Кондиционер не нужен: инженеры вспомнили древние способы сохранить прохладу в помещении29.12.2024 21:01

Это еще одна история о новых технологиях, которые могут замедлить изменение климата, уменьшить его негативные последствия и помочь обществу адаптироваться к быстро меняющемуся миру.

Люди регулярно сталкиваются с изнуряющей летней жарой. Чтобы сохранить прохладу, большинство из нас пользуется кондиционерами в зданиях. Но эти приборы провоцируют простуду и аллергию, потребляют много энергии. А электричество, которое их питает, не только способствует выбросу в атмосферу парниковых газов на электростанциях, но и увеличивает коммунальные счета.

Решая проблему минимизации вреда от кондиционеров, две исследовательские группы обратились к прошлому. Они объединили классические концепции пассивного охлаждения дома с новыми идеями. Их разработки показывают, как будущие поколения смогут строить дома, которые справятся с жарой без лишних финансовых затрат и экологических хлопот.

Одна из групп ученых работает в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Эта команда разработала инновационный сайдинг. Он не плоский, а волнообразный или гофрированный. Его ламели можно прикрепить к обычным стенам снаружи. Новый сайдинг немного похож на меха гармошки. Одна половина каждой складки направлена вверх, а другая — вниз.

Обращенные к солнцу ламели покрываются светоотражающей краской, те, что смотрят вниз — материалом с минимальной теплопроводностью. Совместными усилиями они помогают сохранить прохладу внутри здания.

Совсем другой проект, опробованный в Калифорнии, предполагает возведение обычных прямых стен. Но они сделаны из особо толстого и плотного материала. Это может быть кирпич, камень или саман (кирпич-сырец с добавлением растительного материала, например, соломы). Вентиляционные отверстия и другие проемы в конструкции здания позволяют воздуху естественным образом циркулировать внутри. Естественная вентиляция обеспечивает приток большого количества наружного воздуха, чтобы в помещениях не было душно.

Обе конструкции обеспечивают пассивное охлаждение. Это означает, что в них нет движущихся частей, объясняет Эрик Тейтельбаум. Они также не используют электричество или другие источники энергии. Тейтельбаум, инженер-теплотехник из Хоупвелла, штат Нью-Джерси, не принимал участия ни в одном из проектов. Но он работает над «зелеными» альтернативами кондиционирования воздуха, поэтому ему знакома идея пассивного охлаждения домов.

Разберемся, как волнообразная обшивка здания отражает солнечный свет и тепло.

«По сравнению с плоскими стенами, сайдинг с волнистой поверхностью гораздо лучше отражает тепло, идущее в жаркий день от земли», — отмечает Цилонг Ченг, руководивший проектом в Колумбийском университете.

«Летом земля и особенно асфальт намного горячее воздуха. Например, если температура земли составляет 60 градусов по Цельсию, то температура стен здания может составлять всего около 30 градусов. Прямые стены могут отражать часть солнечной энергии вверх. Но в то же время они могут поглощать тепло от земли. Волнообразные стены отражают и солнечные лучи, и жар снизу».

Чтобы протестировать сайдинг-гармошку, группа из Колумбийского университета прикрепила волнистую алюминиевую раму к тонкой плоской пластиковой стене. Прозрачным эластичным силиконовым полимером покрыли нижнюю сторону каждой складки. Исследователи приклеили тонкий, хорошо отражающий свет лист майлара (пластиковой пленки) к верхней стороне каждой складки.

Затем они протестировали эту модель на открытом воздухе. Рядом была поставлена контрольная модель плоской стены. Обе модели были оставлены на открытом воздухе в Нью-Джерси на 24 часа в теплый августовский день.

Температура гофрированного сайдинга менялась в течение дня. Но в среднем он был холоднее плоской стены на 2,3ºC. В лучшем случае он был на 3,1°C холоднее, чем плоская стена. Компьютерное моделирование показало, что среднесуточная температура в реальном жилище или офисе с волнообразными стенами будет на 2,3 ºC ниже, чем в помещении с прямыми стенами.

Кто-то скажет, что это немного. Однако на самом деле это «весьма значительное улучшение», — считает Сяоцзе Лю. Она инженер-механик из Университета Пердью. «При пассивном охлаждении зданий, — отмечает она, — даже снижение температуры в помещении на один градус может повысить комфорт и сократить расходы на вентиляцию и кондиционирование».

Уроки прошлого

Во втором проекте основное внимание уделяется не стенам, а крыше и тому, как воздух циркулирует внутри помещений. Пассивное охлаждение помещений основано на древних конструкциях, которые использовались во многих жарких и сухих регионах мира (например, на Ближнем Востоке или на юго-западе США).

Задолго до появления кондиционеров строители окрашивали крыши и стены в светлые тона, чтобы отражать греющие кровлю солнечные лучи обратно в космос. В домах были толстые, плотные стены. Стены поглощали тепло внутри помещений днем и медленно отдавали его наружу ночью. Благодаря медленной отдаче в помещении сохранялось тепло даже в холодные ночи.

Команда ученых опиралась на эти классические идеи. Затем она добавила несколько инноваций. Руководил проектом Салман Крейг, инженер- строитель из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Ученые покрыли крышу своего экспериментального сооружения высокотехнологичным покрытием. Оно отражает солнечные лучи, а также по команде излучает накопленную тепловую энергию внутрь здания. Затем они смоделировали на компьютере вентиляционные отверстия, обеспечивающие оптимальную циркуляцию теплого и холодного воздуха.

Чтобы проверить, насколько хорошо эта конструкция может сохранять прохладу в помещениях, команда Крейга построила две миниатюрных модели «домов». В одном из них все было устроено по их задумке — отражающее покрытие сверху, продуманная естественная вентиляция. Другой был копией обычного американского жилища, только без вентилятора и кондиционера.

Затем экспериментаторы поместили по четыре бутыли с водой в каждый дом. Вода хорошо поглощает и отдает тепло. Эти емкости служили тепловой массой для конструкций.

Затем каждую модель оставили на два дня в пустынной местности Топанга, штат Калифорния. Датчики измеряли температуру внутри помещений и объем воздуха, поступающего в каждый «дом» и выходящего из него.

В новой конструкции температура внутри в среднем была на 1,6 ºC ниже, чем снаружи. В стандартной контрольной конструкции температура в среднем была на 4,3 ºC выше, чем снаружи.

Эти результаты были хороши, но температура в помещении продолжала то повышаться, то понижаться, как на американских горках. В течение дня она колебалась на 6,8 ºC.

Чтобы исправить это, ученые добавили в каждый дом еще по две бутыли с водой. Благодаря большей теплоемкости температура в помещении оставалась более стабильной. Теперь в тестовом доме было в два раза больше свежего воздуха, чем раньше.

Средняя температура в помещении теперь была на 3,9 ºC ниже, чем на улице и на 8,9 ºC ниже, чем в контрольной модели дома!

Осторожный энтузиазм

«Проекты Columbia и California действительно многообещающие», — считает Чжан Лю из университета Пердью.

Однако пока кто-то не попробует жить в полноразмерном здании без кондиционера, делать выводы нельзя. Условия жизни в экспериментальном доме выглядят приемлемыми, но этот дом рассчитан разве что на кошку.

Команда Ченга из Колумбийского университета разработала новый «всесезонный» дизайн гофрированного сайдинга, чтобы сделать свой дом более эффективным и комфортным в течение всего года. Углы складок на волнообразной обшивке можно менять в зависимости от сезона. Их можно регулировать, чтобы максимально охлаждать дом летом и согревать зимой.

Аналогичным образом команда Крейга работает над домом с умной крышей и регулируемой тепловой массой.

Эти модели не везде будут одинаково хороши. Например, как отмечают Чжан и Тейтельбаум, ни одна из них не подходит для влажных районов, таких как Джорджия или Флорида. Эти модели лучше всего подходят для жарких и сухих мест. Таких регионов много по всему миру.

Крейг соглашается с ограниченной применимостью его детища. Полученные результаты, по его словам, следует рассматривать как часть «палитры возможных решений». Главное не зацикливаться на кондиционировании как единственном решении, у которого нет альтернатив.

Обеспокоенный ученый рассказал о рисках таяния ледников в результате глобального потепления.