Економія на опаленні та охолодженні: передові матеріали. III-частина

Взявши за приклад типовий багатоквартирний житловий будинок середньої площі, застосування запропонованих барвистих фарб з низьким рівнем випромінювання може забезпечити економію енергії на опалення, вентиляцію та кондиціонування повітря до 27,24 МДж/м²/рік (що відповідає коефіцієнту економії 7,4%). Крім того, універсальність фарби разом з її застосовністю до різноманітних поверхонь різних форм і матеріалів, робить фарби дуже корисними в різних сценаріях, включаючи огородження будівель, транспортування та зберігання

Продовження. Початок читайте у попередніх статтях: «Економія на опаленні та охолодженні: передові матеріали. I-частина», «Економія на опаленні та охолодженні: передові матеріали. II-частина»

Симуляція економії опалення, вентиляцію та кондиціонування будівлі

В дослідженні було використано комерціалізоване програмне забезпечення моделювання енергії будівлі Energy Plus (версія 9.5), щоб обчислити, скільки енергії на опалення, вентиляцію та кондиціонування можна зекономити щорічно для типового багатоквартирного будинку середнього розміру, якщо на стіни та дахи нанести барвисті низькоемісійні фарби (див. Матеріали та Методи для більш детальної інформації). Було здійснено перевірку міст в різних кліматичних зонах Сполучених Штатів, та погодинні дані про погоду в кожному місці для типового метеорологічного року (TMY 3) були використані як зовнішні погодні умови, всебічно враховуючи температуру, відносну вологість, напрямок та швидкість вітру, сонячну радіацію тощо. Економія систем опалення, вентиляції та кондиціонування включає економію енергії опалення, економію енергії охолодження та економію енергії вентиляторів. Як показано на Рис. 5А, універсальне заощадження енергії на опалення може бути реалізовано шляхом встановлення запропонованих барвистих низькоемісійних фарб, оскільки це може допомогти зменшити втрати тепла для внутрішніх середовищ протягом холодних днів. Річний показник економії енергії при опаленні коливається від 0,102 МДж/м²/рік (Кона, Гаваї) до 21,07 МДж/м²/рік (Вінслоу, Арізона), на що впливає не лише місцева погода, але й стан ізоляції будівлі.

Зображення Розраховані карти енергозбереження для типового багатоквартирного будинку

Рис. 5. Розраховані карти енергозбереження для типового багатоквартирного будинку середньої висоти в різних кліматичних зонах Сполучених Штатів, з застосуванням кольорових низькоемісійних фарб. (А) Економія опалення. (В) Економія охолодження. (С) Економія вентиляторів. (D) Загальна економія опалення, вентиляції та кондиціонування

Загалом, енергозберігаючий ефект опалення більш виражений для холодних кліматичних зон будівель з меншою теплоізоляцією. У проведеному в цьому дослідженні моделюванні максимальна економія енергії на опалення не спостерігалася в найхолоднішій кліматичній зоні (Аляска), що можна пояснити тим фактом, що початкова ізоляція будівлі в цьому perіоні вже найкраща. Для економії енергії на охолодження (Рис. 5В), це вказує на те, що застосування запропонованих фарб виявляє більш значний вплив на будівлі з меншою теплоізоляцією в зонах з жарким кліматом. Наприклад, річна економія енергії на охолодження для Маямі становить 11,37 МДж/м²/рік. Це також пов'язано зі зниженим сонячним нагріванням та радіаційним надходженням тепла від гарячого оточення (тобто землі, у моделі), що компенсує обмежене радіаційне охолодження неба. З ншого боку, встановлення барвистих низькоемісійних фарб призводить до негативної економії енергії на охолодження в деяких містах, де домінує знижене радіаційне охолодження неба через низький коефіцієнт випромінювання MIR. Негативний вплив на енергозбереження на охолодження може бути зменшений для будівель у міських районах, у яких коефіцієнт огляду неба набагато менший, Hіж у змодельованої тут ізольованої будівлі. Вентилятори відповідають за циркуляцію повітря в будівлі, та зазвичай використовуються в поєднанні з системами охолодження та опалення, допомагаючи розподіляти охолоджене та нагріте повітря по всій будівлі. Встановлення розглянутих низькоемісійних фарб може призвести до економії енергії вентиляторів до 3,90 МДж/м²/рік, що також є більш помітним у зонах з жарким кліматом (Рис. 5С). Загалом, завдяки встановленню запропонованих матеріалів, можна досягти позитивної загальної економії енергії на опалення, вентиляцію та кондиціонування повітря у США.

Як показано на Рис. 5D, щорічно можна заощаджувати до 27,24 МДж/м²/рік енергії (що відповідає коефіцієнту економії 7,4%), а ефект енергозбереження є універсальним для всієї країни, показуючи, що величезну кількість електроенергії та природного газу можна заощадити, що призведе до скорочення викидів парникових газів. Ефект енергозбереження систем опалення, вентиляції та кондиціонування повітря для будівель є всеосяжним результатом як низького рівня випромінювання MIR, так і високого коефіцієнта сонячного відбиття, які гідно балансують економію енергії на опалення та охолодження та штрафні санкції. Хоча оптичний дизайн розглянутих тут кольорових низькоемісійних фарб не оптимізований для окремого охолодження чи нагріву, він забезпечує більш комплексне цілорічне енергозберігаюче рішення, яке ідеально підходить для різних peгіонів. Незважаючи на очевидну економію енергії систем опалення, вентиляції та кондиціонування повітря, як продемонстровано у Energy Plus, варто зазначити, що результати для Маямі та прилеглих до нього районів можуть вважатися викидами. Значення U для зовнішніх стін у регіоні Маямі надзвичайно високе в базі даних, що вказує на значно меншу теплоізоляцію порівняно з іншими місцями. Це, ймовірно, сприяє статусу «випадок» і його слід належним чином підкреслити.

Висновок

Таким чином, в цій статті показано категорію барвистих фарб з низьким рівнем випромінювання, які розроблені для створення двошарових покриттів, одночасно задовольняючи тепловий ефект як додаткову теплоізоляцію через значне зниження радіаційного теплообміну та естетичний ефект для бажаного візуального вигляду. Завдяки оптимізації рецептури, фарби можуть легко генерувати спектрально селективні покриття, які не тільки відповідають вимогам щодо оптичних властивостей, але й демонструють гідну оцінки гідрофобність, стійкість до навколишнього середовища, стійкість кольору та здатність до очищення, що підтверджує практичну доцільність їх застосування. Завдяки коефіцієнту відбиття ~ 80% середньохвильового відбиття (еквівалент 0,2 MIR коефіцієнту випромінювання) було продемонстровано, що ці фарби ефективно знижують потребу в потужності нагріву приблизно на 36% та зменшують швидкість танення льоду на 20,8% у закритих приміщеннях, які піддаються штучному теплому/холодному середовищі. Порівняно з комерційними фарбами, ультратонкі ВLС (10 мкм) забезпечують вищий коефіцієнт відбиття в ближньому інфрачервоному випромінюванні (від 65 до 75%), що може забезпечити додаткову стійкість до сонячного нагрівання (~ 55% відбиття від сонця в середньому), корисну для охолодження в жаркому кліматі. Оптичний дизайн пропонує комплексне цілорічне рішення для енергозбереження, яке врівноважує вимоги економії енергії як для опалення, так і для охолодження. Використовуючи типовий житловий будинок середнього розміру як модель, розрахунки енергозбереження на основі Energy Plus вказують на універсальний ефект енергозбереження опалення, вентиляції та кондиціонування (до 27,24 МДж/м²/р) по всій території США. Крім того, адаптивність запропонованих барвистих фарб із низьким рівнем випромінювання забезпечує їх придатність для широкого діапазону сценаріїв застосування. В результаті є очікування, що ці фарби можна легко наносити на конверти без шкоди для естетичної привабливості, сприяючи значному збереженню енергії для охолодження та обігріву.

Матеріали та методи

Синтез та виготовлення матеріалів

Al MFs, використані для рецептури фарби, використовувалися як придбані (Fisher Scientific, 99,7%). Усі розчинники були придбані у Fisher Scientific без додаткового очищення. Полімерне в’яжуче з нітрил-бутадієн-каучуку та сечовини (NBR-U) було синтезовано за допомогою однореакційної реакції між нітрил-бутадієн-каучуком із первинним амінним терміналом (NBR, Hypro 1300×42, Huntsman, з 18% акрилонітрилу) та гексаметилендіізоціанатом (HDI, Sigma Aldrich, 99%) в метиленхлориді при 25°C протягом 24 год. Готовий полімер нітрил-бутадіен-каучук з сечовиною (NBR-U) розчиняли в метиленхлориді та очищали промиванням великою кількістю метанолу. Кінцевий полімер NBR-U був отриманий видаленням розчинника під вакуумом (Додаток SI, Рис. S3, вихід 89%). Полімер NBR-U розчиняли та зберігали перед використанням у метиленхлориді з концентрацією 50 мг/мл. Повний склад фарби Al MF був виготовлений шляхом змішування Al MF, розчину NBR-U та розчинника п-ксилолу у співвідношенні маса АІ (г): маса NBR-U (г): об'єм розчинника (метиленхлорид та р-ксилол, мл) у пропорції 10:3:110. Суміш перемішували та обробляли ультразвуком для кращої дисперсії. Наночастинки пігменту, включаючи РВ (ACROS Organics), оксид заліза (Sigma- Aldrich, 99%), гетит (Sigma-Aldrich, від 30 до 63% заліза), та ZnO (Sigma-Aldrich, 99,9%) використовувалися як придбані. Кольорові фарби виготовляли шляхом змішування наночастинок пігменту, розчину NBR-U та розчинника ацетону зі співвідношенням маси пігменту (г): маса NBR-U (г): об'єм розчинника (метиленхлорид та ацетон, мл) = 1:0,5:110). Подібним чином суміш перемішували та обробляли ультразвуком для кращої дисперсії. Білий, синій, червоний та жовтий кольори були реалізовані одним видом пігменту, тоді як інші кольори були отримані шляхом змішування двох або трьох видів наночастинок пігменту в певному співвідношенні. При приготуванні покриттів розчини завантажували в пульверизатор (ЗМ) та розпилювали на підкладки при кімнатній температурі. Густина маси навантаження на одиницю площі розраховувалася шляхом зважування маси зразка до і після напилення покриттів площі підкладки. Комерційні фарби були придбані в Home Depot (синя: Glidden Premium, червона: BEHR Marquee, жовта: BEHR Premium plus та біла: Glidden Premium). Їх розбавляли ацетоном та наносили на підкладки тим же методом розпилення. Густину маси навантаження на одиницю площі можна розрахувати тим же методом, що наведений вище.

Характеристика матеріалу

Коефіцієнт відбиття MIR вимірювали спектрометром FTIR (модель 6700, Thermo Scientific) у супроводі дифузної золотої інтегруючої сфери (PIKE Technologies). Спектри ATR-FTIR вимірювали спектрометром Nicolet iS50 FTIR. Коефіцієнт відбиття у видимій області та ближньому інфрачервоному діапазоні вимірювали спектрометрами UV-Vis-NIR (Agilent, Сагу 6000І Tajasco V-670), оснащеними аксесуарами для дифузного відбиття. SEM-зображення були зроблені FEI Nova NanoSEM (5 кВ). Контактний кут вимірювали гоніометром контактного кута (Rame-Hart 290). Масу зразка вимірювали за допомогою аналітичних ваг (Ohaus Pioneer, зчитування 0,0001 г).

Випробування на екологічість

1) Випробування при високій температурі: зразок поміщали в піч (МТІ, настільна сушильна шафа SS-00AB) при постійній температурі 80°С і витримували протягом 1 тижня; 2) Низькотемпературний тест: зразок поміщали в посудину Дьюара, наповнену рідким азотом, на 1 тиждень. Досліджуваний зразок замочували в рідкому азоті протягом усього процесу тестування; 3) Кислотний тест: концентровану сірчану кислоту (від 95 до 98%, Sigma-Aldrich) розбавляли деіонізованою водою. Її pH було відрегульовано приблизно до pH = 4 (тестовано за допомогою тест-смужок pH, EMD Millipore). Зразок занурювали в розчин безперервно протягом 1 тижня; 4) Лужний тест: розчин гідроксиду калію (pH = 10, перевірено за допомогою тест-смужок pH, EMD МІІІІроге) готували з гідроксиду калію (Sigma-Aldrich) деіонізованої води. Зразок безперервно занурювали в розчин протягом 1 тижня. Були виміряні MIR - спектри зразків, а також зроблені фотографії до та після випробувань.

Тест на стійкість кольору

Метод випробування було змінено з ASTM D7377. Зразок фіксували під кутом нахилу ~ 45° на відстані 5 см від водопровідного крана. Швидкість потоку води з крана була ~ 300 мл/хв. Вода потрапляла на зразок, а потім витікала в раковину. Масу зразка вимірювали через проміжки часу.

Демонстрація ефективності теплоізоляції в штучному холодному/жаркому середовищі

1) Випробування на штучне холодне середовище — імітатори будівель із довжиною сторін 5 см були зібрані з прозорих акрилових плит (товщиною 1,5 мм, McMaster-Carr). Їхніми нижніми сторонами були ізоляційні піни. Гнучкі нагрівачі з поліамідною ізоляцією (McMaster-Carr, ~25 см²), підключені до джерела живлення (Keithley 2400), були закріплені в імітаторах будівлі для забезпечення потужності нагріву. Невеликі отвори (діаметром 1 мм) були вирізані CO2-лазерним різаком (Epilog Fusion M2) для вставлення термопар (типу K, Omega Engineering) у імітатори будівлі. Реєстратор даних (HH374, Omega Engineering) використовувався для запису даних температури імітаторів будівлі. Температуру повітря в закритій камері (штучне холодне середовище) також вимірювали термопарою (типу K, Omega Engineering), і вона контролювалася на рівні 5°C за допомогою системи циркуляції води. Питома потужність, що подається, була скоригована для різних покриттів поверхні, щоб зробити внутрішню температуру імітаторів будівлі стабільною на рівні 25°C.

2) Випробування на штучне жарке середовище — моделі вантажівок було придбано на Amazon. Розмір вантажної коробки 23,5 см × 4,5 см × 3,6 см. В процесі дослідження додавалися різні покриття на зовнішні поверхні вантажного боксу (три грані). Так само термопари (тип K, Omega Engineering) були поміщені у вантажні ящики, і вони були підключені до реєстратора даних (HH374, Omega Engineering). Температуру повітря в закритій камері (штучне гаряче середовище) також вимірювали термопарою (типу K, Omega Engineering), і вона контролювалася на рівні 40°C за допомогою системи циркуляції води. Криві підвищення температури були записані після того, як моделі вантажівок помістили в закриту камеру. Для випробування льодом кубики льоду майже однакової маси та форми поміщали у відкритий зверху акриловий контейнер із теплоізоляцією знизу, а акриловий контейнер переносили у вантажні ящики. Через певні проміжки часу контейнер для льоду виймали для фотографій і вимірювали масу льоду шляхом швидкого виймання та поглинання рідкої води з поверхні. Для імітаторів будівель і моделей вантажівок з різними покриттями поверхні було зафіксовано їхнє положення в штучному гарячому/холодному середовищі, а також положення термопар, нагрівачів і контейнерів для кубиків льоду, щоб зробити вимірювання максимально паралельними, щоб забезпечити розумне порівняння.

Розрахунок енергозбереження від EnergyPlus

EnergyPlus (версія 9.5) використовувався для моделювання енергії всєї будівлі. Була використана модель комерційної еталонної будівлі (квартира середньої будівлі після 1980 року), визначенуа Міністерством економіки США. Зразковий будинок був чотириповерховий, і включав 31 квартиру та офіс. Будівля мала форму прямокутника зі співвідношенням сторін 2,74 (довжина: 46,33 м, ширина: 16,91 м, і висота: 12,19 м). Північна вісь будівлі становила 0 градусів на справжню Північ. Загальна площа 3135 м². Вікна займали 15% загальної площі стін. Будівля ізольована (тобто немає сусідніх будівель/об'єктів). Внутрішні підсилення та системи опалення, вентиляції та кондиціонування були комплексно розроблені в моделях. Для систем опалення, вентиляції та кондиціонування будівлі для охолодження використовується DX охолодження (СОР = 3,13), а для опалення використовуються газові печі (ККД пальника = 0,8) та електричні обігрівачі (ККД = 1). ККД вентилятора - 0,536. Задану температуру повітря в приміщенні встановлювали постійною на 22°С, і використовувалися погодинні дані про погоду для TMY3 різних міст. Дані про погоду всебічно включають температуру, відносну вологість, напрямок та швидкість вітру, сонячну радіацію, тощо. Стан ізоляції стін даху змодельованої будівлі визначається в завантажених моделях EnergyPlus для 16 міст (Маямі, Х'юстон, Фенікс, Атланта, Лос-Анджелес, Лас-Вегас, Сан-Франциско, Балтимор, Альбукерке, Сіетл, Чикаго, Боулдер, Міннеаполіс, Хелена, Дулут, та Фербенкс). Умови ізоляції відрізняються в різних місцях. Умови теплоізоляції будівель в інших містах екстрапольовано з вищезазначених 16 міст. Базове використання енергії опалення, вентиляції та кондиціонування повітря, включаючи охолодження, опалення та вентилятори, було розраховано для моделі будівлі зі звичайними властивостями стін даху (як установлено в завантажених моделях EnergyPlus). Початкові значення сонячного відбиття зовнішньої стіни будівлі, внутрішньої стіни та даху становлять 0,22, 0,08 та 0,3 відповідно, а значення коефіцієнта випромінювання MIR (теплового поглинання) — 0,9. Щоб розрахувати споживання енергії опалення, вентиляції та кондиціонування повітря під час встановлення розглянутих в статті барвистих низькоемісійних фарб, було змодифіковано оптичні властивості поверхонь стін і даху (як внутрішньої, так і зовнішньої сторін) у моделі будівлі, використовуючи дані експериментальних вимірювань (коефіцієнт відбиття сонця: 0,55, коефіцієнт випромінювання MIR: 0,23. Обидва вони є середніми значеннями низькоемісійних фарб синього, червоного, жовтого та білого). Порівнюючи різницю у споживанні енергії між моделями будівель з кольоровим низькоемісійним фарбуванням і без нього, було досягнути цілорічної економії енергії для охолодження, опалення, вентиляторів та загальної системи ОВК. Загалом було перевірено 129 міст США за допомогою EnergyPlus. Карту енергозбереження було складено на основі розрахунків EnergyPlus для 129 міст США та екстраполяції на сусідні округи. Усі річні показники енергозбереження нормалізувалися шляхом ділення на загальну площу змодельованої будівлі (3,135 м²).

Випробування на відкритому повітрі

Усі випробування проводилися на плоскому даху будівлі в Стенфорді, Каліфорнія, у травні 2022 року. Для зразків покриття на плоских плівкових підкладках були виготовлені акрилові коробки (розміри: 21смх21см х 6,5 см) з відкритими вікнами (5 см х 5 см) на верхній стороні. Усі поверхні ящиків були покриті лавсановою плівкою. На дно акрилових ящиків закріплено пінопласт (товщина: 5,1 см). Поверх пінополістиролу було розміщено аерогелеву ковдру (розмір: 10 см х 10 см х 0,8 мм). Усі відкриті поверхні пінного та аерогелевого покриття були покриті лавсановою фольгою. Субстратами для зразків покриттів були модифіковані поліефірні плівки (5 см х 5 см х 300 мкм) з чорним кольором і сонячним поглинанням ~ 0,8. Було встановлено значення поглинання сонячної енергії відповідно до параметра матеріалу зовнішньої стіни в моделі комерційної еталонної будівлі (квартира середньої будівлі після 1980 року), визначені Міністерством енергетики США в EnergyPlus версії 9.5. Зразки покриттів наносили на підкладки, контролюючи однакову товщину (~ 10 мкм). Зразки були встановлені над ковдрою аерогелю з проміжком ~ 2 мм, обличчям до відкритих вікон коробок. Термопари (тип К, Omega Engineering) були прикріплені до нижньої сторони зразків субстратів і підключені до реєстратора даних (НН374, Omega Engineering). Інфрачервоні прозорі поліетиленові плівки низької густини під час випробувань закривали відкриті вікна безпосередньо над зразками. У сценарії тестування 1 бокси для тестування були поставлені на горизонтальну платформу (відстань до землі ~ 0,75 м). У сценаріях тестування 2 і 3 бокси для тестування були закріплені у вертикальному напрямку до землі (відстань до землі ~ 0,5 м). Температуру повітря та ґрунту реєстрували термопарами (типу К, Omega Engineering), виставленими на повітря та закріпленими на поверхні даху (щебінь). Для випробувань моделей вантажівок вантажні бокси також були модифіковані, щоб вони стали непрозорими для сонячного світла (поглинання сонця ~ 0,8), а потім на три сторони вантажних боксів було нанесено покриття (Рис. 5D). Термопари (тип К, Omega Engineering) були вставлені в вантажні ящики та закріплені в центрі ящиків. Моделі вантажівок були розміщені на пінополістиролі, обгорнутому майларовою фольгою, на теплоізоляційній платформі (пінополістирол, товщина: ~ 10 см) з непрозорою для сонячного світла поверхнею. Під час випробувань моделі вантажівок повністю піддавалися впливу повітря без будь-якого конвекційного екрану. Термопара була прикріплена до поверхні для реєстрації температури землі, а інша термопара в повітрі використовувалася для вимірювання температури повітря.

Термопари були підключені до реєстратора даних (ТС-8, Omega Engineering). Сонячне опромінення вимірювали за допомогою піранометра (Kipp & Zonen СМР6), а для запису даних використовували реєстратор даних з похибкою направлення ±20 Вт/м². Піранометр розміщували на даху.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!