Kameleon, czyli elewacja dostosowująca się do potrzeb cieplnych budynku

To prawdziwa innowacja w świecie elewacji. Pokrycie typu kameleon dostosowuje się do zapotrzebowaniem na ciepło dla budynku. Dzięki aktywnej zmianie odcienia ścian, możliwe jest dostosowanie absorpcji natężenia słonecznego przez budynek. Takie działanie zmniejsza zapotrzebowanie na ciepło w okresach zimowych i pozwala zatrzymać chłód latem. Zastosowanie tej technologii pozwala na zmniejszenie zużycia energii końcowej i przyczynia się do oszczędności finansowych. Zobaczmy jak to wygląda!

Grupa badaczy z Harbin Institute of Technology (HIT) stworzyła pierwszą taką powłokę elewacyjną. Jak sami przyznali zainspirowali się zdolnościami termoregulacyjnymi kameleona. Zwierzę w sprytny sposób jest w stanie przystosować się do warunków środowiskowych poprzez zmianę odcienia swojej skóry. W ciągu dnia ich jasnoszara skóra odbija znaczną część energii słonecznej, natomiast podczas zimnych pustynnych nocy przybierają ciemnobrązowy kolor. Dzięki czemu są w stanie wchłonąć jak najwięcej ciepła. Wspomniana elewacja działa w identyczny sposób.

Skąd bierze się potrzeba pasywnej kontroli? 

Żaden budynek nie jest w stanie zatrzymać w swojej bryle całego ciepła wytworzonego w systemie centralnego ogrzewania. Strat nie da się uniknąć, ale da się je ograniczyć. Kameleon to nowe narzędzie w rękach inżynierów. Rozszerza pojęcia budownictwa energooszczędnego. Od tej pory na dyssypację energii cieplnej budynku można wpływać również od zewnątrz. Takie podejście jest szczególnie potrzebne w dobie globalnego ocieplenia. Co roku bijemy kolejne rekordy temperatur i co roku słyszymy, że to ostatnie tak chłodne lato naszego życia. Sama klimatyzacja nie wystarczy. Jednocześnie mało efektywne urządzenia zalewające rynek napędzają globalne ocieplenie poprzez podbijanie zapotrzebowania na prąd. A przecież za tę energię trzeba też płacić. Z drugiej strony klimatyzacja nie zdziała wiele w źle zaizolowanym budynku. To jakby lodówka pracowała z otwartymi drzwiami. Dlatego należy zmienić podejście i jeszcze bardziej zatrzymywać ciepło zimą i nie wpuszczać go do środka latem.

Zgodnie z danymi IEA aż 30% światowej konsumpcji energii przypada na sektor ogrzewnictwa budynków mieszkalnych. W miarę jak społeczeństwo i inwestorzy zaczynają być coraz bardziej świadomi istoty ograniczenia zużycia energii, pojawia się potrzeba opracowywania nowych rozwiązań, które mogą pomóc w ograniczeniu konsumpcji i emisji. 

Do tej pory zrealizowano już kilka projektów o podobnej charakterystyce. Jednak nie są one funkcjonalne przez cały rok. Zastosowanie np. ciemnych płytek zwiększa absorpcję ciepła zimą lecz nie jest w stanie w żaden sposób wpłynąć na retencję chłodu latem. Była to dziurawa technologia, wymagająca sezonowych zmian. W momencie komercjalizacji technologii wykonywania elewacji typu kameleon idea stanie się kompletna. Warto podkreślić, że doszło do kolizji nazw na tle technologii elewacji. Powłoki o takiej nazwie są już dostępne na rynku. Swoistego kameleona można zobaczyć m.in. w Polsce na elewacji parku wodnego w Tychach. 

Nie można jednak utożsamiać ze sobą tych powłok. Obecnie dostępne na rynku panele pod nazwą kameleon nie posiadają właściwości termoregulacyjnych. Pełnią jedynie funkcje estetyczne, odbijając inaczej światło w ciągu dnia, a inaczej podczas zachodu słońca. Elewacja różni się także wyglądowo podczas obserwacji pod innymi kątami. Warto wiedzieć, że jest to jedynie złudzenie optyczne, a nie faktyczna zmiana barwy.

Jak działa ta technologia?

Badacze z HIT oparli nową technologię na komórkach termochromowych. Ciekłe kryształy termochromowe zamknięte w formie kapsułek zmieniają swoją barwę w zależności od temperatury otoczenia. W skład powłoki elewacyjnej wchodzą również mikrocząsteczki o właściwościach chłodzenia radiacyjnego i specjalistyczne spoiwo. Całość przyjmuje formę zawiesiny o teksturze idealnej do natryskiwania lub nakładania pędzlem na powierzchnie metalowe. Technologia zyskała nazwę Temperature-Adaptive Radiative Cooling Coating (TARCC).

Testy wykazały, że w temperaturach poniżej 68 stopni Fahrenheita powłoka miała ciemnoszary kolor. Jednak po ogrzaniu powyżej tej granicy zmieniła kolor na jaśniejszy, szary kolor, który był w stanie odbijać do 93% padającego promieniowania słonecznego. Jak wykazały badania zastosowanie kameleona eliminuje wady konwencjonalnych materiałów używanych do chłodzenia radiacyjnego. Ich zastosowanie zwiększa zwykle zużycie energii grzewczej w sezonie zimowym.

Dla dokładnego pomiaru możliwości adaptacyjnych TARCC próba badawcza została przeprowadzona na prefabrykowanych modelach domków o wymiarach 3 x 6 x 2,7 metra. Za wewnętrzne temperatury projektowe przyjęto 24 st. Celsjusza latem i 18 st. Celsjusza zimą. Budynki pokryto zwykłą białą farbą, tradycyjną farbą chłodzącą radiacyjnie, niebieskimi stalowymi płytkami oraz powłoką TARCC. Testy trwały przez kilka dni w mieście Weihai we wschodniej części Chin. Przeprowadzono je podczas typowej pogody dla lata, zimy i sezonu przejściowego (wiosna/jesień). 

Dzięki badaniom dowiedziono, że podczas upałów TARCC jest w stanie utrzymać temperaturę do 6,5 kelwina poniżej temperatury otoczenia. Zimą zaś silna absorpcja światła słonecznego przez TARCC spowodowała wzrost temperatury o 4,3 kelwina.

Porównując wydajność TARCC z innymi materiałami, zespół odkrył, że TARCC utrzymuje nieco wyższe temperatury w warunkach zimowych w porównaniu z tradycyjnymi powłokami radiacyjnymi. W wysokich temperaturach TARCC nagrzał się w znacznie mniejszym stopniu niż domki pokryte białą farbą i stalowymi płytkami.

Następnie za pomocą modelu matematycznego przeprowadzono symulacje wydajności TARCC na tle historycznych danych dotyczących temperatury. Otrzymane wyniki sugerują, że powłoka typu kameleon zmniejsza zapotrzebowanie na energię grzewczą i średnie zużycie energii w jednopiętrowych budynkach prefabrykowanych.

Nową technologię czeka jeszcze szereg analiz. Badacze z MIT zapowiedzieli m.in. zbadanie opłacalności modernizacji istniejących domów z wykorzystaniem TARCC, aby wykazać opłacalność ekonomiczną nowej powłoki. Jednocześnie wciąż mają być kontynuowane testy wydajności i trwałości TARCC.

Źródło: Scalable BiochameleonsInspired Temperature Adaptive Coating with Easy Preparation and Construction