پوشش انقلابی دما را بدون مصرف انرژی تنظیم می کند

دانشمندان یک سقف هوشمند تمام فصول ساخته اند که خانه ها را در زمستان گرم و در تابستان خنک نگه می دارد بدون مصرف گاز طبیعی یا برق. نتایج تحقیقاتی که در مجله Science گزارش شده است به فناوری نوآورانه ای اشاره دارد که از نظر صرفه جویی در مصرف انرژی از سیستم های سقف سرد تجاری بهتر عمل می کند.

Junqiao Wu، دانشمند دانشکده در بخش علوم مواد آزمایشگاه برکلی و پروفسور علوم و مهندسی مواد UC Berkeley که استاد نقشه برداری و نقشه برداری در آزمایشگاه برکلی هستند، می گوید: “بام تمام فصل ما به طور خودکار بسته به دمای هوای بیرون از خنک نگه داشتن به گرم تبدیل می شود. تهویه مطبوع و گرمایش بدون انرژی، بدون انتشار گازهای گلخانه ای، همه یکپارچه است.”

سیستم های سقف سرد امروزی، مانند پوشش های بازتابنده، غشاء، زونا یا زونا، دارای سطوح “سرد” روشن یا تیره تر هستند که با انعکاس نور خورشید، خانه ها را خنک می کنند. این سیستم ها همچنین مقداری از گرمای جذب شده خورشیدی را به صورت تابش مادون قرمز حرارتی ساطع می کنند. در این فرآیند طبیعی که به عنوان خنک کننده تابشی شناخته می شود، نور مادون قرمز حرارتی از سطح ساطع می شود.

وو توضیح داد که مشکل بسیاری از سیستم های سقف خنک در حال حاضر در بازار این است که در زمستان به تابش گرما ادامه می دهند و هزینه های گرمایش را افزایش می دهند.

او گفت: “ماده جدید ما – به نام پوشش تابشی تطبیقی ​​دما یا TARC – می‌تواند با خاموش کردن خودکار خنک‌کننده تشعشعی در زمستان، صرفه‌جویی در مصرف انرژی را امکان‌پذیر کند و بر مشکل ابر خنک‌سازی غلبه کند.

سقفی برای تمام فصول

فلزات عموما رسانای خوبی برای الکتریسیته و گرما هستند. در سال ۲۰۱۷، وو و تیم تحقیقاتی‌اش کشف کردند که الکترون‌های موجود در دی‌اکسید وانادیم مانند یک فلز نسبت به الکتریسیته رفتار می‌کنند، اما مانند یک عایق نسبت به گرما رفتار می‌کنند – به عبارت دیگر، آنها الکتریسیته را به خوبی هدایت می‌کنند بدون اینکه گرمای زیادی را هدایت کنند. وو توضیح داد: «این رفتار با بیشتر فلزات دیگر که در آن الکترون ها گرما و الکتریسیته را به طور متناسب هدایت می کنند، در تضاد است.

دی اکسید وانادیم زیر حدود ۶۷ درجه سانتیگراد (۱۵۳ درجه فارنهایت) نیز نسبت به نور مادون قرمز حرارتی شفاف است (و بنابراین جذب نمی کند). اما هنگامی که دی اکسید وانادیم به ۶۷ درجه سانتیگراد می رسد، به حالت فلزی می رود و نور مادون قرمز حرارتی را جذب می کند. این توانایی تغییر از یک فاز به فاز دیگر – در این مورد از یک عایق به یک فلز – مشخصه چیزی است که به عنوان ماده تغییر فاز شناخته می شود.

وو و تیمش برای اینکه ببینند دی اکسید وانادیوم در سیستم سقف چگونه کار می کند، یک دستگاه TARC با لایه نازک ۲ در ۲ سانتی متری ساختند.

وو گفت: TARC “به نظر می رسد مانند نوار چسب و می تواند به یک سطح سخت مانند یک سقف متصل شود.”

در یک آزمایش کلیدی، Kechao Tang یکی از نویسندگان، تابستان گذشته آزمایشی را در پشت بام خانه وو در شرق خلیج راه‌اندازی کرد تا قابلیت دوام این فناوری را در یک محیط واقعی نشان دهد.

یک دستگاه اندازه‌گیری بی‌سیم که در بالکن وو قرار داده شده بود، به‌طور مداوم پاسخ‌ها به تغییرات نور مستقیم خورشید و دمای بیرون را از یک نمونه TARC، یک نمونه سقف تیره تجاری و یک نمونه سقف سفید تجاری در طول چند روز ثبت می‌کرد.

چگونه TARC در صرفه جویی در انرژی برتری دارد

محققان سپس از داده‌های این آزمایش برای شبیه‌سازی عملکرد TARC در طول سال در شهرهایی که ۱۵ منطقه آب‌وهوایی مختلف در قاره آمریکا را نشان می‌دهند، استفاده کردند.

وو از رونن لوینسون، یکی از نویسندگان مطالعه، که یکی از همکاران پژوهشی و رهبر گروه جزیره گرمایی در منطقه فناوری انرژی آزمایشگاه برکلی است، برای کمک به آنها در اصلاح مدل دمای سطح سقف خود استفاده کرد. لوینسون روشی را برای تخمین صرفه جویی انرژی TARC از مجموعه ای از بیش از ۱۰۰۰۰۰ شبیه سازی انرژی ساختمان که قبلاً گروه Heat Island برای ارزیابی مزایای سقف های خنک و دیوارهای خنک در ایالات متحده انجام داده بود، توسعه داد.

Finnegan Reichertz، دانش‌آموز کلاس دوازدهم در آکادمی نوآوری Oakland’s East Bay که سال گذشته به‌عنوان کارآموز تابستانی برای وو کار می‌کرد، به شبیه‌سازی نحوه عملکرد TARC و سایر مواد سقف در زمان‌ها و روزهای خاص سال برای هر یک از ۱۵ شهر یا منطقه آب و هوایی که محققان برای این گزارش مطالعه کردند، کمک کرد.

محققان دریافتند که TARC از پوشش های سقف موجود برای صرفه جویی در انرژی در ۱۲ منطقه از ۱۵ منطقه آب و هوایی، به ویژه در مناطقی با تغییرات دمایی زیاد بین روز و شب، مانند منطقه خلیج سانفرانسیسکو، یا بین زمستان و تابستان، مانند نیویورک، بهتر عمل می کند.

تانگ که در زمان مطالعه در آزمایشگاه وو کارشناس فوق دکترا بود، می‌گوید: «با نصب TARC، یک خانواده متوسط ​​ایالات متحده می‌تواند تا ۱۰ درصد در مصرف برق صرفه‌جویی کند. او اکنون استادیار دانشگاه پکن در پکن چین است.

سقف های خنک استاندارد دارای بازتاب خورشیدی بالا و تابش حرارتی بالا (قابلیت انتشار گرما با انتشار تابش مادون قرمز حرارتی) حتی در هوای خنک هستند.

بر اساس اندازه‌گیری‌های محققان، TARC حدود ۷۵ درصد از نور خورشید را در تمام سال منعکس می‌کند، اما تابش حرارتی آن در زمانی که دمای محیط گرم است (بالاتر از ۲۵ درجه سانتی‌گراد یا ۷۷ درجه فارنهایت) زیاد است (حدود ۹۰ درصد)، که باعث از دست دادن گرما به آسمان می‌شود. لوینسون گفت: در هوای سردتر، خروجی گرمای TARC به طور خودکار به پایین تبدیل می‌شود که به حفظ گرمای ناشی از جذب خورشیدی و گرمایش داخلی کمک می‌کند.

یافته‌های آزمایش‌های طیف‌سنجی فروسرخ با استفاده از ابزارهای پیشرفته در ریخته‌گری مولکولی آزمایشگاه برکلی، شبیه‌سازی‌ها را تایید کرد.

وو گفت: «فیزیک ساده پیش‌بینی می‌کرد که TARC کار می‌کند، اما ما از این که به خوبی کار می‌کند شگفت‌زده شدیم. “ما در ابتدا فکر می‌کردیم که گذار از گرم شدن به سرد شدن آنچنان چشمگیر نخواهد بود. شبیه‌سازی‌ها، آزمایش‌های میدانی و آزمایش‌های آزمایشگاهی ما خلاف این را ثابت کرده‌اند – واقعاً هیجان‌انگیز است.”

محققان قصد دارند نمونه های اولیه TARC را در مقیاس بزرگتر توسعه دهند تا کارایی آن را به عنوان یک پوشش عملی سقف آزمایش کنند. وو گفت TARC همچنین ممکن است دارای پتانسیل به عنوان یک پوشش محافظ حرارتی برای افزایش عمر باتری در تلفن های هوشمند و لپ تاپ ها و محافظت از ماهواره ها و اتومبیل ها در برابر دمای بسیار بالا یا پایین باشد. همچنین می توان از آن برای ساخت پارچه تنظیم کننده دما برای چادرها، پوشش های گلخانه و حتی کلاه و ژاکت استفاده کرد.

این مطالعه توسط Kaichen Dong و Jiachen Li انجام شد.

ریخته گری مولکولی یک مرکز استفاده کننده از علم نانو در آزمایشگاه برکلی است.

این کار در درجه اول توسط دفتر علوم DOE و یک بورسیه باکار پشتیبانی شد.

این فناوری برای صدور مجوز و همکاری در دسترس است. در صورت تمایل، لطفا با دفتر مالکیت معنوی آزمایشگاه برکلی تماس بگیرید. [email protected].