность и т.д.).

    Эти процессы происходят и со зданиями. Большинство современных белых красок способны отражать до 85% солнечного излучения. Однако этот показатель можно улучшить, по словам ученых, реализовав достаточно простые модификации химического состава краски.

    В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые предложили так называемый метод пассивного дневного радиационного (излучательного) охлаждения (PDRC от passive daytime radiative cooling), который включает в себя отражение солнечного света (длина волны l = 0.3–2.5 мкм) и излучение длинноволнового инфракрасного (LWIR; l = 8–13 мкм) тепла через соответствующие окна атмосферной передачи в космическое пространство ().


    Изображение №1

    Когда поверхность под открытым небом имеет достаточно высокий коэффициент отражения солнечного света (Rsolar) и коэффициент излучения LWIR (ϵLWIR), солнечное нагревание перевешивается радиационными потерями тепла в космическое пространство, поэтому поверхность самопроизвольно охлаждается даже при сильном солнечном освещении. Если данные принципы реализовать в виде краски, которой будут покрыты наружные стены и крыши зданий, то эффективность охлаждения будет намного лучше, чем от классических кондиционеров (не говоря уже о снижении негативного воздействия на экологию).

    Использование отражения света в качестве основы для охлаждения изучается уже достаточно давно. Еще в 1960-ых годах ученые рассматривали охлаждающие свойства полимеров, диэлектриков и полимерных композитов. Позднее интерес к такого рода исследованиям снизился, однако в последние годы, когда вопросы энергоэффективности и экологической безопасности стали одними из важнейших, исследования начались заново. В новых разработках большое внимание уделялось фотонным и полимерным охладителям.

    Например, фотонные многослойные пленки, которые могут обеспечивать высокий Rsolar и селективный LWIR, достигают температур ниже температуры окружающей среды, что делает их полезными для систем HVAC с водяным охлаждением, холодильников и термоэлектрических устройств. Однако, несмотря на хорошие показатели, данная методика не может стать массовой, ввиду своей сложности и дороговизны. Следовательно, применение определенных покрасочных материалов для охлаждения помещений является самым перспективным направлением в этой области. Тем не менее для полноценной реализации «краски-охладителя» необходимо учитывать несколько важных факторов и переменных.

    Результаты исследования


    С физической точки зрения требования к ограждающим конструкциям PDRC четко определены (1B): высокий Rsolar для минимизации солнечного нагрева и высокий LWIR для максимизации радиационных потерь тепла в космос.

    Авторы сего труда отмечают, что в литературе по радиационному охлаждению подчеркивается необходимость селективного излучения LWIR для максимизации охлаждения, однако это необходимо только для достижения оптимальных характеристик при температурах, существенно ниже температуры окружающей среды. В реальности же экстерьер зданий имеет температуру, близкую или превышающую температуру окружающей среды, из-за их контакта с воздухом и тепловыделения внутри помещений. Следовательно, широкополосный тепловой эмиттанс* є (в диапазоне l 2.5–40 мкм), составляющий длины волн LWIR, может быть столь же эффективным при охлаждении, что и селективный эмиттанс LWIR (1A и 2B).


    Изображение №2
    Тепловой эмиттанс* (тепловая испускательная способность) — отношение излучаемого тепла конкретного объекта или поверхности к излучению стандартного черного тела.
    Не стоит забывать и о том, что данная система охлаждения должна соответствовать определенным практическим нормам. Технология PDRC охлаждения должна быть:

    • применима на поверхностях с различными формами, размерами и текстурами;
    • устойчива к химическим веществам окружающей среды, солнечному излучению и погоде;
    • экономична и доступна в различных социально-экономических условия.

    Выходит, что технология PDRC должна быть универсальной, недорогой, долговечной, масштабируемой и, естественно, эффективной. Комбинация таких эпитетов желательна для любой технологии или устройства, вопрос — можно ли этого достичь на практике. Ученые считают, что именно белая краска соответствует всем вышеперечисленным параметрам.

    Морфологически краски представляют собой композиты, содержащие оптические рассеиватели, обычно диэлектрические пигменты, встроенные в полимер. Типичная белая краска содержит пигменты TiO2, диспергированные в акриле или силиконе в массовом соотношении 1: 1, с дополнительными компонентами, такими как SiO2 и CaCO3. Эти изначально излучающие материалы придают краскам почти единичный, широкополосный є 0.95.

    Однако Rsolar красок ниже, чем у конструкций PDRC на основе серебра (0.92–0.97), так как промышленность предпочла использовать именно рутиловый TiO2 в качестве белого пигмента. Высокий показатель преломления наночастиц TiO2 (n > 2.5) относительно показателя полимерных связующих (n = 1.5) позволяет им рассеивать солнечный свет более эффективно, чем такое же количество других белых пигментов, что делает TiO2 экономически эффективным.

    Тем не менее, благодаря ширине запрещенной зоны 3.0 эВ (l = 0.413 мкм), TiO2 по своей природе поглощает ультрафиолетовый (0.3–0.4 мкм) и фиолетовый* (0.4–0.41 мкм) свет, которые несут 7% солнечной энергии ().
    Фиолетовый свет* находится на верхнем конце видимого спектра, с длиной волны ~ 380-450 нм. Свет с более короткой длиной волны, чем фиолетовый, но длиннее, чем рентгеновские и гамма-лучи, называется ультрафиолетовым.
    Это ограничивает Rsolar до < 0.95 (2B). Ранее проведенные исследования позволили оптимизировать размер частиц TiO2 для улучшения рассеяния и приближения к этому пределу. Однако поглощение солнечного света в ближней инфракрасной области (NIR, l 0.7–2.5 мкм) полимерными связующими () и неоднородность отражения на других длинах волн означают, что даже при оптимизации Rsolar имеет реалистичный предел в 0.92 и составляет < 0.86 для лучших на рынке красок на основе TiO2 ().

    Эти показатели описывают мировой стандарт «охлаждающего покрытия» для экстерьера зданий, и позволяют крышам и стенам с таким покрытием быть значительно холоднее, чем без покрытия. Но они не могут обеспечить охлаждение в условиях окружающей среды при сильном солнечном освещении ().

    Повышение Rsolar, однако, может превратить краски в радиационные охладители, которые непрерывно отдают тепло в атмосферу независимо от времени суток, и, следовательно, снижают охлаждающую нагрузку на здания (1C).

    Повысить Rsolar белых красок вполне реально за счет материальных изменений. Поскольку краски являются оптически неоднородными рассеивающими средами, удаление любых источников поглощения усиливает Rsolar. Есть два способа достичь этого:

    • заменить TiO2 на УФ-неабсорбирующие пигменты;
    • использовать полимерные связующие с низким показателем преломления с низкой УФ- и ИК-абсорбцией.

    Первый способ может быть также реализован по-разному. Одной из возможностей является использование пигментов с большими оптическими запрещенными зонами, таких как Al2O3 (7.0 эВ, 0.177 мкм) и BaSO4 (6.0 эВ, 0.208 мкм). Либо использовать полимерные пигменты, такие как частицы политетрафторэтена (ПТФЭ), которые имеют минимальное поглощение на длинах волн Солнца. В частности, пигменты Al2O3, BaSO4 и PTFE имеют собственные оптические фононные резонансы или колебательные моды в инфракрасном диапазоне длин волн, что делает их пригодными для излучения тепла.

    Более новым, недавно исследованным вариантом является использование микроскопических воздушных пустот в качестве «пигментов» для рассеивания солнечного света. В этом случае эмиттанс є возникает исключительно от самого пористого полимера.

    Второй способ может быть достигнут за счет использования фторполимеров, таких как P(VdF-HFP) или коммерчески доступных водных P(VdF) вариантов. По сравнению с акриловым или силиконовым, фторполимеры имеют меньше связей C-H или O-H, которые поглощают солнечный свет при l = 1.2, 1.4, 1.7 и 2.3 мкм, и больше связей C-F, которые слабо поглощают свет при 2.1 мкм. Кроме того, фторполимеры поглощают меньше ультрафиолета, чем акрил, еще больше усиливая Rsolar.

    Поглощающая способность может быть дополнительно снижена путем уменьшения количества полимера в краске. Наконец, поскольку фторполимеры имеют более низкие показатели преломления (1.38–1.43), чем акрилы (1.495), они усиливают рассеяние на пигментах и, следовательно, показатель Rsolar.

    На и показаны результаты, касающиеся коэффициентов отражения белых красок на основе TiO2, стандарта отражения на основе сверхбелого ПТФЭ (Spectralon SRM-99) и посеребренных излучателей.

    В отсутствие собственного поглощения УФ-излучения рассеяние на пигментах приводит к высокой отражательной способности УФ-синего. Снижение содержания полимера приводит к аналогичным результатам для длин волн NIR (в ближней инфракрасной области).

    Для BaSO4 и P(VdF-HFP) лакокрасочных покрытий Rsolar достигает 0.98, а для покрытий на основе Al2O3 и PTFE — более 0.94 (2C).

    Как показали вышеописанные расчеты, слегка измененные краски действительно обладают большим потенциалом в области радиационного охлаждения экстерьера зданий, однако существует ряд проблем и сложностей.


    Изображение №3

    Ученые выделяют пять основных проблем, которые могут возникнуть в ходе полноценной разработки PDRC, а также предлагают методы их решения.

    Проблема I: максимизация Rsolar и WLWIR с минимальным использованием материала. Затраты остаются главной проблемой для любой технологии радиационного охлаждения, включая краски, где более высокие материальные затраты могут стать препятствием.

    Решение проблемы достижения высоких значений LWIR кроется в использовании собственных эмиссионных пигментов с определенными размерами в микромасштабе или нанесения красок на излучающие субстраты. А вот высокий Rsolar может быть достигнут путем включения воздушных пустот в краски для увеличения оптического рассеяния. Другой возможностью являются двухслойные системы, в которых реализуется более мелкое проникновение солнечных лучей при более коротких длинах волн. Тонкий слой УФ-отражающей краски () может быть нанесен на пленку TiO2 краски, обеспечивая высокую эффективность рассеяния пигментов TiO2 при отражении ультрафиолетового света.

    Проблема II: долговечность и устойчивость к загрязнению. Многие белые краски со временем испытывают падение отражательной способности солнечных лучей. Такие материалы, как фторполимерные связующие, могут увеличить срок службы отражательной способности и, следовательно, снизить среднегодовые затраты. Загрязнение также представляет собой проблему для всех технологий PDRC, так как снижает солнечную отражательную способность. Следовательно, системы, устойчивые к загрязнению, такие как гидрофобные, стойкие к биологическому обрастанию покрытия, которые могут выдерживать физическую очистку, могут поддерживать эффективность охлаждения и увеличивать срок службы.

    Проблема III: блики. Хотя отражение от белых красок рассеянное и менее интенсивное, чем от серебристых, оно может негативно влиять на зрение и нагревать темные объекты, расположенные в области отражения света от белой краски. Решить эту проблему можно посредством ретрорефлекторных* сфер, однако предстоит изучить их влияние на показатели Rsolar и ϵLWIR.
    Ретрорефлектор* — устройство для отражения лучей света обратно в сторону источника с минимальным рассеиванием.
    Проблема IV: эстетика. Белые краски это хорошо, но вряд ли будет эстетично, если все здания в городе будут одного цвета. Чтобы сохранить необходимый уровень Rsolar и ϵLWIR, при этом разнообразив палитру цветов, можно использовать флуоресцентные пигменты, которые преобразуют поглощенный свет в видимом диапазоне в излучение в ближней инфракрасной области.

    Проблема V: экология. Полноценная PDRC система может снизить негативное воздействие на окружающую среду, однако использованные в системе краски должны быть экологически чистыми, что не всегда истинно. Следовательно, необходимо заменить те опасные составляющие на экологически безопасные (например, варианты на базе фторполимера на водной основе), что может дополнительно повысить долговечность краски.

    Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

    Эпилог


    Человеческая натура такова, что мы всегда рады сэкономить. Однако экономия порой приводит к определенным печальным последствиям, о которых мы часто и не задумываемся в нужный момент. С одной стороны — использование кондиционеров это просто, быстро, эффективно и не так уж и дорого. С другой стороны — это влияет на экологию, что в долгосрочной перспективе выльется в дополнительные расходы на «разгребание» последствий.

    Предложенная в данном труде технология охлаждения учитывает как наше желание сэкономить, так и экологические ограничения. Реализация незначительных изменений состава лакокрасочных материалов позволяет увеличить их отражательную способность с 0.85 до 0.98. Поскольку солнечный свет не будет поглощаться поверхностью экстерьера зданий, они не будут так нагреваться, следовательно, использование кондиционеров (и других классических методов охлаждения) можно будет сократить. Во-первых, это выгодно, а во-вторых, это не так влияет на окружающую среду.

    Конечно, остается ряд проблем, которые нуждаются в решении, о чем честно признаются сами авторы сего труда. Экономическая, экологическая и даже эстетическая составляющие будут рассматриваться более детально в последующих исследованиях. В данном же ученые высказали теорию и описали концепцию, которая, к слову, выглядит крайне привлекательно и перспективно, несмотря на ранний этап разработки.

    Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

    Немного рекламы


    Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

    Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
    ua-hosting.company
    Хостинг-провайдер: серверы в NL до 300 Гбит/с

    Комментарии 28

      +5
      Видимо, решение только для постоянно теплого климата — зимой в наших широтах не помешал бы обратный процесс. Интересно было бы покрытие наподобие e-ink: весной щелкнул тумблером — дом белый и экономишь на кондиционере; осенью щелкнул обратно — дом потемнел и экономишь на отоплении.
        0
        Тогда нужно убрать утепление фасада, иначе полученное тепло не попадёт в дом
          0

          Тепловые трубки к радиаторам в комнатах?
          Когда жарко — уносят тепло к охлаждающей краске, когда холодно — приносят обратно от нагретой краски в комнату.
          Кстати, как вариант — встроить в эти трубки краны для регулировки перетока теплоносителя — тогда всё ещё лучше стать может.

            0
            А ещё можно все стены здания покрывать прозрачными полыми плитами и заполнять их идеально белой жидкостью летом, а зимой абсолютно чёрной (привет, вантаблэк!). Также можно снабдить их трубками, проработать циркуляцию жидкостей… И превратить здание в живой организм xD
              0

              Не так уж часто нужно будет циркулировать (если подходить к вопросу сезонно), но ваша идея безусловно интересна.
              Кроме того, можно при желании варьировать цвета стен (мерзлякам побольше чёрного заливать в сравнении с нормальными, к примеру)


              Самое сложное — сделать подходящие жидкости которые будут несмешиваемыми между собой (чтобы обеспечить замену без больших потерь жидкостей).

              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
              +2
              Вопросы с переключением режима и теплоизоляцией решаются геометрической хитростью на этапе проектирования: на южном фасаде здания большая площадь остекления, а в помещении на некотором отдалении от окон массивная светопоглощающая стена. Зимой, когда солнце низко над горизонтом, стена освещена и активно нагревается, ночью отдавая тепло обратно. Летом солнце высоко и свет на стену не попадает.
              0
              Если идти от обратного — покрасить стены не только с внешней, но и с внутренней стороны в белый, тогда и зимой и летом будет хорошо
              0
              Холодными зимними днями, когда муконазальный секрет превращается в сосульки
              Как Вы их, однако, красиво.

              Есть перелицованное старое здание проектного института. Снаружи и внутри — красота, глянец. Но. Нет централизованной вентиляции и кондиционирования, так ещё и после ремонта владелец здания запретил на фасаде ставить кондиционеры — некрасиво. Теперь по всему зданию кондиционерщики протягивают магистрали от фасада к тыльной стороне, где теперь будут обитать внешние блоки кондиционеров, там можно и не очень красиво делать. Удлинение магистралей составляет около 10 метров, об их КПД можно надёжно забыть. Зато красиво.
              Так вот, в этом здании, в помещении на втором этаже с роскошными огромными окнами дожариваются сотрудники, ожидая милости либо со стороны погоды, либо от кондиционерщиков. В то же время в подвальном вспомогательном помещении с низкими потолками, без окон стоит идеальная офисная температура — не слишком холодно и не слишком жарко.
              Мораль — пора наконец применять в практике строительства описываемые в статье покрытия. Даже напыление на стеклопакете способно существенно уменьшить тепловую мощность, поглощаемую зданиями при высокой инсоляции и значительно уменьшить расходы энергии на кондиционирование воздуха. И, конечно, архиважным остаётся вопрос правильной вентиляции в жилых и офисных помещениях, и в жаркий, и в холодный сезоны.
                0
                пора наконец применять в практике строительства описываемые в статье покрытия.

                А так ли надо?


                в подвальном вспомогательном помещении с низкими потолками, без окон стоит идеальная офисная температура — не слишком холодно и не слишком жарко.

                Вот же готовое решение проблемы))

                  0
                  Сейчас всколыхнётся рынок аренды офисных площадей, все побегут занимать подвалы.
                  В общем, дышится в подвале легче, но недолго — вентиляционный короб там есть, а вот вентиляции практически нет. Если усадить несколько человек — быстро надышат критический уровень CO2. А одному на ста кубометрах воздуха нормально.
                  В старых зданиях с отсутствующими вертикальными вентиляционными шахтами редко бывает нормальная вентиляция.
                0
                Какое сложное решение проблемы то! Обычно достаточно усреднения ночной и дневной температуры, что достигается просто материалоемкостью (весом) и утеплением снаружи.
                P.S. это все работает при отсутствии сильных источников тепла внутри здания. Но при их наличии, кажется, очевидным становится вопрос о принудительном охлаждении.
                  0

                  Это сработает только если температура в среднем комфортная (а может быть что она и в среднем окажется слишком жаркой).

                  0

                  Вот только мыть этот фасад надо будет переодически, иначе он за несколько месяцев из белого станет грязно серым.

                    0

                    или покрыть алеофобом. Хотя не понятно, что по цене

                      0
                      покрыть алеофобом

                      Может, олеофобным покрытием?
                      Думается, что оно не сильно поможет, поскольку атмосферная грязь не очень жирная обычно, по моим наблюдениям она легко смывается увлажнённой тряпкой без моющих веществ.
                      Тут скорее гидрофобное покрытие будет интересно, поскольку защитит поверхность от загрязнений принесённых осадками, но при этом заставит эти осадки смывать негидрофобную грязь с поверхности фасада.

                    0
                    Даже напыление на стеклопакете способно существенно уменьшить тепловую мощность

                    Сидим в здании с атермальными стёклами, это которые «с напылением» и с металлическим фасадом. Договорной отдел, вся жизнь которого проходит «на телефоне», ежедневно матом кроет архитекторов из-за того, что в здании не работают сотовые телефоны, связь хрюкает, квакает и отваливается, и СМС приходят с опозданием в часы.

                    ЗЫ: Приходили представители опсосов, сказали ставить пикосоту или выносной сектор экономически не выгодно.
                      0

                      У вас просто в офисе нет микросот вашего оператора с антеннами внутри здания, как вы и говорите.


                      Я работаю в здании обшитом по периметру металлической сеткой 50x50 милиметров, но проблем с сотовой связью нет, поскольку внутри здания установлены антенны операторов и их базовые станции.


                      А вот внешние сигналы типа GPS и не подключенных к зданию операторов почти не пробивают, да. Приходится выносить антенны за решётчатый фасад.

                        0
                        Я работаю в здании обшитом по периметру металлической сеткой 50x50 милиметров, но проблем с сотовой связью нет, поскольку внутри здания установлены антенны операторов и их базовые станции.

                        Не гиперкуб сколковский случайно? :)
                        +1
                        Технология VoWiFI спасет вас.
                          0

                          Странно что нет офисной pbx.

                            0
                            Всё есть, но клиенты желают звонить именно на сотовые телефоны, по вполне понятным причинам.
                              0

                              Ну, намекните операторам что есть такая штука как распределенная АФУ. Можно 'прошить' здание по вертикали и по горизонтали. И включить пару разных опсосов (БС) тоже не проблема: пассивные фильтр-инжекторы или раншаринг.

                          0
                          осталось еще понять, насколько налипшая пыль ухудшает отражательную способность, ведь здания не могут всегда содержаться в идеальной чистоте…
                            +1
                            Такую бы красочку, которая при -30 имела коэффициент отражения 5%, а при +30 отражала бы на 95%… мечта!
                              0
                              Есть подобное, в конце 20 века описывали в ЮТ, или РиИ.
                              вроде как соединения ванадия, но ручаться не буду.
                              0
                              Подобный финт в ЮТ описывали, но там нужен вид на небо как радиционно холодный объект.
                              и там на малых интенсивностях будут мешать облака.
                              поэтому предлагалось использовать концентратор, в виде направленного ИК излучателя.
                                0

                                Но ведь летом в помещении жарко не только из-за нагрева самого здания, но и из-за втекающего горячего воздуха. И в этом случае краска окажется бесполезной. Т.е. кондиционеры всё-равно нужны будут, просто возможно, меньшей мощности

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                Самое читаемое