Энергосбережение, повышение эффективности использования энергоресурсов, снижение выбросов парниковых газов - эти темы из года в год становятся все более актуальными ввиду набирающего темпы глобального потепления. Однако это же потепление заставляет людей все более широко применять кондиционеры в помещениях, что приводит к весьма значительному росту энергопотребления.

Гораздо более экономичный и экологичный метод поддержания оптимальной температуры в жилых и административных зданиях разработан теперь группой специалистов из Института солнечных энергосистем имени Фраунгофера во Фрайбурге и химического концерна BASF в Людвигсхафене. Эккехард Янс (Ekkehard Jahns), Фолькер Виттвер (Volker Wittwer) и Петер Шоссиг (Peter Schossig) предложили интегрировать в стройматериалы особые микрокапсулы, содержащие вещество, которое способно аккумулировать и снова высвобождать тепловую энергию.

Эти стройматериалы позволяют поддерживать в помещении оптимальную комфортную температуру даже в самые жаркие дни, не потребляя электроэнергии и не требуя техобслуживания.

Чудеса термодинамики

Никаких чудес тут нет: это чистая физика, конкретно - термодинамика. Да и вещество, о котором идет речь, - вовсе не какое-то экзотическое соединение, а самый банальный парафин. Вся эта инновационная технология базируется на эффектах, имеющих место при так называемых фазовых переходах, вернее, в данном случае, при изменении агрегатного состояния вещества - переходе из твердого состояния в жидкое и обратно.

Такой переход сопровождается соответственно поглощением или выделением довольно значительного количества энергии без изменения температуры вещества: физики говорят о скрытой теплоте перехода. "Идея использовать прохладу ночи для того, чтобы охлаждать здание в течение следующего дня, отнюдь не нова, - говорит профессор Фолькер Виттвер из Института солнечных энергосистем имени Фраунгофера. - Первые попытки такого рода были предприняты 60 с лишним лет назад".

Принцип, взятый на вооружение профессором Виттвером и его коллегами, проще всего наглядно проиллюстрировать, бросив кусочек льда в стакан с водой, - говорит ученый: "Мне нужно потратить очень много энергии, чтобы растопить лед. В процессе таяния он поглощает тепло, и до тех пор, пока не растает полностью, вода, в которой он плавает, остается прохладной, каким бы жарким ни был окружающий воздух".

Надо сказать, что этот эффект весьма значителен: чтобы растопить один килограмм льда, требуется столько же энергии, сколько для нагревания литра воды от 0 до 80 градусов. Правда, в этом отношении вода занимает совершенно особое место: по такому показателю как скрытая теплота плавления она уступает лишь двум веществам в природе - аммиаку и водороду, а по скрытой теплоте испарения и вовсе вне конкуренции. Но для решения задач, стоявших перед разработчиками инновационных стройматериалов, вода как теплонакопитель не годилась, поэтому они остановили свой выбор на парафине.

Чем мельче, тем лучше

Упомянутые профессором Виттвером самые первые попытки использовать для охлаждения помещений скрытую теплоту фазового перехода сводились, по сути дела, к элементарной пропитке стройматериалов теплонакопителем. Однако при нагревании он плавился и вытекал наружу, так что все эти попытки успехом не увенчались.

С тех пор инженеры провели еще немало экспериментов, то придавая парафину форму шаров размером с теннисный мяч, то брикетируя его, то гранулируя и пакуя в мешочки. Но найти техническое решение, пригодное для промышленного применения в строительстве, долгое время не удавалось: теплонакопитель в таком виде был очень чувствителен к механическим нагрузкам, да и теплообмен с окружающей средой оставлял желать лучшего.

"Поэтому наш подход состоял в том, что найти способ расфасовать парафин как можно более мелкими порциями, - поясняет профессор Виттвер. - Это повысит механическую прочность частиц, а кроме того, увеличит суммарную площадь их поверхности, что значительно улучшит теплообмен с окружающей средой. Вот так и родилась идея микрокапсулирования".

Реализовать идею помогли технологи концерна BASF. Конечный продукт - это заполненные парафином микроскопически малые бусинки из акрилового стекла. По сути дела, речь идет о тончайшем порошке: диаметр парафиновых бусинок в пять раз тоньше человеческого волоса. Этот порошок может подмешиваться к любому из известных стройматериалов - бетону, цементу, гипсу, штукатурке, - и таким образом применяться как при возведении новых, так и при капремонте старых зданий.

Сплошные преимущества

Микрокапсулы очень прочны, а в случае их разрушения утечка парафина ничтожна. С точки зрения механической обработки стройматериал с микрокапсулами ничем не отличается от обычного стройматериала: его можно точно так же сверлить и пилить. В ходе стендовых испытаний микрокапсулы легко выдержали 10 тысяч циклов нагрев/охлаждение, что соответствует 30-летней эксплуатации, нисколько не утратив при этом своих энергосберегающих свойств.

Жарким днем парафин в микрокапсулах плавится - в зависимости от стройматериала - при температурах от 21 до 26 градусов, поглощая уйму тепла из окружающей среды и охлаждая тем самым помещение. Прохладной ночью парафин снова застывает, высвобождая накопленное за день тепло. "Для меня подлинным прорывом стало жаркое лето 2003 года, - вспоминает Петер Шоссиг, коллега профессора Виттвера. - Тогда мы впервые смогли продемонстрировать в реальном помещении, отделанном стройматериалами с микрокапсулами, что у нас температура на 4 градуса ниже, чем в соседнем помещении".

Сегодня эта технология, выдвинутая на соискание Немецкой премии будущего, уже применяется практически во всех европейских странах, а также в Японии, Южной Корее, Австралии, Аргентине и США.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева