Ar „išmanieji“ pastatų fasadai galėtų šildyti ir vėsinti pastatus?
O kas, jei galėtume suprojektuoti pastatus, kurie galėtų patys šildyti ir vėsinti? Ką daryti, jei tai padarysime pakeisdami esamą technologiją? O kas, jei galėtume sklandžiai integruoti šią technologiją į pastato sienas?
Statybų pramonė padarė didelę pažangą mažindama savo eksploatacinę anglies dioksidą. Tačiau žmonės vis dar sunaudoja didžiulį pasaulinės energijos kiekį mūsų pastatams vėsinti ir šildyti. Mums reikia naujų būdų, kaip pasiekti grynąjį nulį.
Kaip Masačusetso universiteto Amherst doktorantas, dalyvavau nuolatiniuose moksliniuose tyrimuose, kuriuose ieškoma galimų termoelektrinių (TE) medžiagų panaudojimo pastatuose. Prie projekto prisidėjo keli skyriai. Ajla Aksamija ir Zlatanas Aksamija, UMass Amherst profesoriai projekto pradžioje, išrado šią patentuotą technologiją.
Kas yra termoelektrinės medžiagos?
Termoelektrinės medžiagos yra „protingos“ medžiagos. TE gali paversti temperatūros skirtumus (arba šilumos srautą) į elektros energiją. TE medžiagų elgesys buvo žinomas daugelį metų, tačiau mokslininkai daugiausia dėmesio skyrė naujoms TE modulių (TEM) klasėms. Arba jie eksperimentavo su tokiomis programomis kaip termoelektriniai generatoriai, kad automobiliai būtų efektyvesni. Buvo mažai tyrimų apie jų naudojimą statybos pramonėje.
Ar galėtume įdiegti TE įrenginius pastatų fasaduose, kad būtų panaudotas temperatūros skirtumas viduje ir išorėje elektros energijai gaminti? Į šį klausimą bandėme atsakyti savo tyrime. Jei galėtume, iškėlėme hipotezę, kad tą elektrą galėtume panaudoti pastatų perimetrinėms erdvėms šildyti ir vėsinti, nesiremdami įprastine ŠVOK (šildymo, vėdinimo, oro kondicionavimo) sistema. O net elektrą galėtume gaminti, kai erdvės neužimtos.
Kodėl idėja naudoti TE pastatų išorėje yra tokia įdomi?
Taikydami TE technologiją pastatuose, galėtume sumažinti jų anglies dioksido apetitą ir sąskaitas už energiją.
Bet tai dar ne viskas. Termoelektriniai fasadai yra moduliniai. Jų nereikia jungti prie įprastos ŠVOK sistemos, kuro šaltinio ar oro kanalų. Jie naudoja spindulinį šildymą ir vėsinimą. TEM yra kompaktiški, patikimi ir stabilūs. Juose nėra judančių dalių, o tai sumažina priežiūros išlaidas, palyginti su įprastomis ŠVOK. Šios sistemos gali kaupti energiją vietoje, veikti tyliai ir nereikalauja šaltnešių.
Galbūt galėtume modernizuoti esamus pastatus, integruodami TEM į jų fasadus. Ir, kai tik bus, pramonė galėtų naudoti šias sistemas naujose statybose, galbūt patenkindama daugumą komercinių pastatų perimetro patalpų šildymo ir vėsinimo poreikių. Abiem atvejais sumažintume pastatų energijos apetitą iš tinklo. Tačiau pirmiausia reikėjo išsiaiškinti, ar technologija veikia.
Termoelektrinių modulių tyrimas pastatų fasaduose
Komanda ištyrė į fasadus integruotus TEM, siekdama išsiaiškinti, ar teorija gali būti tikrovė. Pradiniame etape sukūrėme paprastus prototipus, kad patikrintume hipotezę apie TE šildymo ir vėsinimo galimybes. Preliminarūs rezultatai buvo daug žadantys, rodantys potencialą.
Kitame etape mes ištyrėme TEM kaip atskirų elementų integravimą fasade ir derinimą su šilumos kriauklėmis fasadų mazguose. Naudojome šiluminę kamerą, kad imituotume įvairias išorines aplinkos sąlygas nuo 0° iki 90°F. O vidinių radiatorių temperatūrą matavome tiek šildymo, tiek vėsinimo režimais. Mūsų rezultatai parodė, kad fasadai su integruotais TEM ir šilumos kriauklės turėtų gerai veikti šildymo ir vėsinimo režimais, esant įvairioms išorinėms aplinkos sąlygoms.
Kitame etape komanda sukūrė energijos modelius, remdamasi mūsų pradinėmis išvadomis. Išbandėme vieną biuro erdvę su TEM fasadu ir didelį komercinį pastatą su perimetru TEM fasadu. Palyginome našumą su įprastine sistema įvairiose klimato zonose ir oro sistemose. Rezultatai ir vėl pranoko mūsų lūkesčius. Mūsų modeliai parodė, kad fasado plokštės geriausiai veikė, kai temperatūrų skirtumas buvo didelis, nes tada tiekiama daugiau energijos.
Pradėjome ieškoti sistemos optimizavimo. Skaičiavimo skysčio dinamika padėjo mums nustatyti, kad apie 15 procentų fasado turėtų būti skirta TEM, kad būtų optimalus veikimas. Toliau komanda suprojektavo įvairius fasadų mazgus su atitinkamomis architektūrinėmis detalėmis. Kad šie išmanieji fasadai būtų pripažinti pramonėje, turės būti gaminami su įvairiomis medžiagomis ir stiliais bei langų parinktimis. Komanda taip pat įtraukė šešėliavimo ir fotovoltines plokštes į fasadų sistemas. Nėra jokios priežasties, kad fasadas, kuris šildo ir vėsina, taip pat negali atrodyti gerai.
Kas laukia išmaniesiems fasadams?
Tyrėjai sukūrė du pilno masto veikiančius prototipus. Tačiau jie dar turi juos išbandyti realiomis sąlygomis. Apie projektą paskelbėme įvairių straipsnių ir mokslinių darbų, pavyzdžiai: „Naujos aktyvios fasadų sistemos ir jų energinis naudingumas komerciniuose pastatuose“ ir „Termoelektrinės medžiagos išorinėse sienose: eksperimentinis tyrimas dėl išmaniųjų fasadų panaudojimo šildymui ir vėsinimui didelio našumo pastatuose .
Grupės tyrimai rodo, kad ši technologija turi didelį potencialą. Taigi, kas bus toliau fasadams su integruotais TEM? Išradėjai siekia patento ir ieško gamybos partnerių, kad šie produktai būtų pateikti rinkai. Jie džiaugiasi išmaniųjų fasadų galimybe naujos kartos mažai anglies dioksido į aplinką išskiriančiuose pastatuose. Ir aš nekantrauju pamatyti, kur tai nuves.
apie autorių
Tvarių pastatų analitikas Mahsa Farid Mohajer vertina ir skatina aplinką tausojančias ir energiją taupančias statybos praktikas – sujungia savo rūpestį aplinka ir troškimą daryti teigiamą poveikį pastatų statymui ir naudojimui.