Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Энергосберегающее умное окно из воды и гидрогеля

Ученые создали окно, которое становится непроницаемым при нагреве и накапливает тепло от солнечного света, а затем отдает его, не позволяя помещению резко нагреваться или охлаждаться. Окно состоит из жидкой смеси воды и гидрогеля, заключенной между двух стекол. Исследование опубликовано в журнале Joule.

Содержание и эксплуатация любых зданий, будь то жилой дом или бизнес-центр, требует энергии, значительная часть которой тратится на вентиляцию, кондиционирование и отопление. Окна с точки зрения энергетических затрат – это проблемное место в любое время года: зимой через них уходит тепло, а летом из-за солнечного света помещение сильно нагревается и требует охлаждения.

Для сокращения энергопотребления зданий ученые уже разработали термочувствительные полимеры, реагирующие на изменение температуры, например поли (N-изопропилакриламид), нижняя критическая температура которого равна 32 градусам Цельсия. Эта температура определяет переход от гидрофильных к гидрофобным свойствам материала, а ниже ее полимер смешивается с водой и раствор прозрачен, а при нагреве становится гидрофобным и отдает воду – визуально раствор мутнеет и хуже пропускает солнечный свет. Ранее при создании умных окон, однако, конструкторы акцентировали внимание только на изменении прозрачности структуры для солнечного света.

Группа ученых под руководством Ян Чжоу (Yang Zhou) из Наньянского технологического университета заметили, что вода может накапливать тепло лучше других распространенных строительных материалов, таких как дерево, металл, бетон, и использовали это свойство, чтобы спроектировать умное окно. Само окно – это смесь частиц поли (N-изопропилакриламида) и большого количества воды, которые заливают между двух стекол. Таким образом, в отличие от разработанных ранее умных окон, раствор получается гомогенным и свободно текучим, поэтому не требует сложных процедур нанесения.

Окно работает благодаря двум механизмам: изменению прозрачности и накоплению тепла. Высокая удельная теплоемкость раствора (4,35 килоджоуля на килограмм-1 на кельвин-1) исключает резкие скачки температуры, как при повышении, так и при понижении температуры воздуха. То, что раствор может не пропускать солнечные лучи, в свою очередь, препятствует сильному нагреву, когда он не может поглотить больше тепла.

Принцип работы умного окна в разное время суток и время года, где желтыми стрелками обозначен видимый свет, а красными – тепло.

При невысокой температуре на улице разработанное окно прозрачно и может пропускать свет. При нагреве от солнечного света запускается фазовый переход полимера и окно мутнеет, становится сначала полупрозрачным, а затем светонепроницаемым, что не допускает повышения температуры в комнате. В то же время, тепло от солнечного света поглощается раствором, а когда окно остывает, то тепло высвобождается в помещение и окружающую среду.

Ученые провели циклические тесты, 100 раз нагревая окно до 60 градусов Цельсия и охлаждая до 20 градусов Цельсия. Оценка состояния материала после тестов проводилась при помощи спектрометрии. Используя модель Халлберга – Пека, которая позволяет оценить воздействие температуры и влажности на материалы, исследователи посчитали, что такое окно прослужит 17,6 года – как минимум на полтора года дольше, чем другие умные окна.

График солнечной модуляции (слева) и график температуры в модели комнаты при нагреве (справа) для окон различной конструкции.

Кроме того, окно с прослойкой раствора толщиной в один сантиметр хорошо подавляет шум. Индекс звукоизоляции в испытаниях при частоте от 100 до 4000 Герц у умного окна оказался выше, чем у двойного стеклопакета.

Большинство умных изобретений направлены на облегчение жизни человека и автоматизацию процессов, будь то окна и регуляция температуры, или суперабсорбирующий гель для автополива, который может поглощать атмосферную влажность при низкой температуре воздуха ночью и отдавать воду растениям в течение дня.

Роман Колесов