فكرة غير مسبوقة.. المواد البلاستيكية يمكنها تبريد المباني وتسخينها بشكل سلبي حسب فصول السنة

طور الباحثون في جامعة برينستون وجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس آلية سلبية لتبريد المباني في الصيف وتدفئتها في الشتاء.

في مقال نشر في 27 يونيو في مجلة Cell Reports Physical Science، ذكروا أنه من خلال تقييد تدفقات الحرارة الإشعاعية بين المباني وبيئتها إلى أطوال موجية محددة، يمكن للطلاءات المصممة من مواد شائعة تحقيق توفير في الطاقة والراحة الحرارية التي تتجاوز ما تغطيه المباني التقليدية يمكن تحقيقه.

وقال الباحث جيوترموي ماندال، الأستاذ المساعد في الهندسة المدنية والبيئية في جامعة برينستون: “مع ارتفاع درجات الحرارة العالمية، أصبح الحفاظ على المباني الصالحة للسكن تحديا عالميا”، “تتبادل المباني غالبية الحرارة مع بيئتها على شكل إشعاع، ومن خلال تصميم الخصائص البصرية لأغلفتها لاستغلال كيفية تصرف الإشعاع في بيئتنا، يمكننا التحكم في الحرارة في المباني بطرق جديدة ومؤثرة.”

الحرارة الإشعاعية، التي تحملها الموجات الكهرومغناطيسية، موجودة في كل مكان، نشعر بها عندما يقوم ضوء الشمس بتدفئة بشرتنا، أو عندما يقوم ملف كهربائي بتسخين الغرفة، يعد تنظيم درجة حرارة المبنى عن طريق التحكم في الحرارة المشعة ممارسة شائعة.

تستخدم معظم المباني مظلات النوافذ لحجب أشعة الشمس، كما تقوم العديد من المباني بطلاء الأسطح والجدران باللون الأبيض لتعكس أشعة الشمس.

قال الباحث أسواث رامان، الأستاذ المشارك في علوم وهندسة المواد في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس: “إذا نظرنا إلى المدن التاريخية مثل سانتوريني في اليونان أو جودبور في الهند، فسنجد أن تبريد المباني عن طريق جعل الأسقف والجدران تعكس ضوء الشمس كان متبعًا منذ قرون.

وفي السنوات الأخيرة، كان هناك اهتمام كبير بطلاء الأسطح المبرد الذي يعكس ضوء الشمس، لكن تبريد الجدران والنوافذ يشكل تحديًا أكثر دقة وتعقيدًا”.

الحل في طريقة انتقال الحرارة بين المباني والمنطقة

عادة ما تتمتع الأسطح بإطلالة مفتوحة على السماء، وهذا يسمح لطلاءات الأسطح الباردة بعكس ضوء الشمس وإشعاع حرارة الموجة الطويلة نحو السماء وفي النهاية إلى الفضاء، من ناحية أخرى، تطل الجدران والنوافذ في الغالب على الأرض والمباني المجاورة.

خلال الطقس الحار، يتم تدفئتها بالحرارة المنبعثة من الشوارع الساخنة والأرصفة والمباني المجاورة، وهذا يعني أنه حتى عندما تشع الجدران والنوافذ الحرارة إلى السماء، فإن الأرض تسخن أكثر، خلال الطقس البارد ، تصبح البيئة الأرضية أكثر برودة، مما يؤدي إلى استنزاف الحرارة من الجدران والنوافذ.

وأدرك الباحثون أن الحل لهذه المشكلة يكمن في الطريقة المختلفة التي تنتقل بها الحرارة بين المباني والمنطقة على مستوى الأرض والطريقة التي تنتقل بها بين المباني والسماء.

تنتقل الحرارة الإشعاعية من المباني إلى السماء في جزء ضيق من طيف الأشعة تحت الحمراء المعروف باسم نافذة الإرسال الجوي، لذلك يطلق الباحثون على هذا النطاق الضيق.

على مستوى الأرض، تتحرك الحرارة الإشعاعية عبر طيف الأشعة تحت الحمراء بأكمله، ويطلق الباحثون على هذا النطاق العريض.

فكرة غير مسبوقة

وذكر ماندال “من خلال طلاء الجدران والنوافذ بمواد تشع أو تمتص الحرارة فقط في نافذة الغلاف الجوي، يمكننا تقليل اكتساب الحرارة عريضة النطاق من الأرض في الصيف، وفقدانها في الشتاء، مع الحفاظ على تأثير التبريد للسماء، نحن نؤمن بذلك إلى أن هذه الفكرة غير مسبوقة، وتتجاوز ما يمكن أن تحققه أغلفة السقف والجدران التقليدية.

تأثير النتائج مهم لسببين مهمين، أولاً، أظهر الباحثون في المقالة أن العديد من مواد البناء الشائعة ومنخفضة التكلفة تشع الحرارة في النطاق الضيق وتحجب حرارة النطاق العريض.

يمكن تكييف مواد مثل فلوريد البولي فينيل، المستخدمة بالفعل كمواد جانبية، لهذا الغرض، كما هو الحال مع المواد البلاستيكية الأكثر شيوعًا.

وأشار رامان “لقد كنا متحمسين حقًا عندما وجدنا أن مواد مثل مادة البولي بروبيلين، والتي حصلنا عليها من المواد البلاستيكية المنزلية، تشع أو تمتص الحرارة بشكل انتقائي في نافذة الغلاف الجوي”، “هذه المواد تكاد تكون عادية، ولكن نفس قابلية التوسع التي تجعلها شائعة تعني أيضًا أننا يمكن أن نراها في المباني التي تنظم الحرارة في المستقبل القريب.”

السبب الثاني للتفاؤل، هو أن تأثيرات الطاقة المحتملة على مستوى البناء كبيرة.

ولاحظ الباحثون أن توفير الطاقة الموسمية بآليتها يمكن مقارنته بفوائد طلاء الأسطح الداكنة باللون الأبيض، قد يكون هذا مفيدًا مع استمرار ارتفاع تكاليف تكييف الهواء والإصابات المرتبطة بالحرارة في جميع أنحاء العالم، يخطط ماندال ورامان لمواصلة هذا البحث بشكل أكبر.

ويشير ماندال إلى أن “الآلية التي اقترحناها سلبية تمامًا، مما يجعلها وسيلة مستدامة لتبريد وتدفئة المباني مع فصول السنة وتحقيق وفورات في الطاقة غير مستغلة”، “في الواقع، فإن فوائد الآليات والمواد التي نعرضها هي الأعلى بالنسبة للمباني في الجنوب العالمي، لذا، يمكن أن يكون حلاً أكثر إنصافًا في المجتمعات الفقيرة بالموارد، بل وأكثر من ذلك عندما يشهدون زيادة في طلبات التبريد والوفيات المرتبطة بالحرارة. “