Θερμοχρωμικά υλικά στον αστικό ιστό για εξοικονόμηση ενέργειας

  • Εικ. 1α Φάση αποχρωματισμού θερμοχρωμικής επικάλυψης.

  • Εικ. 1β Φάση αποχρωματισμού θερμοχρωμικής επικάλυψης.

  • Εικ. 2 Θερμοκρασιακές διαφορές θερμοχρωμικών, ψυχρών και κοινών επικαλύψεων καφέ χρώματος: φωτογραφίες στο ορατό (κάτω) και στο υπέρυθρο (πάνω).

Οι ανοιχτόχρωμες επικαλύψεις, όταν εφαρμοστούν σε εξωτερικές επιφάνειες μπορούν να μειώσουν το φορτίο δροσισμού το καλοκαίρι. Το χειμώνα όμως, προκειμένου να μειωθεί η κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση απαιτείται αύξηση των ηλιακών κερδών. Συνεπώς υπάρχει η ανάγκη ανάπτυξης τεχνολογίας ώστε να μεταβάλλονται οι οπτικές ιδιότητες των υλικών με τη θερμοκρασία.

Η κατανάλωση ενέργειας στον κτιριακό τομέα αντιπροσωπεύει το ένα τρίτο περίπου της συνολικής ενεργειακής ζήτησης. Τα κτίρια χρησιμοποιούν το 40% της ενέργειας ενώ ευθύνονται για το 50% περίπου των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Ταυτόχρονα, σε πολλές πόλεις παγκοσμίως είναι ιδιαίτερα έντονο το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας, το οποίο προκαλεί θερμική δυσφορία, αύξηση της ρύπανσης και αύξηση του φορτίου για δροσισμό στα κτίρια. Οι υψηλές θερμοκρασίες αυξάνουν την ενεργειακή ζήτηση και το φορτίο αιχμής, μειώνοντας την απόδοση των κλιματιστικών μηχανημάτων. Βασικό ρόλο για την καταπολέμηση του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας και την εξοικονόμησης ενέργειας στα κτίρια παίζει η επιλογή των κατάλληλων υλικών τα οποία εφαρμόζονται στον αστικό ιστό. Οι βασικές ιδιότητες των υλικών που καθορίζουν την επιφανειακή θερμοκρασία είναι η ανακλαστικότητα στην ηλιακή ακτινοβολία και η εκπομπή στο υπέρυθρο. Όσο μεγαλύτερες είναι οι τιμές αυτών των μεγεθών, τόσο χαμηλότερες είναι οι επιφανειακές θερμοκρασίες γεγονός το οποίο σε επίπεδο κτιρίου σημαίνει ότι μικρότερο ποσό θερμότητας διεισδύει στο εσωτερικό μειώνοντας τις ανάγκες για κλιματισμό και δημιουργώντας ένα θερμικά άνετο περιβάλλον. Σε επίπεδο πόλης, μεταφράζεται σε χαμηλότερες εξωτερικές θερμοκρασίες και βελτίωση του αστικού μικροκλίματος. Οι ανοιχτόχρωμες επικαλύψεις, όταν εφαρμοστούν σε εξωτερικές επιφάνειες μπορούν να μειώσουν το φορτίο δροσισμού το καλοκαίρι. Το χειμώνα όμως, προκειμένου να μειωθεί η κατανάλωση ενέργειας για θέρμανση απαιτείται αύξηση των ηλιακών κερδών. Συνεπώς υπάρχει η ανάγκη για την ανάπτυξη τεχνολογίας η οποία να μπορεί να μεταβάλλει τις οπτικές ιδιότητες των υλικών με τη θερμοκρασία. Το φαινόμενο στο οποίο βασίζεται αυτή η τεχνολογία ονομάζεται θερμοχρωμισμός και αναφέρεται στην αντιστρεπτή μεταβολή του χρώματος ανάλογα με τη θερμοκρασία. Έτσι οι θερμοχρωμικές επικαλύψεις μπορούν να είναι ανοιχτόχρωμες άρα πιο ανακλαστικές σε υψηλότερες θερμοκρασίες και πιο σκούρες, δηλαδή πιο απορροφητικές σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Στα πλαίσια της πειραματικής διαδικασίας που διεξάχθηκε από την Ομάδα Μελετών Κτιριακού Περιβάλλοντος με επικεφαλής τον καθηγητή Μ. Σανταμούρη, παρασκευάστηκαν θερμοχρωμικές επικαλύψεις διαφόρων χρωμάτων, οι οποίες εφαρμόστηκαν σε οικοδομικά υλικά. Για την παρασκευή τους χρησιμοποιήθηκαν οργανικές θερμοχρωμικές χρωστικές οι οποίες αποτελούνται από τα εξής βασικά συστατικά:

  • Μια οργανική ένωση, συνήθως ένας κυκλικός εστέρας που καθορίζει το χρώμα του προϊόντος στην έγχρωμη φάση.
  • Ένα ασθενές οξύ, το οποίο προσδίδει την αντιστρεπτή αλλαγή χρώματος και είναι υπεύθυνο για την ένταση του χρώματος.
  • Ένα διαλύτη, του οποίου το σημείο τήξεως καθορίζει και τη θερμοκρασία της αλλαγής του χρώματος.

Έτσι, με την επιλογή του κατάλληλου διαλύτη μπορεί να επιλεγεί και η κατάλληλη θερμοκρασία αλλαγής χρώματος.

Συγκεκριμένα, η θερμοκρασία μετάβασης που επιλέχθηκε για την πειραματική διαδικασία είναι 27οC. Στην εικόνα 1 παρουσιάζεται η μεταβατική φάση αποχρωματισμού του θερμοχρωμικής επικάλυψης (στην εικόνα 1α) καθώς η επιφανειακή θερμοκρασία υπερβαίνει τη θερμοκρασία μετάβασης. Στους 42oC, η θερμοχρωμική επικάλυψη έχει αποχρωματιστεί πλήρως (στην εικόνα 1β όπου φαίνεται η αντίστοιχη κοινή επικάλυψη ίδιου χρώματος). Η θερμική απόδοση και οι οπτικές ιδιότητες των επικαλύψεων εξετάστηκαν κατά τη διάρκεια δυο θερινών μηνών και συγκρίθηκαν με ανακλαστικές (ψυχρές-cool) επικαλύψεις και με κοινές επικαλύψεις (common) της ίδιας απόχρωσης.
Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι οι επιφανειακές θερμοκρασίες των θερμοχρωμικών δειγμάτων ήταν χαμηλότερες από τις αντίστοιχες των ψυχρών (cool) και των συμβατικών της ίδιας απόχρωσης.
Οι μέσες ημερήσιες επιφανειακές θερμοκρασίες κυμάνθηκαν από 23,8oC έως 38,4oC για τα θερμοχρωμικά δείγματα, από 28,1oC ως 44,6oC για τα ψυχρά και από 29,8oC ως 48,5oC για τις κοινές επικαλύψεις. Οι φασματικές μετρήσεις δείχνουν ότι όλες οι θερμοχρωμικές επικαλύψεις παρουσιάζουν υψηλή ανακλαστικότητα στο κοντινό υπέρυθρο τμήμα του ηλιακού φάσματος. Σε υψηλές θερμοκρασίες, όταν είναι ανοιχτόχρωμα ανακλούν την ηλιακή ενέργεια, ενώ σε χαμηλές θερμοκρασίες, όταν είναι έγχρωμα απορροφούν ενέργεια. Η μέγιστη αύξηση της ανακλαστικότητας από την έγχρωμη στη λευκή φάση ήταν 43%. Στην εικόνα 2 παρουσιάζονται οι φωτογραφίες των δειγμάτων καφέ χρώματος στο ορατό, καθώς και η θερμοφωτογραφίες στο υπέρυθρο.
Η θερμοχρωμική επικάλυψη είναι λευκή, καθώς η επιφανειακή θερμοκρασία έχει υπερβεί τη θερμοκρασία αλλαγής χρώματος. Από την κλίμακα των θερμοκρασιών φαίνεται ότι το θερμοχρωμικό δείγμα (αριστερά) είναι και το ψυχρότερο.

Η φασματική ανακλαστικότητα των δειγμάτων φαίνεται στη γραφική παράσταση 1. Η μεγαλύτερη ανακλαστικότητα παρουσιάζεται για το θερμοχρωμικό δείγμα στη λευκή φάση.

Γραφική παράσταση 1. Φασματική ανακλαστικότητα των θερμοχρωμικών, ψυχρών και κοινών επικαλύψεων καφέ χρώματος
Γραφική παράσταση 1. Φασματική ανακλαστικότητα των θερμοχρωμικών, ψυχρών και κοινών επικαλύψεων καφέ χρώματος
Γραφική παράσταση 2. Μέση ημερήσια επιφανειακή θερμοκρασία των καφέ επικαλύψεων
Γραφική παράσταση 2. Μέση ημερήσια επιφανειακή θερμοκρασία
των καφέ επικαλύψεων

Η γραφική παράσταση 2 παρουσιάζει τη μέση ημερήσια επιφανειακή θερμοκρασία των καφέ επικαλύψεων για τη διάρκεια των δυο μηνών της πειραματικής διαδικασίας. Η θερμοχρωμική επικάλυψη είναι κατά 11 βαθμούς ψυχρότερη από την κοινή και κατά 9 βαθμούς από την ψυχρή της ίδιας απόχρωσης.

Η ηλιακή ακτινοβολία επιδρά αρνητικά στο θερμοχρωμισμό, προκαλώντας μη αντιστρεπτή μεταβολή στο χρώμα των υλικών. Έχει πραγματοποιηθεί σειρά πειραμάτων με σκοπό τη φωτοσταθεροποίηση των υλικών με τη χρήση σταθεροποιητών και απορροφητών υπεριώδους ακτινοβολίας με διάφορες τεχνικές εφαρμογής.

Η εφαρμογή των απορροφητών ως επικάλυψη πάνω από τη θερμοχρωμική βαφή δίνει καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με την ενσωμάτωσή τους στο θερμοχρωμικό υλικό, το πρόβλημα της φωτογήρανσης παρόλα αυτά παραμένει.

Οι έρευνες συνεχίζονται με τη χρήση οπτικών φίλτρων προκειμένου να απομονωθούν τα τμήματα του ηλιακού φάσματος που επηρεάζουν το θερμοχρωμισμό και να επιτευχθεί συνεπώς η βελτίωση της απόδοσης των υλικών.

Building Green Magazine 14

Παραγγείλτε τώρα το τεύχος


Σε ηλεκτρονική μορφή για τη συμπλήρωση του αρχείου σας.

2 comments

  1. Μέχρι να ολοκληρωθεί η έρευνα και να προκύψουν υλικά με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά υπάρχουν άλλες απλές και σίγουρες λύσεις για το πρόβλημα των θερμικών νησίδων όπως δενδροφύτευση και επιφάνειες χαμηλής εκπομπής πεζοδρομίων και οδοστρωμάτων κοκ της οποίες μπορεί να εφαρμόζει η πολιτεία.

  2. Οι φυτεύσεις συντελούν στην καταπολέμηση του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας. Η χρήση των κατάλληλων υλικών στον αστικό ιστό παίζει καθοριστικό ρόλο καθώς με αυτά αυτά καλύπτεται το μεγαλύτερο ποσοστό του. Εκτός της εφαρμογής των θερμοχρωμικών υλικών η οποία βρίσκεται ακόμα σε ερευνητικό στάδιο, η χρήση των ψυχρών υλικών υψηλής ανακλαστικότητας είναι αποδεδειγμένα αποτελεσματική σε παγκόσμιο επίπεδο και πλέον ευρεία και στην Ελλάδα. Επίσης υπάρχουν και συνδυασμοί των ψυχρών υλικών με φωτοκαταλυτικά-αυτοκαθαριζόμενα υλικά, διαθέσιμα στην αγορά.

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνσή σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *