Энергоэффективные здания с элементами, вдохновленными слоновьими ушами: инновации в строительных материалах

Скам и безопасность Интервью с лидерами отрасли

Современное строительство все чаще ориентируется на энергоэффективность, что связано с необходимостью сокращения энергопотребления и влияния зданий на окружающую среду. Практически половина всей энергии, используемой зданиями, уходит на поддержание комфортной температуры воздуха. Это связано с тем, что стены, потолки и полы часто являются основными источниками теплопотерь или избыточного нагрева помещений, что автоматически ведет к увеличению затрат на отопление и кондиционирование. Новейшие исследования в области строительных материалов направлены на решение этой проблемы за счет внедрения инновационных технологий, заимствованных у природы. Одной из таких революционных концепций стала технология, вдохновленная строением и функциями массы кровеносных сосудов в слоновьих ушах и ушах других животных, таких как заячьи.

Исследовательская команда из Колледжа инженерии Университета Дрекселя представила инновационное решение, заключающееся в создании в структуре бетона и цементных строительных материалах сети мелких каналов, заполненных фазовым материалом на основе парафина. Эта сеть выполняет функцию сосудистой системы, способной регулировать температуру поверхности строительных элементов пассивным способом. Концепция основана на природных механизмах терморегуляции, когда кровь, несущая тепло, активно циркулирует по сосудистой сети, отдавая или поглощая тепло. Фазовые материалы в данной технологии играют ключевую роль. Они способны накапливать и выделять тепло посредством фазовых переходов: при повышении температуры материал плавится и аккумулирует тепловую энергию, что замедляет нагрев поверхности.

При понижении температуры материал кристаллизуется, выделяя накопленное тепло, таким образом поддерживая окружающие поверхности теплее. Выбранный исследователями парафин характеризуется температурой плавления около 18 градусов Цельсия, что идеально подходит для холодных климатов, хотя концепция предусматривает возможность подбора материалов с другими температурами плавления для адаптации к разным условиям. Важным аспектом стало использование специальной печатной полимерной матрицы, которая служит шаблоном для создания сложной системы взаимосвязанных каналов в бетонной массе. После формирования необходимой структуры полимер растворяется или удаляется, оставляя заполненные фазовым материалом сосудистые каналы. Эксперименты показали, что наиболее эффективной оказалась архитектура, напоминающая ромбовидную сетку, обеспечивающая наилучший баланс между прочностью и стабильным терморегулирующим эффектом.

Эта разработка не только способствует улучшению теплосбережения, но и влияет на механическую прочность строительных материалов. Благодаря добавлению мелкого заполнителя в цементную смесь, удалось укрепить структуру, не нарушая проходимости сосудистой сети. Это значит, что инновационные материалы обладают достаточной надежностью для применения в реальном строительстве, включая перегородки, перекрытия и фасадные системы. Принцип работы новой технологии во многом напоминает естественный процесс, когда живые организмы поддерживают стабильную температуру тела с помощью кровеносной системы. Подобным образом здания с такими конструкциями смогут не просто компенсировать теплопотери, но и активно участвовать в пассивном отоплении и охлаждении, снижая эксплуатационные расходы на системы кондиционирования и отопления.

Важнейшим преимуществом предложенного подхода является его масштабируемость и возможность адаптации под разные климатические условия. В теплых регионах конфигурация сосудов и тип фазового вещества могут быть изменены таким образом, чтобы максимально эффективно поглощать избыток тепла в дневное время и отдавать его ночью. Для холодных регионов материал сможет дольше сохранять тепло, уменьшая необходимость в дополнительном обогреве. Дальнейшие исследования, планируемые командой Университета Дрекселя, направлены на испытание различных фазовых веществ и оптимизацию структуры сосудистой сети для больших образцов. Эти испытания помогут понять долговременную эффективность и устойчивость материала к внешним воздействиям, а также его поведение в реальных климатических условиях.

Внедрение таких инноваций может привести к революции в сфере строительства и энергоэффективности. Поскольку здания ответственны почти за 40% всех выбросов парниковых газов, переход на материалы и технологии, которые значительно снижают энергопотребление, будет решающим шагом в борьбе с изменением климата. Создание стен, полов и потолков с сосудистыми системами, наполненными фазовым материалом – это не просто научная новинка, а практическое решение, способное значительно изменить подход к проектированию и эксплуатации зданий. Технология сочетает в себе экологичность, экономическую целесообразность и вдохновение природой, что делает ее одной из наиболее перспективных в области устойчивого строительства. Разработанный метод можно рассматривать как часть комплексной стратегии, направленной на снижение энергопотребления зданий.

Он хорошо сочетается с существующими решениями в области утепления, вентиляции и систем управления микроклиматом. Совместное использование различных технологий может привести к созданию саморегулирующихся зданий, способных адаптироваться к изменениям внешней среды с минимальными затратами энергии. Таким образом, вдохновение природными системами и применение знаний в области материаловедения открывают новые горизонты для устойчивого развития архитектуры и строительства. Использование сосудистых структур, напоминающих слоновьи уши, в стенах, полах и потолках обещает сделать здания не только более энергоэффективными, но и более комфортными и экологичными для проживания.