מדעני פרינסטון מפתחים מנגנון פסיבי לקירור מבנים בקיץ ולחמם אותם בחורף

חוקרים המציאו מנגנון ויסות תרמי פסיבי תוך שימוש בחומרים נפוצים המנהלים באופן סלקטיבי את חום הקרינה, ומספקים דרך בת קיימא לשפר משמעותית את יעילות האנרגיה והנוחות של הבניין.

מהנדסים בפרינסטון וב-UCLA פיתחו מנגנון פסיבי לקירור מבנים בקיץ ולחמם אותם בחורף.

במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת דוחות תאים מדע פיזיקליהם מדווחים כי על ידי הגבלת זרימות חום קרינה בין בניינים וסביבתם לאורכי גל ספציפיים, ציפויים שהונדסו מחומרים נפוצים יכולים להשיג חיסכון באנרגיה ונוחות תרמית מעבר למה שמעטפות בניין מסורתיות יכולות להשיג.

"עם העלייה בטמפרטורות העולמיות, שמירה על מבנים ראויים למגורים הפכה לאתגר עולמי", אמר החוקר Jyotirmoy Mandal, עוזר פרופסור להנדסה אזרחית וסביבתית בפרינסטון. "בניינים מחליפים את רוב החום עם הסביבה שלהם כקרינה, ועל ידי התאמת המאפיינים האופטיים של המעטפות שלהם כדי לנצל את האופן שבו קרינה מתנהגת בסביבה שלנו, נוכל לשלוט בחום בבניינים בדרכים חדשות ומשפיעות."

טכניקות קירור היסטוריות ונוכחיות

חום קרינה, הנישא על ידי גלים אלקטרומגנטיים, נמצא בכל מקום – אנו מרגישים אותו כאשר אור השמש מחמם את עורנו, או כאשר סליל חשמלי מחמם חדר. וויסות טמפרטורת הבניין על ידי שליטה בחום הקרינה הוא מנהג נפוץ. רוב הבניינים משתמשים בגווני חלונות כדי לחסום את אור השמש, ורבים צובעים גגות וקירות בלבן כדי לשקף את השמש.

"אם נסתכל על ערים היסטוריות כמו סנטוריני ביוון או ג'ודפור בהודו, אנו מגלים שקירור מבנים על ידי הפיכת גגות וקירות לשקף אור שמש נהוג במשך מאות שנים", אמר החוקר אאסוואת' רמאן, פרופסור חבר למדע והנדסת חומרים ב- UCLA. "בשנים האחרונות יש עניין עצום בציפויים קרירים לגג המשקפים את אור השמש. אבל קירור קירות וחלונות הוא אתגר הרבה יותר עדין ומורכב”.

לגגות יש בדרך כלל נוף פתוח לשמים. זה מאפשר לציפויי גג קרירים לשקף את אור השמש ולהקרין חום של גלים ארוכים לשמיים ובסופו של דבר לחלל. לקירות וחלונות, לעומת זאת, רואים בעיקר את הקרקע והבניינים השכנים. במזג אוויר חם, הם מתחממים על ידי חום המוקרן מרחובות חמים, מדרכות ומבנים סמוכים לנוף. זה אומר שגם כשקירות וחלונות מקרינים חום לשמים, הם מתחממים עוד יותר על ידי כדור הארץ. במהלך מזג אוויר קר, הסביבה היבשתית הופכת קרה יותר, ומנקזת חום מקירות וחלונות.

החוקרים הבינו שהדרך לעקוף בעיה זו טמונה בדרך השונה שבה החום נע בין בניינים לאזור בגובה פני הקרקע ובאופן שבו הוא נע בין מבנים לשמים. חום הקרינה עובר מבניינים לשמים בחלק צר של ספקטרום האינפרא אדום המכונה חלון השידור האטמוספרי, כך שהחוקרים קוראים לזה צר פס. בגובה פני הקרקע, חום הקרינה נע על פני כל ספקטרום האינפרא אדום, והחוקרים קוראים לזה פס רחב.

"על ידי ציפוי קירות וחלונות בחומרים שרק מקרינים או סופגים חום בחלון האטמוספרי, נוכל להפחית את רווחי החום בפס רחב מהקרקע בקיץ, ואובדן בחורף, תוך שמירה על אפקט הקירור של השמיים. אנו מאמינים שהרעיון הזה הוא חסר תקדים, ומעבר למה שיכולות להשיג מעטפות גג וקירות מסורתיות". מנדל ציין.

חידושים מהותיים ופוטנציאל עתידי

השפעת הממצאים משמעותית משתי סיבות חשובות. ראשית, החוקרים מראים במאמר שהרבה חומרי בניין נפוצים וזולים מקרינים חום בפס הצר וחוסמים חום פס רחב. חומר כמו פוליוויניל פלואוריד, שכבר משמש כחומר ציפוי, יכול להיות מותאם למטרה, כמו גם פלסטיק נפוץ יותר.

"ממש התרגשנו כשגילינו שחומרים כמו פוליפרופילן, שמקורנו מפלסטיק ביתי, מקרינים או סופגים חום באופן סלקטיבי בחלון האטמוספרי", ציין רמאן. "החומרים האלה גובלים בשגרה, אבל אותה מדרגיות שהופכת אותם לנפוצים פירושה גם שנוכל לראות אותם מבצעים ויסות חום של בניינים בעתיד הקרוב."

הסיבה השנייה לאופטימיות היא שהשפעות האנרגיה הפוטנציאליות בקנה מידה של הבניין הן משמעותיות. החוקרים ציינו כי חיסכון באנרגיה עונתי עם המנגנון שלהם דומה ליתרונות של צביעת גגות כהים בלבן. זה יכול להיות שימושי מכיוון שעלות מיזוג האוויר ונפגעים הקשורים לחום ממשיכים להמריא ברחבי העולם. מנדל ורמן מתכננים להמשיך במחקר זה.

"המנגנון שהצענו הוא פסיבי לחלוטין, מה שהופך אותו לדרך בת קיימא לקרר ולחמם מבנים עם עונות השנה ולהניב חיסכון באנרגיה שלא נוצל". מנדל הערות. "למעשה, היתרונות של המנגנונים והחומרים שאנו מציגים הם הגבוהים ביותר עבור בניינים בדרום העולמי. אז זה יכול להיות פתרון שוויוני יותר בקהילות דלות משאבים, אפילו יותר מכיוון שהן רואות עלייה בדרישות קירור ותמותה הקשורה לחום".

התמיכה בפרויקט ניתנה בחלקה על ידי מלגת שמידט למדע, קרן אלפרד פ. סלואן והקרן הלאומית למדע.