Ученые из Университета RMIT, Федерального университета и Мельбурнского университета в Австралии изучили, как современные «умные» материалы могут повысить энергоэффективность модульных домов — одного из самых быстрорастущих сегментов жилищного строительства. Такие здания собирают на заводе и доставляют готовыми модулями, что сокращает сроки и затраты, но у них есть слабое место — сравнительно низкая теплоизоляция. Это приводит к высоким затратам на кондиционирование и отопление, особенно в условиях разнообразного австралийского климата. Команда австралийских исследователей решила проверить, смогут ли такие дома сделать более комфортными и энергоэффективными передовые технологии — фазопереходные материалы, аэрогель и электрохромные стекла.
Для этого ученые создали виртуальную модель типичного одноэтажного модульного дома и с помощью специализированного программного обеспечения DesignBuilder провели сотни компьютерных симуляций. Они «прогнали» эту модель через климатические условия трех крупных австралийских городов: Мельбурна с умеренным климатом, Перта с жарким сухим летом и Брисбена с влажным субтропическим климатом. В модели они последовательно заменяли обычные элементы оболочки дома (стены, крышу, окна) на «умные» аналоги и смотрели, как меняется потребление энергии.
Первым на испытание отправился фазопереходный материал — вещество, которое, подобно льду, поглощает большое количество тепла при плавлении и отдает его при затвердевании. Ученые «добавили» тонкий слой такого материала внутрь стен дома. Оказалось, что это работает по-разному в разных городах. В Мельбурне этот материал лучше всего справлялся со снижением нагрузки на кондиционирование летом, а в Перте и Брисбене — на отопление зимой. Ключевым фактором было расположение: материал работал эффективнее, когда его слой находился ближе к внутренней стороне стены. При этом простое увеличение толщины слоя не давало пропорциональной выгоды, а важнее оказалась правильная температура плавления материала, подобранная под конкретный климат.
Следующим испытуемым стал аэрогель — невероятно легкий и пористый материал, один из лучших теплоизоляторов в мире. Его тонкий слой (всего 10 мм), добавленный в стены, показал себя как отличный «зимний» утеплитель, значительно снизив потребность в обогреве во всех трех городах. Однако на охлаждение дома летом он почти не влиял. Важный практический вывод: аэрогель толщиной в 1 см оказался так же эффективен, как и 13 см обычной минеральной ваты, что позволяет сильно облегчить конструкцию модульных блоков.
Третьим элементом стали электрохромные окна. Это «умные» стекла, которые по команде (автоматически или вручную) могут затемняться, регулируя количество солнечного тепла, проникающего в дом. Результаты с ними были неоднозначными. В Мельбурне и Перте такие окна дали заметную экономию на отоплении, уменьшив общее годовое энергопотребление на 8,9% и 3,8% соответственно. А вот в жарком и солнечном Брисбене они, к удивлению, не помогли снизить энергозатраты, а даже слегка их увеличили. Это показало, что эффективность технологии сильно зависит от местного климата и алгоритмов управления.
Но главный успех пришел, когда ученые объединили все три технологии в одной модели дома. Так была найдена оптимальная комбинация: стены с внутренним слоем фазопереходного материала, крыша с изоляцией из аэрогеля и электрохромные окна. Этот «умный коктейль» показал впечатляющие результаты, снизив общее годовое энергопотребление на 15,6% в Мельбурне, на 11,2% в Перте и на 6,1% в Брисбене. Исследователи также выяснили, что ориентация дома по сторонам света влияет на работу материалов. Например, стены, выходящие на север и запад, получают больше солнечного тепла, и «умные» материалы на этих фасадах работают с большей отдачей.
В целом работа австралийских ученых — это важный шаг к созданию доступного, быстрого и при этом энергоэффективного жилья. Конечно, у этих технологий есть и свои недостатки, главный из которых — высокая начальная стоимость. Однако снижение веса конструкций, экономия на эксплуатации и растущий спрос на «зеленые» решения со временем могут сделать такие умные модульные дома выгодными для всех.
