«Умные» окна однажды смогут автоматически обогревать и охлаждать ваш дом
Окна становятся все умнее: от энергоэффективных стекол, которые предотвращают утечку нагретого или охлажденного воздуха из дома, до самозатемняющихся окон, которые приглушают яркость проникающего света без необходимости использования штор. В будущем умные окна могут сделать еще один шаг вперед, чтобы фактически собирать энергию солнца для обогрева вашего дома зимой и отражать ее летом, чтобы в помещении было прохладно. При этом, они фактически не будут менять того, насколько хорошо светит солнечный свет. Изменяя количество тепла, но не света, такие окна смогут действовать как автоматический регулятор температуры.
Натан Янгблад, доцент инженерного факультета Питтсбургского университета, работает над реконфигурируемой фотоникой или фотоникой с фазовым переходом. Беря оптические компоненты, такие как линзы или зеркала, он заставляет их переключаться между двумя состояниями. Работая со стартапом Bodle над дисплеями с технологией изменения цвета, он и его основные исследователи задумались над тем, что если можно использовать тонкое покрытие на чем-то вроде стекла, чтобы переключать его между двумя разными цветами, то можно ли также переключаться между двумя разными состояниями отражения инфракрасного света? Инфракрасный свет не виден человеческому глазу, но мы ощущаем его как тепло. Если бы мы смогли изменить степень отражения или поглощения инфракрасного света поверхностью, это могло бы повлиять на температуру в этом пространстве.
Окна традиционно плохо регулируют температуру в помещении. Зимой просачивается холодный воздух, а летом – теплый, что вынуждает нас регулировать обогрев или кондиционер. Что касается энергопотребления здания, то около 35% приходится на отопление, охлаждение и вентиляцию. Многие достижения в технологии умных окон регулируют температуру посредством регулирования общее количество света — и, следовательно, также тепла — путем перехода стекла между непрозрачным и прозрачным состоянием. Некоторые умные окна приглушают яркость света на целых 90%, в результате чего приходится использовать больше света внутри, расходуя больше электроэнергии. И это может быть помехой, если ваше окно «включается» и «выключается» в течение дня, в зависимости от того, сколько солнца падает на него.
Как говорит Янгблад, основная цель его работы заключается в том, чтобы сделать что-то эстетически приятное. Эта технология не должна доставлять неудобств людям внутри помещения, но при этом она должна собирать энергию и отражать или нагревать дом в зависимости от сезона. По его словам, управление тепловыми свойствами в совокупности с оптическими свойствами окна — это область, которая на самом деле практически не исследована.
Статья, опубликованная в журнале ACS Photonics, первым автором которой является Янгблад, является доказательством концепции такого материала. Традиционные окна представляют собой два стекла, между которыми закачивается что-то вроде аргона в качестве изоляции. Исследователи создали материал с дополнительным оптическим покрытием на внутренней стороне стекла, которое может либо отражать инфракрасный свет от солнца, либо поглощать его и передавать в виде тепла, не изменяя при этом количество видимого света.
Задача состоит в том, чтобы управлять этим покрытием, переключая его из режима поглощения в режим отражения по мере смены времен года, что необходимо делать электрически. На небольших прототипах, использованных для исследования, возможность переключения свойств покрытия работала, но сделать это в пределах большого окна оказалось гораздо сложнее.
Это только начало такой работы, но она может иметь большие последствия. По словам Натана Янгблада, одним из ключевых нововведений, которое они смогли продемонстрировать, было то, что они смогли выборочно извлекать энергию из инфракрасного излучения, используя материалы, которые позволяют переключаться между поглощением и отражением. Это открывает перспективы для изучения множества различных материалов, которые еще не исследованы. Когда исследователи смоделировали потенциальную экономию энергии, включая энергию, необходимую для управления умными окнами, они подсчитали, что использование таких окон позволит сэкономить от 20% до 34% энергопотребления в год по сравнению с обычными окнами с двойным остеклением.
