Ученые разработали покрытие для энергосбережения окон

Согласно оценкам, 10 процентов всей энергии, используемой в зданиях США можно отнести к эффективности окон. Это обходится примерно в 50 млрд $ в год, но высокая стоимость замены окон или модернизации их энергосберегающим покрытием является основным сдерживающим фактором. Исследователи Национальной лаборатории Лоренса Беркли Департамента энергетики США стремятся решить эту проблему с помощью креативной химии — полимерного теплоотражающего покрытия, которым можно покрасить за одну десятую стоимости.

«Вместо того чтобы нанимать дорогостоящих подрядчиков, домовладелец может пойти в местный хозяйственный магазин, купить покрытие, и нанести его собственноручно, — таково видение», — сказал ученый Лаборатории Беркли Раймонд Вейтекамп. «Покрытие будет избирательно отражать инфракрасную солнечную энергию обратно, пропуская внутрь видимый свет, что значительно повысит энергоэффективность окон, особенно в теплом южном климате, где значительную часть энергии потребляет кондиционер».

Команда ученых Лаборатории Беркли получает часть гранта в 3.95 млн $ на развитие продукта от Управления перспективных исследований энергетики Департамента энергетики. Многоцентровая команда во главе с исследователем Гарретом Мияком Университета Колорадо в Боулдере также включает Калифорнийский технологический институт и Материя инк.

Сейчас на рынке есть спектрально чувствительные оконные пленки, но для их установки требуется профессиональный подрядчик, что останавливает многих домовладельцев. Недорогой продукт может значительно расширить применение и привести к потенциальной ежегодной экономии энергии в 35 миллиардов киловатт-часов, сокращению выбросов углекислого газа на 24 млрд кг в год, что равноценно удалению с дороги 5 млн автомобилей.

Технология Беркли Лэб использует материал, называемый ершовым полимером, который, как предполагает его название, имеет одну главную жесткую цепь молекул со щетинками по сторонам. Эта необычная молекулярная структура придает ему некоторые уникальные свойства, например, он легко не запутывается.

«Представьте спагетти и жевательные червячки», - объяснил Вьетекамп. «Спагетти можно завязать в узлы. Если вы хотите снова выровнять сваренные спагетти, вам придется потрудиться, чтоб размотать их. Но вы можете легко выровнять жевательных червячков, потому что они довольно жесткие».

Как аспирант Калифорнийского технологического института, Вьетекамп работал над пониманием и контролем, как ершовые полимеры самоорганизуются в наноструктурах и ведут себя как фотонные кристаллы, которые могут избирательно отражать свет на разных частотах. В прошлом году он пришел в Лабораторию Беркли в рамках Циклотрон Роуд, программы для предприимчивых исследователей с целью коммерциализации покрытий и других подобных полимерных технологий. Он работал над разработкой полимерных материалов в Научно-исследовательском центре нанотехнологий отдела науки пользовательских средств Департамента энергетики в Лаборатории Беркли.

«Мы были покорены потенциальным воздействием технологии в целом ряде отраслей промышленности», - сказал директор Циклотрон Роуд Илан Гур. «Его идеи соответствуют опыту офиса в полимерной химии, а покрытие для окон очень подходит существующим преимуществам Лаборатории Беркли в строительных технологиях и энергетическом анализе».

За награду УПИЭ, Вьетекамп сотрудничает с ведущим экспертом науки строительства и оконных технологий Лаборатории Беркли Стивом Селковичем и специалистом по анализу потребления энергии в зданиях Арманом Шехаби, разрабатывая экономически конкурентоспособный и расширяемый продукт. Его целевая стоимость составляет 1,50 $ за квадратный фут, одна десятая текущей рыночной цены коммерческих энергосберегающих оконных покрытий.

«УПИЭ инвестирует рискованные, дорогостоящие проекты», — сказал Шехаби. «Главный плюс этого проекта не в улучшении производительности, а в том, как можно преобразовать окна — вы можете сделать это сами. Потребность рынка очень велика, и нет ничего соответствующего по низкой цене».

Одна из оставшихся технических проблем – повышение точности материала, чтоб, в то время как инфракрасные лучи отражались, видимый свет не был рассеянным или неясным. Это позволит покрытию отразить большую часть энергии солнца, уменьшая тепло, поступающее в здание, в то время как свет для глаз будет ясным. Используя ультрасовременные приборы проверки окон в Лаборатории Беркли, Селкович проанализирует эффективность покрытия.

«У нас есть хорошо оборудованная лаборатория оптики, где мы можем делать детальные оптические измерения любого покрытия на любой стеклянной основе, рассматривая оптические и спектральные свойства, обеспечивающие обратную связь в процессе химического синтеза», — сказал Селкович. «При разработке, все оптическое тестирование становится обратной связью к химии. К тому же мы можем моделировать и измерять тепловой комфорт, что очень важно, так как комфорт в дополнение к экономии энергии будет мотивировать людей купить это покрытие».

Шехаби будет разрабатывать модели зданий и оценки жизненного цикла, чтобы понять, как эта технология будет влиять на потреблении энергии в зданиях и как можно максимально экономить энергию. Кроме того, он будет использовать технико-экономические модели для рассмотрения производственных компенсаций и срока окупаемости.

«У нас не было необходимости использовать особенно рентабельные материалы и сырье, когда мы делали это в лаборатории, но для развития мы должны продумать технико-экономику», — сказал Вьетекамп. «Изначально это был исследовательский проект синтетической химии, но имея глубокий прикладной опыт в окнах и строительстве здесь в Лаборатории Беркли, мы подумали, что сможем сделать это большим и лучшим способом».