Din cauza încălzirii globale, cererea de energie pentru răcirea clădirilor crește dramatic. Sistemele actuale de refrigerare mecanică pentru răcire consumă cantități substanțiale de energie electrică, ceea ce duce la emisii de carbon.

Aproximativ 12% din toată energia electrică consumată la nivel mondial este utilizată pentru construcția de sisteme HVAC. În plus, clădirile sunt responsabile pentru aproape 25% din emisiile de CO2.

Prin urmare, dezvoltarea unor acoperiri subțiri care pot fi aplicate ca vopsele care reflectă căldura solară departe de clădiri și le răcesc în continuare prin emiterea de radiații infraroșii în spațiul adânc, poate fi o schimbare a jocului în încercarea de a obține emisii nete de carbon zero.

Tocmai de aceea, cercetătorii elaborează noi tehnologii, cum ar fi vopselurile speciale, după cum reiese din revizuirea cu titlul ”Inventions, innovations, and new technologies: Paints and coatings for passive cooling”, elaborată de Samantha Wijewardane, de la University of South Florida College of Engineering.

Răcirea radiativă

Acoperirile reflectorizante solare, cunoscute și sub denumirea de acoperiri ”cool roof”, sunt disponibile comercial de câteva decenii. Cu toate acestea, cota lor este de doar 3% din totalul industriei vopselelor și vopselelor.

Dezvoltarea recentă a straturilor subțiri exploatează fereastra de transparență în infraroșu (fereastra cerului), a atmosferei, în intervalul de lungimi de undă de 8–13 μm, pentru a transmite direct căldura de la un obiect prin radiație, către spațiul exterior rece, care are o temperatură de -270 C). Această dezvoltare a răcirii radiative sau a răcirii radiative sub-ambientale se apropie de comercializare.

Spre deosebire de majoritatea celorlalte tehnologii legate de energie solară, straturile subțiri care pot fi aplicate ca vopsele sunt practic un substitut pentru un produs (vopsele și acoperiri), care a fost folosit de generații. Prin urmare, conștientizarea, cunoștințele și percepțiile sunt importante atunci când vine vorba de comercializare și utilizări pe scară largă.

Un factor cheie în vopselele este estetica, aceea care ar trebui considerată un factor la fel de important ca și costul și funcționalitatea vopselelor. Studii recente au arătat importanța aspectului estetic, iar în ultimii câțiva ani, un număr de cercetători l-au citat ca fiind important. De asemenea, un alt factor non-tehnic, este conștientizarea consumatorilor, care afectează foarte mult utilizarea pe scară largă. Iată, însă, mai jos, câteva inovații în domeniul vopselurilor speciale care pot fi utilizate cu succes în tehnologia fațadelor.

Acoperiri reflectorizante solare

Acoperirile reflectorizante solare au existat pe piață de peste patru decenii ca acoperiri de acoperis, iar mai tarziu, au atras și interesul ca acoperire pentru pereți,  pentru a reflecta lumina directă și difuză a soarelui. Aceste acoperiri sunt predominant albe, ceea ce include efecte de strălucire care sunt dure pentru ochiul liber.

De asemenea, din cauza vremii și a prafului, în câteva luni, aceste acoperiri devin decolorate, diminuându-și eficacitatea. Pentru a aborda problema estetică, acoperirile de culoare ”rece” au fost investigate și dezvoltate pentru a satisface preferințele pieței construcțiilor.

Aceste acoperiri absorb selectiv în domeniul vizibil al spectrului solar, conferind astfel o anumită culoare și se reflectă în mod optim în intervalul spectral de infraroșu apropiat, evitând încălzirea solară.

În mod convențional, sferele goale din sticlă/silice/ceramice, care sunt transparente pentru spectrul vizibil, dar reflectă eficient partea infraroșie a radiației solare, au fost utilizate cu un pigment de culoare în aceste acoperiri. Dar, aceste acoperiri absorb o cantitate mare de spectru vizibil și, prin urmare, nu sunt la fel de eficiente ca acoperirile albe, însă sunt mai atractive decât vopselele albe.

Pigmenții fluorescenți

Una dintre inovațiile cheie în acoperirile reflectorizante solare este introducerea pigmentului fluorescent. Fluorescența, mai precis, capacitatea anumitor compuși de a absorbi cu o frecvență mai mare și de a emite cu o frecvență mai mică, este binecunoscută, dar a fost recent introdusă în acoperirile de culoare rece ca pigmenți fluorescenți, pentru a reduce absorbția în regiunea vizibilă.

Un astfel de tip de pigment care conține cristale sintetice de rubin roșu absoarbe o parte din energie din lumina soarelui vizibilă (400–700 nm) și reemite spontan în regiunea infraroșu apropiat (700–2500 nm). Deoarece emisia este în regiunea de infraroșu, nu afectează culoarea acoperirii.

Cea mai comercializată vopsea albă, vopselele TiO2 -acrilice, absorb lumina UV sub lungimea de undă de 387 nm, datorită benzii interzise de TiO2. Ca rezultat, reflectanța solară generală a acestor acoperiri este limitată. Pentru a depăși acest lucru, se folosește eficient un pigment fluorescent care absoarbe sub lungimea de undă de 400 nm și emite în domeniul vizibil.

Sistemul de acoperire în două straturi

În afară de introducerea pigmentului fluorescent alb, o altă inovație notabilă în acoperirile reflectorizante este dezvoltarea unui sistem de acoperire cu două straturi în care un strat superior absoarbe lungimi de undă vizibile adecvate pentru a arăta culori specifice, în timp ce stratul de dedesubt maximizează reflexia infraroșu pentru a reduce încălzirea solară.

Acest sistem cu două straturi a funcționat mai bine decât vopselele colorate cu un singur strat cu efecte de răcire. Reducerea eficacității într-un timp mai scurt, în comparație cu durata de viață a unui strat de vopsea din cauza îmbătrânirii mediului, în principal murdăria naturală și iradierea ultravioletă, este un alt factor critic care afectează utilizarea pe scară largă a vopselelor albe.

O acoperire super-amfifobă cu autocurățare ar fi o soluție finală și preferată. Cu toate acestea, niciuna dintre acoperiri nu este comercializată pentru aplicații pe suprafețe mai mari, cum ar fi acoperirea acoperișului. Prin urmare, există loc pentru inovare pentru a rezolva reducerea performanței din cauza îmbătrânirii mediului.

O astfel de strategie recentă numită vopsea de răcire anti-îmbătrânire a format o morfologie ierarhică, având capacitatea de a se autocurăța. Inventatorii au demonstrat durabilitatea prin teste accelerate de intemperii și sub murdărie naturală și soare. De asemenea, au susținut că produsul lor este scalabil și eficient în aplicațiile din lumea reală.

Acoperiri cu răcire radiativă

Răcirea radiativă este o tehnologie de răcire pasivă care acționează prin reflectarea luminii solare și emiterea de radiații în fereastra cerului. Cum cererea de răcire are loc în general în timpul zilei, vara, răcirea radiativă în timpul zilei a atras recent mult interes științific și tehnologic, deoarece poate reduce nevoia de răcire mecanică.

Una dintre cele mai comune și eficiente metode de a obține selectivitatea spectrală este utilizarea unui sistem cu două straturi, în care un strat inferior de metal reflectă eficient radiația solară și un strat superior absoarbe în fereastra atmosferică. Un strat dublu polimer-metal, un strat dublu silice-metal și un strat dublu nanocompozit siliciu-metal, sunt astfel de exemple.

Cu toate acestea, pentru a depune un strat inferior de metal uniform, s-au folosit tehnici de depunere care nu sunt rentabile pentru aplicații pe suprafețe mai mari sau care nu sunt scalabile industrial. De asemenea, au fost explorate structuri poroase pentru a obține răcirea în timpul zilei. Într-un studiu, a fost dezvoltat un polimer poros asemănător vopselei.

Deși aceste vopseluri sunt extrem de inovatoare, nu au demonstrat capacitatea de a fi comercializate rapid. Prin urmare, până acum nu a fost realizată răcirea radiativă sub-ambientală completă în timpul zilei în vopselele cu un singur strat de tip comercial. Pe lângă reflectanța solară, în vopselele cu răcire radiativă se poate obține o emisie ridicată în fereastra atmosferică, fie prin absorbția intrinsecă a rășinii în sine, fie prin adăugarea unui pigment suplimentar cu emisivitate ridicată în fereastra atmosferică.

De asemenea, este extrem de esențial să se mențină cea mai mare reflectanță solară posibilă în vopselele cu răcire sub ambientală, deoarece o reducere foarte mică a reflectanței ar putea compensa total puterea de răcire prin fereastra atmosferică.

Puterea de răcire

În majoritatea experimentelor, puterea de răcire atinsă este de aproximativ 50 W/m2. Vopseaua albă obișnuită, TiO2 – vopsea acrilică, absoarbe radiația UV, iar reflectanța rășinii acrilice în infraroșu apropiat de 0,7 până la 2,5 μm, nu este perfectă. Prin urmare, au fost investigați și alți pigmenți disponibili comercial, cum ar fi CaCO3, BaSO4 și SiO2 și alte tipuri de rășini.

Cu toate acestea, acești pigmenți au un indice de reflexie mai mic în intervalul de frecvență solară și, prin urmare, reflectanța nu este la fel de mare ca TiO2. Pentru a obține o reflectanță ridicată, într-o încercare recentă a fost utilizată cu succes o concentrație mai mare de pigmenți (CaCO3) până la 60%. CaCO3 este un material compatibil și stabil utilizat în vopsele ca distanțiere.

S-a demonstrat experimental că acești pigmenți au o reflectanță solară ridicată, emisivitate normală ridicată în fereastra cerului, și răcire radiativă sub-ambientală în timpul zilei în vopselele cu matrice de particule cu un singur strat. Totodată, s-a arătat că o concentrație mai mare de CaCO3 reduce fracția de volum a rășinii acrilice și, prin urmare, minimizează absorbția acesteia în banda NIR.

În plus, o distribuție largă a dimensiunii particulelor, în loc de o singură dimensiune, este utilizată pentru a împrăștia eficient toate lungimile de undă din spectrul solar. Emisivitatea mare a ferestrei cerului este obținută prin vârfurile de rezonanță vibrațională ale matricei acrilice.

Vopseaua a fost realizată folosind un proces compatibil comercial. Grosimea de 400 μm face ca proprietățile vopselei să fie independente de substrat, iar vopseaua poate fi aplicată folosind o metodă convențională.

Vopselele acrilice cu nanoparticule

De asemenea, o altă cercetare a constatat performanța de răcire sub-ambient cu vopselele acrilice cu nanoparticule BaSO4. Particulele de BaSO4 împrăștie radiația solară, precum și rezonanța fononică a acestora la 9 𝜇m, au oferit o emisivitate ridicată a ferestrei cerului. Din nou, concentrația mai mare de BaSO4 a fost utilizată pentru a îmbunătăți puterea de împrăștiere și pentru a minimiza absorbția în infraroșu apropiat a rășinii acrilice.

Cu o dimensiune adecvată a particulelor și o distribuție largă a dimensiunii particulelor, filmul de nanoparticule BaSO4 atinge o reflectanță solară ultra-înaltă de 97,6% și o emisivitate înaltă a ferestrei cerului de 0,96.

Ca o alternativă la materialul din rășină acrilică, pentru a obține o emisivitate ridicată a ferestrei cerului, particulele de siliciu pot fi utilizate pentru a îmbunătăți emisivitatea selectivă. Prin distribuirea aleatorie a microsferelor de siliciu în matricea polimerică, emisivitatea pe întreaga fereastră atmosferică poate fi îmbunătățită semnificativ datorită rezonanțelor Frohlich, îmbunătățite cu fononi ale microsferelor de siliciu.

Într-o altă încercare notabilă de a obține o răcire sub-ambientlă, reflectanța solară a fost obținută printr-o combinație de pigmenți disponibili comercial, cum ar fi microsfere de sticlă goale, nanoparticule de sulfat de bariu și nanoparticule de carbonat de calciu, în timp ce nanoparticulele de siliciu au fost folosite pentru a obține fereastra cerului. selectivitate spectrală.

Acestea au atins o reflectanță solară de 0,986 și o emisivitate de 0,954 în fereastra de transparență atmosferică. În acest studiu, a fost utilizat un proces de fabricație scalabil la nivel industrial, iar acoperirile au fost aplicate prin metode de pulverizare, rulare sau periere și s-a obținut o grosime de acoperire de aproximativ 500 μm. Același grup de cercetare a dezvoltat un strat de autocurățare super-amfifob care ar putea fi aplicat eficient peste un strat de răcire radiativă (RC).

Aceste acoperiri autocurățante superamfifobe pe bază de apă și alcool au fost introduse în acoperirile RC ca strat superior. Acest strat transparent super-amfifob nu le-a afectat reflectanța solară ridicată inițial, dar le-a îmbunătățit valorile de emisivitate în fereastra atmosferică, datorită formării de legături siliconoxigen, care absoarbe radiația infraroșie.

Frecvența în infraroșu

Deși se crede pe scară largă că o acoperire cu emisivitatea ferestrei cerului este mai bună decât emisivitatea în infraroșu în bandă largă (2,5 până la 24 𝜇m), acest lucru nu este întotdeauna adevărat în mediile reale. Temperatura cerului este întotdeauna sub temperatura mediului în timpul verii și, de asemenea, emisivitatea cerului nu este întotdeauna unitate.

Prin urmare, există un avantaj al utilizării emisiei în infraroșu în bandă largă, față de emisia ferestrei cerului. Acest lucru este practic dovedit recent de un răcitor radiativ fotonic, modificat cu o reflectanță solară identică și o emisivitate în bandă largă de unitate peste 4,5 𝜇m, în loc să fie doar în fereastra de transparență atmosferică.

Emisia prin fereastra atmosferică este foarte importantă în reducerea încălzirii globale. De asemenea, alți cercetători au descoperit că emisia de bandă largă în infraroșu a fost utilizată eficient pentru a îmbunătăți răcirea în timpul zilei. Ei au folosit un material de acoperire comun, pulbere de rutil TiO2, pentru a obține reflectanța solară și microsfere de sticlă pentru a obține emisia IR în bandă largă.

Pentru a depăși absorbția UV de către particulele de TiO2, au folosit microparticule fluorescente, pentru a absorbi sub 450 nm și a emite în frecvențe vizibile.

Într-un alt proiect folosind o abordare complet diferită, a fost dezvoltată o acoperire cu geopolimer pentru a obține răcirea radiativă. Acoperirea geopolimerului pe bază de acid fosforic anorganic (PGEO) posedă o emisivitate în infraroșu emisferică medie mare de 0,95 și reflectă aproape 90% din iradierea solară. Cercetătorii au atribuit selectivitatea spectrală mai mare a acoperirii PGEO rețelei sale unice de geopolimeri anorganici (-Si-O-Al-O-P-O-), care a permis vibrația multimodală.

De asemenea, ei susțin că această vopsea în suspensie poate fi aplicată direct pe diverse suprafețe prin tehnici scalabile, cum ar fi acoperirea prin pulverizare și periere.

Penalizare în timpul iernii

Cele două tipuri de acoperiri reci de mai sus, fie cu răcire reflectorizante, fie prin radiație, pot răci excesiv clădirile dincolo de limita de confort termic a ocupantului, rezultând astfel o penalizare pentru încălzire iarna, deși creșterea încălzirii este mult mai mică decât răcirea corespunzătoare. economii de energie vara.

În ultimii ani, acoperirile termocromice au câștigat multă atenție datorită capacității lor unice de a modifica proprietățile optice.

Aceste acoperiri inovatoare își pot adapta culoarea cu temperatura din jur, prezentând culori deschise vara și culori închise iarna, ceea ce le permite acestor acoperiri să reflecte energia solară vara și să absoarbă energia solară iarna. Pigmenții termocromici au fost dezvoltați prin amestecarea diferitelor tipuri de compuși organici și au fost încorporați în stratul alb comun.

Costul acestor pigmenți și, în general, costul materialelor termocromice sunt în prezent ridicate și tot nu pot fi economice pentru a fi încorporate în aplicații la scară largă, cum ar fi vopselele pentru acoperiș.

Standardele de testare

Studiile experimentale privind răcirea radiativă au fost efectuate în diferite condiții de mediu și metodologii, făcând aproape imposibilă compararea rezultatelor prezentate ca diferență de temperatură sau putere de răcire.

Diferența de temperatură sub-ambientală este specifică locului și climei, iar puterea de răcire depinde de temperatura suprafeței emitente. Prin urmare, este nevoie de o metodă standard de măsurare a performanței potențialului de răcire care să definească un mediu termic standard pentru avansarea tehnologiei de răcire pasivă radiativă.

În prezent, valorile de reflectare și emisivitate ale suprafețelor sunt singurii parametri care ar putea fi comparați între rezultatele publicate și, prin urmare, în această recenzie ne rămânem doar la acele valori. (Foto: Dreamstime)