Умные окна

Нанотехнологии помогут снизить энергозатраты на кондиционирование
03.09.2021
Энерговектор

Регулируя количество тепла, которое поступает в здание и выходит из него, умные окна частично заменяют кондиционеры. В Европе на умные окна смотрят как на инструмент повышения класса энергоэффективности старых зданий.

Примерно три четверти зданий в ЕС не являются энергоэффективными, и в настоящее время европейские страны стремятся модернизировать их, чтобы исключить утечки тепла, обходящиеся, как известно, недёшево. Несмотря на то что в капитальный ремонт зданий постоянно вкладываются немалые усилия, конструкторы окон до недавнего времени не применяли современные технологии, отмечает Иоаннис Папаконстантину - профессор кафедры нанотехнологий в Университетском колледже Лондона. Но теперь ситуация меняется: в исследовательском проекте Intelglazing («интеллектуальное глазурование») Евросоюза на базе новых разработок в нанотехнологиях и фотонике создаются покрытия для окон, уберегающие дома от проникновения излишнего солнечного излучения.

Приглашаем нано

Этот подход уже пробовали применить и раньше, но безуспешно: термохромные и фотохромные покрытия либо задерживали недостаточно солнечного света, либо были слишком дороги в производстве. «Если соединить традиционные методы нанесения оконных покрытий с современными нанотехнологиями, - отмечает Папаконстантину, - то можно достичь гораздо лучших результатов».

Технология Intelglazing включает два специфических этапа. Первый - это создание тончайшего слоя наноструктурированного стекла в виде крошечных расчёсок с зубьями длиной менее микрометра. Структуры наногребешков перекрывают друг друга, рассеивая проникающий через окно солнечный свет для уменьшения ярких бликов. Второй технологический этап отвечает за энергоэффективность окон. Здесь исследователи экспериментируют с оксидом ванадия, покрывающим наногребешки. Это термохромное вещество - оно меняет свой цвет в зависимости от температуры. Например, в жаркие дни, нагреваясь, оксид ванадия перестраивает свою кристаллическую структуру, в результате чего темнеет и задерживает большую часть инфракрасного излучения от палящего солнца, тогда как в холод материал остаётся светлым и пропускает внутрь здания львиную долю солнечного тепла.

Поставщики окон могут наносить слой «интеллектуальной глазури» на стёкла в процессе производства, а специалисты по модернизации - наклеивать плёнки с ней на старые окна. По словам профессора Папаконстантину, характеристики стёкол и плёнок подстраиваются под разные температуры. «Можно изменить химический состав слоя с диоксидом ванадия таким образом, чтобы он в зависимости от температуры "переключался"», - разъяснил профессор. Например, на юге Испании окна лучше настроить так, чтобы они блокировали солнцепёк при сравнительно низкой температуре, предотвращая разогрев зданий изнутри в течение дня. А дома в северной Швеции необходимо прогревать солнцем как можно сильнее, поэтому их окна должны блокировать солнечный жар при более высокой температуре.

«По всей Европе постоянно идёт ремонт зданий... Важно делать его наиболее энергоэффективным способом, а не заменять старые окна новыми, которые будут всё так же неэффективны», - говорит профессор Ольборгского университета (Дания) Пер Гейзельберг.

Водные процедуры

Окна, покрытые наногребешками и оксидом ванадия, являются ещё и водоотталкивающими - дождь быстро стекает по стеклу и заодно смывает грязь, как бы заставляя поверхность самоочищаться. Такие окна дают дополнительный эффект, если их применять, например, в небоскрёбах.

Цель проекта Intelglazing - снизить потребление тепловой энергии на 25% за счёт избирательной блокировки или пропускания солнечного света. Новые окна должны быть гораздо эффективнее существующих электрохромных решений, поскольку для активации окиси ванадия не требуется дополнительной энергии.

По словам профессора Папаконстантину, с момента запуска проекта в 2016 году подходы к реновации окон кардинально изменились. «В середине 2010-х, когда мы только начали обсуждать проект, о нанотехнологиях в окнах никто и не слышал, - рассказывает он. - А теперь мы видим бум в этой сфере». Профессор Гейзельберг рассказал, что дискуссии о лучших способах модернизации зданий идут уже несколько десятилетий, хотя экологический элемент в них стал приоритетным только недавно. «Эта тема была предметом обсуждения в течение сорока лет, но, конечно, за прошедшее время аргументация изменилась, - пояснил он. - Ещё в 1970-х говорили о необходимости экономить энергию, чтобы не зависеть от стран Ближнего Востока, у которых была олигополия на рынке нефти. Сейчас основное внимание уделяется сокращению выбросов углекислого и других парниковых газов».

Пер Гейзельберг ведёт исследовательский проект ReCO2ST, в котором рассматриваются способы модификации всех внешних поверхностей здания с тем, чтобы оно стало более экономичным в эксплуатации и экологически чистым.

Системы вентиляции

Главная особенность проекта ReCO2ST - использование интеллектуальных окон для вентиляции модернизированных зданий, в которых установка кондиционеров и других современных вентиляционных систем оказывается сложной или дорогой. «Обычно проблемную часть всей системы представляет окно. Оно, как правило, негерметично и пропускает в помещение холодный воздух, - сказал Гейзельберг. - В то же время через окна здание нагревается солнцем». Умные окна способны обеспечить лучшую защиту от палящих солнечных лучей и приток свежего воздуха в помещения. Это особенно актуально для старых зданий, оснащённых современными пластиковыми окнами. Будучи менее воздухопроницаемыми, эти окна могут провоцировать накопление влаги и загазованность внутри здания, так что потребуется монтаж дорогостоящей системы приточно-вытяжной вентиляции.

«Найти место для труб и каналов вентиляции, чтобы подавать свежий воздух, может быть трудно, особенно в старых зданиях, хотя доступ наружу обычно имеется через окна, - продолжает Гейзельберг. - Вместо установки пластиковых окон и системы вентиляции в старых домах гораздо рациональнее использовать окна для подачи свежего воздуха, а дымоходы или трубы - для вытяжки воздуха».

Окно с пассивной системой рекуперации тепла, предложенное
в рамках европейского проекта CLIMAWIN

В своё время европейский исследовательский проект CLIMAWIN предложил следующую схему. В оконной раме с тройным стеклопакетом на нижнем торце есть небольшая щель (шириной около 5 мм, см. рисунок). Проникающий через эту щель воздух проходит между стёклами и нагревается солнечным теплом. Затем через небольшой клапан и решётку в верхней части окна с его внутренней стороны он попадает в комнату. В результате через окно в помещение поступает подогретый свежий воздух, который может выходить из здания через вытяжную вентиляцию.

Сейчас команда Гейзельберга экспериментирует с различными теплоёмкими материалами, которые могли бы накапливать тепло в окнах в течение дня и отдавать его ночью. «Пока светит солнце, мы можем собирать и хранить его энергию, - считает профессор Гейзельберг. - А когда солнце не светит, можно подогревать воздух».

Иногда теплоаккумулирующий материал стоит закрывать от солнечных лучей - тогда он сможет охлаждать проходящий воздух. Другая идея - оснастить окна датчиками, чтобы вычислять оптимальное время для накопления, хранения и отвода тепла, и добавить миниатюрные вентиляторы для смены направления воздушного потока.

«Все материалы и конструкции имеют определённый срок службы, по истечении которого требуют замены, - напоминает профессор Гейзельберг. - Недаром коммунальщики постоянно ремонтируют здания. Подобные ремонты должны приносить наибольший эффект с точки зрения энергоэффективности».

Источник: Horizon Magazine

Читайте другие наши материалы