Среди всех основных потерь тепла в здании, через крышу теряется 10% — 15%. Учитывая, что через стены теряется 15% — 25%, изначально и по сей день им уделяется внимание и при строительстве, согласно нормативов покрывают тепловой изоляцией. К самой кровле, требований практически никаких, все рассчитано на деньги и дизайн.
Ученые Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (министерство энергетики, Калифорния, США) решили уделить внимание именно крыше, разработали новое кровельное покрытие, которое может сохранять в здании тепло или прохладу, в зависимости от погоды. Когда требуется охладить помещения, материал будет отражать солнечный свет и тепло, вместе с тем эта функция будет автоматически отключаться зимой, сокращая потребление энергии на отопление.
Новая разработка представляет собой систему радиационного охлаждения, которая отбирает тепловое излучение (то есть тепло) от здания и направляет его в окружающее пространство. Поскольку атмосфера прозрачна для волн такой длины, тепло свободно уходит прямо в космос. Для этих же целей иногда используются отражающие поверхности, такие как супербелые краски, которые отражают солнечный свет и тепло, тем самым сохраняя прохладу внутри помещений.
И хотя подобные системы могут хорошо работать на охлаждение в летнее время года, они также способствуют прохладе зимой. Поэтому в своем исследовании инженеры создали покрытие, которое может автоматически переключаться на улавливание тепла с наступлением отопительного периода. Новый материал назвали термоадаптивным радиационным покрытием (TARC).
Ключевым в предложенной технологии является необычное соединение — диоксид ванадия (VO2). В 2017 году ученые обнаружили странное свойство VO2: с достижением температуры 67°C материал начинает проводить электричество, но не тепло, что не совсем стыкуется с законами классической физики.
Исследователи решили использовать эту особенность на практике. Идея состоит в том, что в теплое время года материал поглощает и отражает тепловое и инфракрасное излучение и, таким образом, удерживает его от попадания в здание. Но в прохладную погоду материал прозрачен для тепла, что позволяет ему проходить от Солнца прямо внутрь помещений.
По заключению руководителя исследований Джунцяо Ву, — TARC «выглядит как скотч, и его можно прикреплять к жесткой поверхности, как крышу»
В ключевом эксперименте команда ученых протестировала устройство на крыше дома Ву, прошлым летом, с использованием тонких пленок TARC размером 2×2 см и сравнила их с образцами коммерческих темных и белых кровельных материалов. Беспроводные устройства измеряли изменения инсоляции и температуры.
Образцы TARC тестируются в эксперименте на крыше
Выяснилось, что TARC оправдал ожидания. Согласно измерениям, материал отражал в среднем около 75% солнечного света, но, когда температура окружающей среды превышала 30 °C, он излучал до 90% своего тепла в небо. Когда температура окружающей среди опускалась ниже 15 °C, TARC выделял только 20% тепла.
Используя собранные данные, ученые смоделировали круглогодичную работу TARC в 15 различных климатических зонах по всей континентальной части США, и подсчитали, что среднестатистическое американское домохозяйство может сэкономить до 10% своих счетов за электроэнергию с помощью нового кровельного покрытия.
Исследователи говорят, что кровельное адаптивное покрытие TARC также может быть адаптирован для использования в качестве терморегулирующего материала для автомобилей, электроники, спутников и даже тканей для одежды. Теперь они планируют провести эксперименты с более крупными образцами TARC для проверки целесообразности его применения в роли полноценной кровли.
