«Розумні» вікна, що контролюють кількість тепла, яка надходить у будівлю або виходить із неї, можуть зменшити енергоспоживання кондиціонерів та зменшити їх кількість, чим й будуть корисні при модернізації будівель, яка підвищує їх енергоефективність
Дослідження, проведені в ЄС, показали, що приблизно 75% будівель вже є енергоефективними, наразі країни прагнуть модернізувати старі будівлі, щоб запобігти втратам тепла чи енергії на охолодження. Але, попри зусилля, вкладені для підвищення енергоефективності будівель, до останнього часу дизайн вікон не спирався на різноманіття та можливості сучасних технологій – пояснює Йоанніс Папаконстантіну, професор наноінженерії в Університетському коледжі м. Лондон, Великобританія.
Його проєкт Intelglazing («інтелектуальне засклення») використовує нові ідеї в галузі нанотехнологій та фотоніки (фізики світла) для створення тонких нанометрових віконних покриттів, які краще теплоізолюють будівлі. Подібні підходи вже випробовувались у промисловості, але всі попередні зусилля виявилися недостатньо вдалими – вони або відбивали занадто мало сонячного світла, або були занадто дорогими. Вочевидь потрібен був певний прорив, щоб набагато ширше розсунути межі ефективності.
Технологія скла Intelglazing складається з двох частин. Перша – це мікроскопічно тонкий шар наноструктурованого скла, що має форму, подібну до крихітних гребінців для волосся, висота яких не перевищує мікрометра. Ці «нано-гребінцеві» структури накладаються одна на одну та розсіюють сонячне світло, зменшуючи сліпуче світло, що потрапляє до помешкання через вікно.
Друга частина стосується того, яким чином вікна стають енергоефективними. Тут дослідники експериментують з оксидом ванадію, який може прикріплюватися до «нано-гребінців». Ця хімічна сполука є термохромною, тобто вона може змінювати свій колір залежно від температури. Наприклад, спекотні дні змусять оксид ванадію змінити свою структуру, потемніти та поглинати більшу частину сонячного світла, що містить світлові хвилі у частині, яка відноситься до інфрачервоної або майже інфрачервоної частини спектру, в той час як у холодні дні він посвітлішає та пропускатиме більшу частину світла, яка відповідає за нагрівання.
Виробники можуть виготовити цей шар безпосередньо на нових вікнах у вигляді ламінаційного шару у склопакеті, або можна самотужки наносити його на старі вікна при модернізації, як звичайну дзеркальну полімерну плівку. Важливим моментом є те, що виробники віконного скла можуть налаштувати вікна або самоклеючі плівки з цими шарами на роботу із різними діапазонами температур.
Фото: EU Research and Innovation Magazine
«Можна дещо змінити хімічний склад діоксиду ванадію таким чином, щоб він міг здійснювати термохромний перехід за більшої або нижчої температури, та таким чином мати потрібний термоконтроль», – пояснює Папаконстантіну. Наприклад, вікна на півдні Іспанії можна налаштувати так, щоб перекривати сонячне світло при нижчій температурі, запобігаючи цим прогрівання будівель протягом дня. Так само будівля на півночі Швеції зможе отримати якомога більше тепла від сонця, тому їх вікна можуть почати блокувати сонячне світло лише за значно вищої температури.
«Розумні» вікна: гідрофобність та самоочищення
Вікна з таким шаром «нано-гребінців» із оксиду ванадію також є гідрофобними (водовідштовхувальними) й такими, що мають ефект самоочищення – дощ швидко стікає по склу та змиває бруд. Це робить експлуатацію таких вікон більш ефективною та дешевою, якщо їх використовувати, наприклад, у багатоповерхівках чи у хмарочосах.
Мета проєкту полягає в тому, щоб за допомогою вікон можна було б зменшити споживання енергії на 25%, блокуючи або пропускаючи сонячне світло, коли це необхідно. Такі вікна мають також бути більш ніж на 50% ефективнішими, у порівнянні з наявними віконними технологіями на ринку, що контролюють пропускання світла, оскільки для активації оксиду ванадію не потрібно додаткової енергії.
Насправді технологія модернізації вікон кардинально змінилася з початку проєкту у 2016 р. Ще у середині 2010-х років використання нанотехнологій у звичайних вікнах було нереальним, проте зараз цей напрямок почав бурхливо розвиватися. Пошуки та практичне втілення технологій щодо теплової модернізації будівель шляхом зменшення тепловтрат через вікна є актуальними та мають певний результат вже 40 років, що відобразився навіть у чинних будівельних нормах та стандартах, але зараз можна очікувати на прорив. Тепер вікна не тільки теплоізолюватимуть будівлю, але й керуватимуть тепловими потоками.
«Розумні» вікна та системи вентиляції
Центральною особливістю проєкту є використання технології «розумних» вікон для забезпечення вентиляції модернізованих будівель, де встановлення сучасних систем вентиляції, таких як кондиціонери, є складним або дорогим. Вікно, зазвичай, є слабкою частиною оболонки будівлі, оскільки воно, як правило, негерметичне та має певні фізичні обмеження щодо теплоізоляційних властивостей.
Основна ідея – використовувати «розумні» вікна, щоб забезпечити кращий захист від палючого сонця та одночасно подавати свіже повітря в будівлю. Це особливо прийнятно для старих будівель, які модернізуються сучасними вікнами. Проте, оскільки сучасні вікна більш герметичні, вони можуть спричинити накопичення вологи та ускладнити видалення шкідливих речовин із повітря у помешканнях будівлі. Щоб усунути ці недоліки може стати потрібною доволі дорога модернізація вентиляційної системи будівлі. Але саме в старих будівлях монтаж нових систем вентиляції та кондиціонування є доволі утрудненим з багатьох причин.
«Можливо важко знайти місце для труб та вентиляційних систем для подачі свіжого повітря в приміщення, особливо в старих будівлях. Але всі приміщення зазвичай мають вихід назовні через вікно», – пояснив професор Пер Хайзельберг з данського університету Аальборг, куратор дослідницького проєкту ReCO2ST. «Було б вигідніше, якщо б замість встановлення нового вікна та вентиляційної системи ми використовували це вікно ще й для припливу свіжого повітря, а для видалення повітря використовували б димоходи або вентиляційні канали, що ведуть назовні, які вже є у старих будівлях».
Ідея «розумного» вікна, запропонована в Аальборгу, базується на дослідженнях, проведених у попередньому проєкті ЄС під назвою CLIMAWIN. У віконній рамі з потрійним склопакетом на нижньому рівні зовні знаходиться невелика щілина (шириною близько 5 мм). Повітря проходить між шарами засклення вікна та нагрівається сонячним світлом. Потім воно потрапляє в кімнату через невеликий клапан у верхній частині вікна, що виходить всередину будівлі. Тобто попередньо підігріте свіже повітря надходить у помешкання через вікно, яке потім видаляється з будівлі через інший вентиляційний витяжний отвір.
На даний момент команда експериментує з різними матеріалами, які можуть зберігати приховане тепло у вікнах вдень, а потім виділяти його вночі. «Якщо у нас є сонячне світло, тоді ми можемо збирати та зберігати його», – сподівається професор Хайзельберг. «Отже, ми також маємо можливість нагрівати повітря тоді, коли не світить сонце». Такий матеріал, що використовує приховане тепло, також може бути затінений від сонця влітку, й замість того, щоб накопичувати приховане тепло – охолоджував би повітря, що проходить через нього.
Ще один напрямок розробок полягає в обладнанні вікон датчиками, щоб знати оптимальний час для накопичення та вивільнення тепла за допомогою мініатюрних вентиляторів для контролю напрямку потоку повітря.
Певні розробки вже досягли такого стану, коли їх можна практично застосовувати. «Реконструкція старих будинків проводиться постійно, тому що всі компоненти будівлі мають певний термін експлуатації та потребують заміни. Важливо, щоби ми, коли настає час для поточного ремонту чи модернізації, робили це найефективнішим чином, і щоби не замінювали старе вікно на неефективне нове вікно», – підвів риску професор Хайзельберг.
Джерело: EU Research and Innovation Magazine
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 2 855
