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. Hned dvě výzkumné skupiny se v poslední době inspirovaly proměnlivou barvou kůže chameleonů a nezávisle na sobě vytvořily materiály, které mohou měnit barvu fasád budov. Tím by mohly pomoci snížit spotřebu energie na vytápění i chlazení. Jeden z konceptů pochází z Chicagské univerzity a umožňuje relativně jednoduše změnit množství vyzařovaného infračerveného tepla. Díky tomu by mělo být možné déle udržet vyšší vnitřní teplotu budov. Druhá technologie, vyvinutá týmem z Torontské univerzity, by měla naopak umožnit lépe řídit množství, typ a směr infračerveného a viditelného světla, které do budovy vstupují. Obě technologie samy o sobě potřebují k provozu elektrickou energii, rozhodně tedy nejsou „zadarmo“. Ovšem měly by umožnit snížit spotřebu energie natolik, aby ve výsledku byl jejich provoz z energetického hlediska plusový (a tedy aby mohl být alespoň teoreticky plusový také z hlediska čistě finančního).
Úspory všeho druhu
Energetická účinnost budov se v poslední době dostala do popředí zájmu nejen kvůli snahám o omezení emisí, ale také kvůli zdražování energií, jejichž ceny se na úroveň z předchozích několika let vrátí nejspíše za dosti dlouhou dobu, pokud vůbec. Kromě již celé plejády existujících řešení se pracuje i na mnoha nových. Jedním z nich je právě vývoj různých „metamateriálů“, které mají nečekané a nezvyklé vlastnosti, obvykle dané tím, že materiál je přesně navržen prakticky až do molekulární úrovně. 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 umožňující vyzařování infračervených tepelných paprsků 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.
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: stisknutím vypínače. „Místo, abychom vynakládali energii na vytápění nebo chlazení, měníme míru izolace 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. Elektrodu směřující ven z budovy tvoří plastová fólie potažená mřížkou ze zlatých nanodrátků, 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 pokovené tepelné přikrývky, které snižují tepelné ztráty běžců“, vysvětlil Hsu. Když se napětí přepóluje, kov se rozpustí zpět do elektrolytu, který přes průhlednou plastovou elektrodu vyzařuje infračervené teplo — a zařízení tak začne chladit. V tomto módu má materiál vyzařovat zhruba 13× více infračerveného záření než v režimu „hřejivém“ (emisivita se pohybuje v rozmezí 0,07—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 pořízení 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 alternativa
To „optofluidní“ zařízení, které popsal 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 mm, které lze plnit různými kapalinami. Jednou je barevný vodní či alkoholový roztok schopný absorbovat viditelné i blízké infračervené vlnové délky, dalšími jsou velmi tmavý roztok poskytující stín a suspenze s titanovými nanočásticemi rozptylující a usměrňující procházející světlo. Desky lze kombinovat do vícevrstvého složeného systému, ve kterém je každá vrstva zodpovědná za jiný typ optické funkce: řízení intenzity, filtrování vlnové délky nebo ladění rozptylu procházejícího světla v interiéru. Pomocí malých, digitálně řízených čerpadel, která přidávají nebo odebírají kapaliny z každé vrstvy, může systém optimalizovat přenos světla.
„Je to jednoduché a levné, ale zároveň to umožňuje neuvěřitelně přesné řízení. Můžeme navrhovat dynamické fasády budov v kapalném stavu, které z hlediska optických vlastností dělají v podstatě cokoli,“ tvrdí jeden z autorů Raphael Kay v tiskové zprávě k vydání práce. Výzkum navazuje na jiný systém, jenž využívá vstřikovaný pigment, vyvinutý stejným týmem na začátku tohoto roku a publikovaný v časopise Nature Communications. Zatímco tato studie čerpala inspiraci ze schopností mořských členovců měnit barvy, současný systém je spíše analogický vícevrstvé kůži chobotnic. Kombinace různých 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 pak samozřejmě ovlivnil vzhled budov a vyžadoval instalaci nějakého systému řízení a okruhu s kapalinou. Podle našeho názoru ne zcela triviálním problémem je zajištění těsnosti. Na druhou stranu, protože 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. Tým připravil počítačové modely, které analyzovaly potenciální energetický dopad pokrytí hypotetické budovy tímto typem dynamické fasády. Zadané parametry vycházely z fyzikálních vlastností naměřených na prototypech — takže zatím pouze z laboratorních dat, která se samozřejmě mohou od výsledků v reálném světě i poměrně výrazně lišt. Tým také simuloval různé řídicí algoritmy pro aktivaci nebo deaktivaci vrstev v reakci na měnící se okolní podmínky. „Pokud bychom měli pouze jednu vrstvu, která by se zaměřovala na modulaci propustnosti blízkého infračerveného světla — takže bychom nijak neovlivňovali viditelnou část spektra — dalo by se podle našich závěrů ročně ušetřit asi 25 % energie na vytápění, chlazení a osvětlení oproti statickému základu,“ říká Kay. Přičemž se dvěma vrstvami je možné potenciálně dosáhnout téměř dvojnásobných úspor. To samozřejmě znovu v ideálních podmínkách nedokonalého modelu. Na první pohled je potenciál tak zajímavý, že by snad někomu měl stát za podrobnější pohled a prozkoumání. I když nepochybně v praxi takový nápad narazí na praktické potíže, které celkový přínos budou snižovat, je zároveň pravda, že jde o mladou myšlenku. Dá se tedy očekávat, že koncept je možné nadále vylepšovat. Například pro studii použité řídicí algoritmy byly navrženy lidmi. Hatton ovšem upozorňuje, že úkol jejich optimalizace by byl ideálním úkolem pro umělou inteligenci. /jj/
