Probíhající výzkum nabízí možnost mnohem přesněji a lépe řídit množství energie, které vstupuje a vystupuje z budov.
Vytápění a chlazení budov spotřebovává přibližně 15 % světové spotřeby energie a v příštích desetiletích se bude tato hodnota zvyšovat. Mezinárodní energetická agentura předpovídá, že pokud se nebude nic dělat v oblasti energetické účinnosti, poptávka po energii na chlazení se do roku 2050 více než ztrojnásobí.
Dvě výzkumné skupiny se nyní inspirovaly proměnlivou barvou kůže chameleonů. Nezávisle na sobě vytvořily materiály, které mohou měnit barvu fasád budov a tím by mohly snížit spotřebu energie jak na chlazení, tak na vytápění.
Jeden koncept pocházející z Chicagské univerzity umožňuje relativně jednoduše změnit množství vyzařovaného infračerveného tepla. Díky tomu by mělo být možné udržet vnitřní teplotu budov déle vyšší. Druhé zařízení, vyvinuté týmem z Torontské univerzity, by mělo umožnit lépe řídit naopak množství, typ a směr infračerveného a viditelného světla, které do budovy vstupují.
Obě technologie samy o sobě potřebují k provozu elektrickou energii, rozhodně nejsou „zadarmo“. Ovšem měly by umožnit snížit spotřebu energie natolik, aby ve výsledku byl jejich provoz z energetického hlediska plusový (a tedy aby mohl alespoň teoreticky být plusový i z hlediska čistě finančního).
Úspory všeho druhu
Energetická účinnost budov se v poslední době dostala do popředí zájmu jak kvůli snahám o omezení emisí, tak se zdražování energií, jejichž ceny se na úroveň z předchozích několika let vrátí nejspíše za dosti dlouhou dobu.
Kromě již celé plejády existujících řešení se pracuje i na celé řadě nových. Jedním z nich je vývoj různých „metamateriálů“, které mají nečekané a nezvyklé vlastnosti. Obvykle dané tím, že materiál je přesně navržený až prakticky na molekulární úrovni.
Vznikl tak například koncept „elektrochromatických oken“ z nanomateriálů, které mohou relativně jednoduše měnit své vlastnosti. Vlivem elektrického proudu nebo slunečního tepla takové materiály ztmavnou, aby se snížilo množství slunečního světla pronikajícího do kanceláří. Do některých typů klimatu se hodí i pasivní radiační chladicí systémy, které umožňují vyzařované infračervené tepelné paprsky z budovy až do vesmíru a chladit tedy i během dne.
V literatuře je také k nalezení koncept chytrého materiálu, který mění své vlastnosti podle teploty okolí. Při nižších teplotách propouští záření tak, aby umožnil ohřev; při vyšších naopak záření propouští ven, takže umožňuje chlazení.
Molekulární inženýr Po-Chun Hsu a jeho kolegové z Chicagské univerzity chtěli vyrobit něco podobného jen s tím rozdílem, že proměna vlastností by neprobíhala pasivně na základě teploty, ale dynamicky – jednoduše řečeno tedy stisknutím vypínače. „Místo, abychom vynakládali energii na vytápění nebo chlazení, měníme míru izolaci budov, podobně jako to dělají lidé, když si přidávají nebo ubírají vrstvy oblečení,“ řekl Hsu pro časopis IEEE Spectrum.
Jejich tenké zařízení podobné baterii se skládá z nehořlavého vodnatého elektrolytu obsahujícího měď mezi dvěma elektrodami. Elektroda, která by směřovala ven z budovy, je plastová fólie potažená mřížkou ze zlatých nanodrátků, jednou vrstvou grafenu a trochou platiny. Druhou elektrodou je měděná fólie.
V režimu zahřívání přiložené napětí vytlačuje nanočástice mědi z elektrolytu na fólii platiny a grafenu. Vytvoří silnou kovovou vrstvu, která odráží infračervené záření „podobně jako kovové tepelné přikrývky, které snižuje tepelné ztráty běžců“, vysvětlil Hsu.
Když se napětí obrátí, kov se rozpustí zpět do elektrolytu, který přes průhlednou plastovou elektrodu vyzařuje infračervené teplo – a zařízení tak začne chladit. V tomto módu materiál má vyzařovat zhruba 13krát více infračerveného záření než v režimu „hřejivém“ (emisivita se pohybuje v rozmezí 0,07 and 0,9).
Aby autoři zjistili, jaké by mohly být úspory, použili software pro simulaci spotřeby budov. Vytvořili modelové příklady budovy s fasádou z jejich materiálu v 15 různých amerických městech. V průměru zařízení spotřebuje méně než 0,2 % celkové spotřeby elektřiny budovy, ale ušetří 8,4 % roční spotřeby energie na vytápění, větrání a klimatizaci budovy, uvádějí v časopise Nature Sustainability.
Ovšem tento výpočet je pouze fyzikální; nebere v potaz náklady na pořizování takového systému. V současnosti přitom prakticky nelze říci, kolik by stálo, protože použité materiály (grafen a měď) jsou prostě příliš drahé. Tým ovšem pracuje na využití alternativních surovin.
Levnější?
To „optofluidní“ zařízení, které pospal v časopise PNAS tým kolem profesora Benjamina Hattona z Torontské univerzity, by nemuselo být tak „investičně náročné“. Základ je vlastně poměrně jednoduchý a snadno pochopitelný.
Výzkumníci spojili tři tenké plexisklové desky dohromady. Každá vrstva je opatřena kanálky o průměru 2 až 3 milimetry, kterými čerpají různé kapaliny. Jednou je barevný vodní či alkoholový roztok, která může absorbovat viditelné i blízké infračervené vlnové délky; dalším je velmi tmavý roztok, který poskytuje stín; a suspenzi s titanovými nanočásticemi, která rozptyluje a usměrňuje procházející světlo.
Kombinace těchto tří efektů umožňuje „vyladit intenzitu, spektrum a rozptyl procházejícího slunečního světla v budovách,“ říká Hatton. Panely naplněné kapalinou by mohly být zabudovány do nových oken nebo dodatečně instalovány do starých skel. Systém by ovlivnil vzhled budov a vyžadoval by pečlivé řízení. Netriviální by bylo i zajištění toho, aby kapalina z panelů neunikala. Ale protože tento systém umožňuje řídit množství procházejícího záření ve viditelném i infračerveném režimu, může mít na spotřebu energie větší vliv než řízení pouze chlazení a topení tepelných toků.
Hatton a jeho kolegové také provedli ve stejném softwaru simulaci pro budovy s novými optofluidními okny (pouze tedy pro Toronto). Podle jejich výsledků by takové zařízení mohlo snížit spotřebu energie o 43 %, což se na první pohled jeví až neuvěřitelně příznivý výsledek. Pokud by to tak opravdu bylo, na tvrzení autorů, že jejich řešení by mohlo najít „široké využití“, by skutečně mohlo něco být.
