전형적인 미국 건물에서는 사용되는 에너지의 약 50%가 냉난방에 사용됩니다. 이는 많은 비용과 화석 연료 비용을 발생시킬 뿐만 아니라 특히 극한 기온 기간 동안 이미 노후화된 에너지 인프라에 부담을 줍니다. 이것이 UC Santa Barbara 연구원인 Charlie Shaw, Elliott Hawkes 및 Liao Bolin이 해결하고자 하는 질문입니다.
Device 저널에 발표된 논문에서 그들은 지붕에 배열로 설치하면 전자 제품 없이도 겨울에는 난방비를, 여름에는 냉방비를 줄일 수 있는 적응형 타일을 설명합니다.
이번 연구의 주저자인 Xiao는 "타일의 온도에 따라 가열 상태와 냉각 상태 사이를 전환할 수 있다"고 말했습니다. "목표 온도는 화씨 약 65도, 섭씨 약 18도입니다."
대략 4인치 정사각형의 수동 온도 조절기는 Liao의 열 과학 전문 지식과 Hawkes의 기계 설계 작업(온도 변화에 따라 열 특성을 변경하는 이동식 표면)을 결합합니다. 이 프로젝트에 대한 아이디어는 몇 년 전 산타바바라와 북부 캘리포니아를 오가는 장거리 여행 중에 떠올랐습니다.
타일 개발 및 기능
"그 당시 우리 배우자는 둘 다 스탠포드에 있었기 때문에 우리는 함께 무엇을 할 수 있을지 알아보기 위해 함께 여행했습니다"라고 Hawkes와 마찬가지로 UC Berkeley의 기계 공학 교수인 Liao는 말했습니다. 이후 그들은 기계적으로 조정 가능한 열 장치를 설계하기 위해 캘리포니아 나노시스템 연구소(California NanoSystems Institute)로부터 초기 자금을 지원 받았습니다.
적응형 타일에 대한 아이디어가 마침내 구체화된 것은 Shaw가 왁스 모터를 사용하는 아이디어를 내놓은 이후였습니다. 온도에 따른 왁스의 부피 변화에 따라 왁스 모터는 압력을 발생시켜 기계 부품을 움직이고 열 에너지를 기계 에너지로 변환합니다. 왁스 모터는 식기세척기, 세탁기 등 다양한 가전제품은 물론 항공우주 산업과 같은 보다 특수한 응용 분야에서도 흔히 볼 수 있습니다.
타일의 경우 왁스 모터가 상태에 따라 피스톤을 밀거나 후퇴시켜 타일 표면의 셔터를 닫거나 열 수 있습니다. 따라서 서늘한 온도에서는 왁스가 단단해지면 블라인드가 닫히고 타일이 깔려 햇빛을 흡수하는 표면이 노출되고 복사를 통한 열 손실이 최소화됩니다.
장점 및 테스트 결과
그러나 온도가 섭씨 18도 정도에 도달하면 왁스가 녹고 팽창하기 시작하여 블라인드를 밀어 열면 햇빛을 반사하고 열을 방출하는 표면이 드러납니다. 또한 녹거나 얼리는 과정에서 왁스는 많은 양의 열을 흡수하거나 방출하여 타일과 건물의 온도를 더욱 안정화시킵니다.
"결과적으로 우리는 매우 작은 범위 내에서 작동하는 예측 가능한 스위칭 동작을 갖게 되었습니다"라고 Xiao는 설명했습니다. 연구진의 논문에 따르면, 테스트 결과 기존 반사 또는 흡수 코팅으로 덮인 비 스위칭 장치에 비해 냉각 에너지 소비는 3.1배, 난방 에너지 소비는 2.6배 감소한 것으로 나타났습니다. 왁스 모터 덕분에 이 장치는 작동하는 데 전자 장치, 배터리 또는 외부 전원이 필요하지 않으며 다른 유사한 기술과 달리 응답 속도는 목표 범위의 몇도 이내입니다. 또한 장치의 단순한 디자인으로 인해 쉽게 맞춤화가 가능합니다. 다양한 열 코팅과 다양한 유형의 왁스를 사용하여 장치를 원하는 온도 범위 내에서 작동하는 동시에 대규모 제조도 용이하게 할 수 있습니다.
Hawkes는 "이 장치는 여전히 개념 증명이지만 언젠가는 건물의 에너지 소비에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 새로운 기술로 이어질 수 있기를 바랍니다"라고 말했습니다.
컴파일된 소스: ScitechDaily