Η λειτουργία των αυτιών των ελεφάντων ως πρότυπο για έξυπνη θερμική διαχείριση κτιρίων

Μια καινοτομία στον τομέα των κατασκευών φέρνει στο προσκήνιο ένα “ζωντανό” τσιμέντο, το οποίο, μιμούμενο τη λειτουργία των αυτιών ενός ελέφαντα, ρυθμίζει τη θερμοκρασία του και μειώνει σημαντικά την ενεργειακή κατανάλωση στα κτίρια. Το υλικό αυτό προμηνύει την εξέλιξη προς έξυπνα, ενεργειακά αυτόνομα κτίρια που μπορούν να αντιδρούν και να προσαρμόζονται στις περιβαλλοντικές συνθήκες, λειτουργώντας όπως οι ζωντανοί οργανισμοί.

Η πρωτοβουλία ανήκει στην ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Drexel στις Ηνωμένες Πολιτείες, όπου αναπτύχθηκε ένα καινοτόμο τσιμεντοειδές σύνθετο υλικό, το οποίο περιέχει μικρο-κανάλια, εμπνευσμένα από τη φυσική αγγείωση, λειτουργώντας σαν το κυκλοφορικό σύστημα που διαθέτουν οι ζωντανοί οργανισμοί για τη μεταφορά θερμότητας και θρεπτικών ουσιών.

Τα μικρο-κανάλια του υλικού λειτουργούν ως τεχνητά «αγγεία» που επιτρέπουν την αποθήκευση και διανομή θερμότητας, όπως ακριβώς συμβαίνει στα κυκλώματα των ζώων.

Το νέο υλικό ονομάζεται VASCI (Vascular Self-responsive Cementitious Composite) και προσφέρει ένα παθητικό, αυτορυθμιζόμενο θερμικά σύστημα, κατάλληλο για ενεργειακά αποδοτικά και βιώσιμα κτίρια, περιορίζοντας την ανάγκη για εξωτερικές λύσεις θέρμανσης ή ψύξης.

«Ανακαλύψαμε πως, όπως και στα αυτιά των ελεφάντων, όσο μεγαλύτερη είναι η αγγειακή επιφάνεια, τόσο καλύτερη είναι η ρύθμιση της θερμοκρασίας», είπε ο Robin Deb, συν-συγγραφέας της μελέτης.

Η διαδικασία αυτή περιγράφεται εκτενώς στο “Journal of Building Engineering”, και περιλαμβάνει δίκτυα μικροκαναλιών μέσα σε τσιμεντοειδή υλικά. Αυτά τα κανάλια γεμίζουν με υλικά αλλαγής φάσης (όπως παραφίνη), τα οποία απορροφούν ή απελευθερώνουν θερμότητα κατά τη διάρκεια της φάσης τους (στερεά προς υγρή και αντίστροφα), επιτρέποντας στον υλικό να αυτορυθμίζει τη θερμοκρασία του.

Μεθοδολογία: Τεχνητή αγγείωση και «ιδρώτας» στο τσιμέντο

Η καινοτομία του VASCI βασίζεται σε δύο βασικές αρχές που αντλούνται από τη φύση:

1. Αγγείωση: Το υλικό περιλαμβάνει μικρο-κανάλια που λειτουργούν ως αιμοφόρα αγγεία στα ζωντανά όντα, ενισχύοντας την επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας με το περιβάλλον και διευκολύνοντας την παθητική θερμική ρύθμιση.
2. Θερμική ρύθμιση μέσω αλλαγής φάσης: Τα κανάλια γεμίζουν με παραφίνη PCM-18, ένα υλικό που αλλάζει φάση γύρω από τους 18°C. Κατά την αλλαγή φάσης, απελευθερώνει ή απορροφά θερμότητα, μιμούμενο τη διαδικασία εξάτμισης του ιδρώτα στον ανθρώπινο οργανισμό ως φυσική μέθοδο ψύξης. Όταν ζεσταίνεται, η παραφίνη λιγοστεύει και απορροφά θερμότητα, ψύχοντας το υλικό, ενώ όταν ψύχεται, σταθεροποιείται και απελευθερώνει θερμότητα.

Απλότητα και οικονομία στη χρήση

Η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Yaghoob Amir Farnam κατάφερε να δημιουργήσει τα κανάλια χρησιμοποιώντας μια τεχνική πολυμερικού θυσιαζόμενου ικριώματος. Χρησιμοποιώντας διαλυτά νήματα (όπως το P400SR) μέσα σε τσιμεντένια καλούπια, έπειτα από την ξήρανση, τα νήματα διαλύθηκαν και άφησαν πίσω κενά κανάλια που γεμίστηκαν με παραφίνη.

Οι δαπάνες είναι χαμηλές καθώς χρησιμοποιούνται οικονομικά υλικά και δεν απαιτούν αντλίες ή ενεργά κυκλοφορικά συστήματα. Η ευελιξία της τεχνολογίας επιτρέπει, επίσης, την αλλαγή της PCM ανάλογα με τις κλιματικές συνθήκες (π.χ. χρήση υλικών τήξης 26–30°C για ζεστότερες περιοχές).

Πώς επηρεάζει το μέλλον;

Όπως παρατηρείται, η καινοτομία αυτή έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί σε τοίχους, δάπεδα και οροφές, κυρίως σε περιοχές με έντονη θερμική καταπόνηση. Η δυνατότητα αλλαγής των PCM ανάλογα με την εποχή (π.χ. για χειμώνα ή καλοκαίρι) προσφέρει περαιτέρω προσαρμοστικότητα στη λύση.

Υπενθυμίζεται ότι:

• Το 40% της ενέργειας στην ΕΕ χρησιμοποιείται από τα κτίρια, κυρίως για θέρμανση και ψύξη.
• Περίπου το 63% των ενεργειακών απωλειών προκύπτει από δομικά στοιχεία: τοίχους, οροφές και δαπέδων.
• Η μετάβαση σε κτίρια σχεδόν μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης είναι ένας κεντρικός στόχος της πράσινης μετάβασης και της απανθρακοποίησης του κατασκευαστικού κλάδου.

Μελλοντικά βήματα

Το ερευνητικό πρόγραμμα περνά τώρα σε δοκιμές μεγάλης κλίμακας, με τη δημιουργία πραγματικών δομικών πάνελ, καθώς και την αξιολόγηση της μακροχρόνιας αντοχής σε επαναλαμβανόμενους θερμικούς κύκλους, και την εφαρμογή 3D εκτύπωσης για πολύπλοκες αγγειακές διατάξεις.

Διαβάστε ακόμη