Насколько замкнут круг? Глобальное потепление и кондиционеры.

Механические кондиционеры с хладагентами спасают нас от жары, но губят планету. Источник.

По мере роста среднегодовой температуры, мы всё больше и больше нуждаемся в средствах охлаждения воздуха. Реклама кондиционеров стала уже воспринимается новым предвестником жары, нагнетая мысли о ежегодной заботе чуть ли не с началом весны. И это вполне понятно ‒ все мы ценим прохладу в полуденный зной так же, как тёплое местечко в морозный ветреный день, и нам нужно успеть купить и установить эти вожделенные устройства или провести их профилактику. Несмотря на ажиотаж, спрос и сезонный рост цен, кондиционирование воздуха всё равно кажется вполне доступным и разумным решением частной задачи.

Вот только технологии, стоящие за ним, по совокупности признаков считаются сегодня одной из основных причин глобального потепления. Обязаны мы этим применению в них мощных парниковых газов и стремительно возрастающих энергозатрат. Например, в США на кондиционеры уходит около 15% всего энергопотребления, а в жарких странах эта доля может превышать 2/3.

Существует множество исследований, нацеленных на поиск альтернативных решений для удовлетворения «прохладительного» спроса. В этом году, например, уже было предложено несколько интереснейших идей. Так, «с помощью пассивного радиационного охлаждения холод космического пространства можно было бы использовать в дополнение к обычным кондиционерам и снизить их энергопотребление», ‒ говорит Магнус Йонссон, профессор и руководитель группы органической фотоники и нанооптики в Университете Линчепинга, чья команда в начале года представила свою разработку электрического контроля над инфракрасным излучением от объектов.

Усиление и ослабление теплового излучения. Источник.

Технология зиждется на способности атмосферы передавать свет в этом диапазоне, благодаря чему холод в космическом пространстве, где температура составляет около -270ºС, может быть использован для отвода тепла от объектов на Земле. Это можно сравнить с пылесосом, с тем лишь отличием, что движущей силой становится разница температур, а не давления. Однако теоретически, так же, как и в случае с пылесосом, в результате пассивного радиационного охлаждения может возникнуть «чистый вынос», отчего объект остынет и окажется холоднее окружающей среды.

Исследователи отмечают, что весьма непримечательный результат регулировки температуры всего в 0.25ºС, справедливый на момент выхода статьи в журнале Cell Reports Physical Science, не должен вводить в заблуждение своей незначительностью. Главное в этом ‒ потенциал направления исследований и перспективы инженерных разработок в будущем.

В долгосрочной перспективе это может вылиться в системы для монтажа на крыше (наподобие солнечных панелей), которые будут контролировать инфракрасное тепловое излучение дома и охлаждая его при необходимости. Причём ‒ без грандиозных энергозатрат и внушительного загрязнения. Кстати, сейчас в том же Университете Линчепинга есть команда, озадачившаяся разработкой «центрального хладоснабжения» зданий.

Также, совсем недавно, Американское химическое общество опубликовало работу в данном направлении, ставка в которой сделана на пустынного хамелеона, регулирующего свою температуру с помощью изменения цвета тела. Вдохновлённое ящерицей покрытие получилось довольно эффективным и экономичным. Его материал может сохранять в зданиях прохладу летом или тепло зимой без дополнительной энергии.

Термоадаптивное радиационное охлаждающее покрытие с возможностью изменения цвета позволяет регулировать видимый свет на 41%. Источник.

Покрытие представляет собой суспензию из термохромных микрокапсул (веществ, чей цвет зависит от их температуры), специализированных микрочастиц и связующих веществ. Будучи нанесённым на металлическую поверхность, при нагревании до 68ºF (20ºС) состав начал менять цвет с тёмно-серого на светло-серый, а прогревшись до 86ºF (или 30ºС), стал светлым и отразил до 93% солнечной радиации. Мало того, даже нагреваясь в течение всего дня до 80ºС (или 175ºF) покрытие не показало никаких признаков повреждения.

Исследователи уверены, что это простое решение может сэкономить массу энергии в регионах с несколькими сезонами, и при этом оно доступно и довольно немудрено в производстве. По предварительным подсчётам, экономия может составить до 20% годовой энергии в регионах средних широт с увеличением рабочего времени на 55%. Представьте одежду или лакокрасочные материалы с такими свойствами. Недурно будет обработать ими, скажем, ваш автомобиль, не так ли?

Ещё один вариант альтернативного охлаждения предложен исследователями из Университета Макгилла, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Принстона буквально на днях. Они также заявляют о недорогой и устойчивой технологии для жаркого и засушливого климата, которая к тому же может смягчить опасные тепловые волны во время отключений электроснабжения.

Внедрение в архитектуру пассивного радиационного охлаждения помещений. Источник.

В поисках своего рецепта пассивного охлаждения внутри зданий, учёные решили использовать естественное кондиционирование в жарком климате. Для этого было изучено множество кровельных материалов, излучающих тепло даже под прямыми солнечными лучами, и то, как можно их сочетать с управляемой температурой вентиляцией. Эти технологичные «прохладные» материалы и покрытия часто используются для оформления радиаторов и предотвращения перегрева крыш.

Их также используют для улучшения отвода тепла от чиллеров (аппаратов для охлаждения жидкостей), однако исследователи посчитали, что у них есть некоторый неиспользованный потенциал, благодаря которому в будущем можно будет обеспечить их более полную интеграцию в архитектуру зданий. В таком случае эти покрытия могли не только пассивно отводить тепло изнутри во вне, но и обеспечивать регулярную и здоровую циркуляцию воздуха.

«Мы обнаружили, что можем поддерживать температуру воздуха на несколько градусов ниже преобладающей температуры окружающей среды и на несколько градусов ниже эталонного «золотого стандарта» пассивного охлаждения, ‒ говорит кандидат наук изАрхитектурной Школы Питера Го-хуа Фу, ведущий автор работы, Реми Фортин. ‒ Мы сделали это, не жертвуя при этом здоровым воздухообменом при вентиляции». 

По признанию учёных, на самом деле это была серьёзная задачка. Дело в том, что поддерживать в помещении с открытыми дверями температуру ниже, чем снаружи довольно проблематично ‒ попробуйте с холодильником, если вам его не жалко. Проблема уходит, как только вы закроете дверцу, но это сведёт на нет драгоценную вентиляцию. Да, в холодильной камере она не является предметом первой необходимости, но вот в помещении… Воздухообмен является не только основным условием пригодности здания к жизни, но и дополнительным источником тепла. Так что да, исследователям удалось решить серьёзную задачу.

Они надеются, что полученные результаты скоро будут внедряться в строительные технологии стран, страдающих от опасного климатического нагрева и так называемых волн жары, когда очень высокотемпературные условия днём сменяются сильным ночным холодом.

«Мы надеемся, что материаловеды, архитекторы и инженеры будут заинтересованы в этих результатах, и что наша работа вдохновит на более целостное мышление о том, как интегрировать прорывы в материалах радиационного охлаждения с простыми, но эффективными архитектурными решениями», ‒ говорит Салмаан Крейг, главный исследователь проекта, доцент Архитектурной школы Питера Го-хуа Фу.

В целом, решения множатся и радуют разнообразием не только их технологических моментов, но и климатических назначений ‒ всё-таки жара может донимать не только жителей пустынь. Однако, поскольку мы живём в мире, в котором, чтобы решить глобальную проблему, это решение должно быть прежде всего выгодным, особенно хочется выделить экономическую составляющую предлагаемых технологий. Кому-то это вселяет надежду, кого-то просто воодушевляет или придаёт азарта техногика. А в общем, это означает, что мы можем многое, несмотря ни на что. И все вместе, и каждый в отдельности. На то нам и наука! Так что сегодня у нас есть действительно неплохие варианты облегчения столь кризисных климатических перспектив, что называется, «малой кровью». 

АРМК, по материаламLiU, ACS, McGill, ScienceDirect.