Водорастворимое покрытие SARC также может быть изготовлено в различных цветах, что позволяет легко наносить его на крыши зданий, стены, дороги и городские поверхности для достижения как охлаждения, так и эстетических улучшений. Кредит: Гонконгский политехнический университет
На здания приходится около 90% потребления электроэнергии в Гонконге и более 60% выбросов углерода. Энергосбережение в зданиях имеет решающее значение для достижения целей по смягчению последствий изменения климата. Исследователи Гонконгского политехнического университета (PolyU) разработали экологически чистое адаптивное покрытие для охлаждения излучением (SARC) на основе солнечной энергии для крыш и стен зданий.
Это покрытие может снизить температуру поверхности здания на 25°C и снизить температуру внутри помещения на 2–3°C, и все это без потребления энергии. Нетоксичное, не содержащее металла и долговечное покрытие также может производиться в больших масштабах, продвигая экологичный и энергосберегающий метод смягчения эффектов городского теплового острова и способствуя достижению углеродной нейтральности.
Покрытие здания отражающим материалом обеспечивает саморегуляцию его тепловой среды для минимизации температуры внутри помещения. Однако традиционные пассивные материалы для радиационного охлаждения не способны автоматически регулировать охлаждающую способность в ответ на изменения окружающей среды, что ограничивает их применение.
Для решения этой проблемы исследовательская группа под руководством профессора Лу Линь Вивьен, профессора кафедры строительной среды и энергетической инженерии в Политехническом университете, вместе с ключевым членом группы доктором Куан Гонгом, научным сотрудником той же кафедры, изобрели покрытие SARC, управляемое углеродными точками (CD), которое может регулировать охлаждающую способность в зависимости от солнечного излучения.
Работа опубликована в журнале Chemical Engineering Journal.
Это новое фотолюминесцентное нанопокрытие для охлаждения с излучением может преобразовывать солнечную энергию в световую. По мере увеличения интенсивности солнечного излучения улучшается отражательная способность покрытия, что предотвращает чрезмерное поглощение тепла зданиями.
Однако традиционные фотолюминесцентные охлаждающие материалы обычно основаны на редкоземельных металлах и перовскитных материалах, которые представляют экологические риски. Чтобы решить эти проблемы, команда представила новаторские, экологически чистые полимерные CD в качестве фотолюминесцентных материалов в радиационном охлаждающем покрытии.
Наноразмерные компакт-диски были внедрены в полимеры для создания биологически безвредного материала. Полимерные компакт-диски были равномерно нанесены на полые стеклянные частицы для создания умных охлаждающих шариков, что позволило покрытию эффективно преобразовывать ультрафиолетовый свет в фотоны видимого света и увеличить эффективную отражательную способность солнца. Этот водорастворимый SARC требует только испарения воды для формирования покрытия на поверхностях зданий без выделения каких-либо летучих органических соединений, тем самым уменьшая загрязнение воздуха.
Результаты показали, что по сравнению с обычным покрытием для радиационного охлаждения новое покрытие SARC улучшило эффективное отражение солнечного света в дневное время с 92,5% до 95% и увеличило охлаждающий эффект на 10% до 20%. Например, оно может снизить температуру до 25°C при нанесении на бетонные крыши.
В демонстрационном проекте с правительственным департаментом HKSAR команда нанесла покрытие SARC на крыши контейнерных домов на строительной площадке в Гонконге. Примерно через два с половиной года непрерывного воздействия на открытом воздухе покрытые крыши оставались на 24°C холоднее, чем бетонные крыши под воздействием солнечного света. Покрытие оказалось очень прочным, а коэффициент отражения солнечной энергии снизился менее чем на 2% за двухлетний период. Годовая экономия энергии составила 10% за счет снижения нагрузки на кондиционирование воздуха.
Картографируя среднегодовое падение температуры и охлаждающую способность в различных климатических регионах материкового Китая, команда заметила, что чем сильнее излучение, тем большую разницу температур достигало новое покрытие SARC. Взяв в качестве примеров Гонконг и 10 городов материкового Китая — Пекин, Ханчжоу, Гуанчжоу, Чанша, Хотан в Синьцзяне, Шэньян, Гуйлинь, Фучжоу, Чунцин и Ланьчжоу — внедрение этого нового охлаждающего покрытия для зданий, как ожидается, сэкономит от 97 до 136 кВтч/м² электроэнергии в год в каждом городе.
Профессор Лу заметил: «Поскольку глобальное потепление усиливается, а экстремальные погодные явления, такие как волны тепла, становятся все более частыми, научное сообщество все больше сосредотачивается на поиске способов охлаждения зданий при минимизации потребления энергии. Наше новое покрытие SARC демонстрирует исключительную охлаждающую способность и подходит для широкого спектра климатических условий, тем самым ускоряя разработку охлаждающих материалов следующего поколения».
«Это водорастворимое покрытие также может быть изготовлено в различных цветах, что позволяет легко наносить его на крыши зданий, стены, дороги и городские поверхности с помощью валиков для краски. Оно обеспечивает как охлаждение, так и эстетические улучшения и предлагает многообещающее решение для устойчивого городского развития и смягчения эффекта городского острова тепла».
Команда также интегрировала фотолюминесцентное покрытие с двусторонними солнечными фотоэлектрическими элементами (PV) для достижения синергетического улучшения в управлении температурой и выработке электроэнергии, превращая здания из потребителей энергии в сборщики энергии. Команда планирует установить двусторонние PV-панели на крышах строящегося студенческого общежития PolyU Kowloon Tong, с нанесением нового покрытия на соответствующую область под панелями, чтобы улучшить выработку электроэнергии при радиационном охлаждении зданий.
Команда ожидает, что эта двухфункциональная система улучшит выработку электроэнергии на 30–50 % и сократит выбросы углерода на 30 % по сравнению с обычными крышами без покрытия. Если взять этот проект в качестве примера, то установка фотоэлектрических систем на площади около 600 м2 на крышах хостелов может генерировать 97 000 кВт·ч электроэнергии, что приведет к ежегодной экономии более 120 000 гонконгских долларов.
Команда также разрабатывает самоадаптирующееся покрытие для радиационного охлаждения на основе парафина, которое может поддерживать соответствующую отражательную способность солнца в ответ на холодную и жаркую погоду, достигая эффекта сохранения тепла зимой и охлаждения летом.
Дополнительная информация: Куан Гонг и др., Адаптивное покрытие для радиационного охлаждения на основе солнечной энергии с полимерными углеродными точками, улучшенной фотолюминесценцией для городской кожи, Журнал химической инженерии (2024). DOI: 10.1016/j.cej.2024.153262
Информация о журнале: Журнал химической инженерии Предоставлено Гонконгским политехническим университетом
