Prozori koji griju i hlade kuću

Staklo koje zimi grije, a ljeti hladi kuću nije znanstvena fantastika nego znanstvena činjenica. No nije riječ baš o staklu nego o slojevima nanočestica na njemu.

Nenad Raos subota, 1. siječnja 2022. u 07:00

Iako su staklo puhali još stari Rimljani (a to su, puhati, naučili od Sirijaca), ravno staklo nisu poznavali. Povijest bilježi da su se prvi stakleni prozori pojavili na crkvama tek krajem sedmog stojeća da bi postali uobičajeni dio imućnih, građanskih kuća tek pola tisućljeća nakon toga – oko 1300. godine. Tome se nije čuditi jer se ravno staklo izrađivalo ručno, rezanjem i razvlačenjam plašta napuhanih staklenih posuda. Tek je početkom 20. stoljeća tehnologija dovoljno stasala da se ravno, prozorsko staklo moglo masovno, strojno proizvoditi. Danas ne možemo ni zamisliti da vrata trgovine, kafića ili hotela ne bi bila od stakla, a poslovne zgrade i neboderi plijene nam pogled staklenim fasadama na kojima se zrcali plavetnilo neba.

No opčinjenost staklom ima svoju cijenu. Računa se da se 4 % ukupne energije proizvedene u Sjedinjenim Državama izgubi kroz staklo. Kako riješiti taj problem, kako postići da kroz prozore prolazi manje topline nego što prolazi?

Toplina se može, kaže fizika, prenositi kondukcijom, konvekcijom i radijacijom. Rečeno manje učeno, toplina može kroz prozor prolaziti kao propuh (konvekcija), kao toplinski tok (kondukcija) ili pak sa njega može zračiti (radijacija). Prvi se problem može riješiti brtvljenjem, drugi višeslojnim staklom, a treći...? Treći se problem, problem radijacije, može riješiti metodama pasivnog radijacijskog hlađenja (radiation cooling, RC), a to zahtijeva vrlo naprednu tehnologiju.

I evo je! U časopisu Science nedavno je osvanuo znanstveni rad šestorice kineskih znanstvenika, na radu u Kini, Sjedinjenim Državama i Singapuru, pod naslovom „Scalable thermochromic smart windows with passive radiative cooling regulation (Ugodivi termokromatski pametni prozori s pasivnom regulacijom radijacijskog hlađenja)“.

Tajna pozora kineskih znanstvenika leži u četiri sloja koja se polažu na staklo: ispod sloja nanočestica vanadijeva dioksida (VO2) dopiranih volframom nalazi se sloj prozirnog polimera, poli(metil-metilakrilata) (PMMA), a ispod toga dva sloja (E) miješanog oksida indija i kositra (ITO) – jedan ispred, a drugi iza stakla.

Na prozor padaju tri vrste zračenja: ultraljubičasto (valne duljine 250 – 380 nm), vidljivo (380 – 780 nm) te blisko infracrveno zračenje (NIR), valne duljine 780 – 2500 nm. Slojevi propuštaju ultraljubičasto i svjetlosno zračenje, dok NIR kroz njih prolazi samo pri niskoj temperaturi, kada je vani hladno. To znači da će toplinsko (NIR) zračenje ulaziti kroz prozor samo zimi – i grijati prostoriju.

Najvažnji sastojak stakla su spomenute nanočestice vanadijeva dioksida koje ovisno o temperaturi zrače više ili manje infracrvenog zračenja, no ovaj put zračenje valne duljine od 2500 do 20.000 nm (long-wave infrared, LWIR). Promjenom temperature VO2 naime prelazi iz stanja izolatora u stanje metalnog vodiča, a ta je transformacija povezana s njegovom sposobnošću emisije infracrvenog zračenja velike valne duljina, dakle LWIR.

Pri nižoj tempreraturi zračenje LWIR je manje, a pri višoj temperaturi veće, a to znači – jednostavno rečeno – da će toplija strana prozora jače zračiti, pa će stoga prozor ljeti hladiti kuću. Govoreći jezikom brojeva, emisivnost stakla iznosi pri 20 oC 0,21, a pri 60 oC 0,61. Razlika emisivnosti od 0,40 hladne i tople strane stakla čini uštedu u električnoj energiji koja bi se, da nije toga, potrošila na hlađenje.

Autori su spomenutog rada izračunali da bi se zahvaljujući njihovim slojevima na staklu mogla u Sjedinjenim Državama postići godišnja ušteda od 124 MJ/m2, no ona bi u tropskim krajevima mogla dostići i 325 MJ/m2 – a to je 90 kWh po kvadratnom metru površine prozora. Kada se uzme u obzir da tipični američki poslovni neboder od 12 katova ima 4636 kvadratnih metara prozora, dolazi se do uštede od 160.000 kWh godišnje – po neboderu. A koliko nebodera ima...

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.

📢 TOP!

TOP!

HP ponuda

Veliki izbor vrhunskih HP laptopa za igru, multimediju i rad ćekaju te u Linksu!

Od 2399 kn Kupi


Prijenosni BT zvučnik

HARMAN KARDON Citation 200

Vrhunski dizajn i sofisticiranost, HD zvuk, streaming putem WiFi ili BT veze, IPX4, do 8 sati reprodukcije, 40Hz–20kHz, 50W RMS, >80dB.

2.699 kn Kupi

Gramofon sa EBLT pogonskim remenom

REGA Planar 2

RB220 tonarma, 24 V motor niske buke i vibracija, Rega Carbon MM zvučnica, tanjur poboljšane preciznosti 'Optiwhite' 10 mm.

4.649 kn Kupi

5.2-kanalni 8K AV prijemnik

DENON AVR-S660H

Glasovna kontrola i ugrađeni HEOS®, vrhunsko 3D audio iskustvo, bežični streaming glazbe, BT, WiFi, Dolby TrueHD ili DTS-HD Master Audio 5.1 surround zvuk, podržava najnovije HDMI specifikacije.

4.549 kn Kupi