Στα πλαίσια του συγκεκριμένου έργου, υλοποιήθηκε έρευνα για την ανάπτυξη υλικών, τα οποία μπορούν να αξιοποιηθούν για την παραγωγή θερμοχρωμικών τζαμιών για κτηριακές εφαρμογές. Η εγκατάσταση θερμοχρωμικών τζαμιών αποδεικνύεται ότι μπορεί να μειώσει σημαντικά τις απαιτήσεις ψυκτικής ενέργειας στα κτήρια και κατ’ επέκταση να μειωθεί το ανθρακικό αποτύπωμα των κατασκευών διατηρώντας παράλληλα ιδανικές συνθήκες άνεσης.
Στην σημερινή εποχή αποτελεί παγκόσμια πρόκληση η μείωση των ρύπων διοξειδίου του άνθρακα (CO2) δεδομένου ότι είναι πλέον ορατή η συνεχιζόμενη κλιματική επιδείνωση του πλανήτη. Στην Ευρώπη υπολογίζεται ότι το αστικό περιβάλλον απαιτεί περίπου το 40% της συνολικής πρωτογενούς παραγόμενης ενέργειας, ενώ είναι υπεύθυνο για την παραγωγή του 37% των τοξικών αερίων που προκαλούν το «φαινόμενο του θερμοκηπίου» (green-house effect). Συνεπώς γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι η αύξηση της ενεργειακής απόδοσης στον κτιριακό τομέα θα συντελούσε τα μέγιστα στην μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και στην επίτευξη καλύτερων περιβαλλοντολογικών συνθηκών.
Τα παράθυρα των κτιρίων αποτελούν ένα ζωτικό στοιχείο στην λειτουργία τους καθώς επηρεάζουν άμεσα τις παραμέτρους που επικρατούν στους εσωτερικούς τους χώρους, με σημαντικότερη αυτή της θερμοκρασίας. Η θερμοκρασία των εσωτερικών χώρων αποτελεί ίσως τον βασικότερο παράγοντα για την άνετη και λειτουργική χρήση των κτιριακών εγκαταστάσεων, καθώς και για την διασφάλιση συνθηκών υγιούς διαβίωσης. Στις μέρες μας, τεράστιες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας παραγόμενης από ορυκτά καύσιμα, δαπανώνται με σκοπό την ρύθμιση του μικροκλίματος των εσωτερικών χώρων.
Συνεπώς, τα παράθυρα των κτιρίων έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην ποσότητα της απαιτούμενη ενέργειας που χρειάζεται για την εύρυθμη λειτουργία των κτιριακών εγκαταστάσεων και το κλιματισμό τους.
Σε γεωγραφικές περιοχές όπως αυτές της Περιφέρειας Κρήτης, ο συσχετισμός είναι ακόμα εντονότερος δεδομένων των θερμών καιρικών συνθηκών που επικρατούν. Ενδεικτικά, στην περιοχή της Κρήτης περισσότερες από τις μισές μέρες του έτους επικρατεί έντονη ηλιοφάνεια, ενώ τους θερινούς μήνες καταγράφονται υπερβολικά αυξημένες θερμοκρασίες. Παράλληλα, τους ίδιους μήνες αυξάνονται δραματικά οι ανάγκες μαζικής φιλοξενίας τουριστών στις ξενοδοχειακές εγκαταστάσεις του νησιού, και κατ’ επέκταση αυξάνονται οι απαιτούμενες ποσότητες ενέργειας για κλιματισμό.
Περιγραφή του Έργου
Στόχος του έργου ήταν η ανάπτυξη καινοτόμων, σύνθετων θερμοχρωμικών υλικών για εφαρμογές ‘έξυπνων’ παραθύρων σε κτιριακές εγκαταστάσεις της Κρήτης, τα οποία θα μειώνουν τις ενεργειακές ανάγκες για την ψύξη εσωτερικών χώρων. Η τεχνολογική αρχή λειτουργίας των ‘έξυπνων’ παραθύρων βασίζεται στο εντυπωσιακό χαρακτηριστικό των θερμοχρωμικών υλικών να προσαρμόζουν τις οπτικές τους ιδιότητες ανάλογα με την θερμοκρασία στην οποία εκτίθενται.
Ειδικότερα, σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, η οποία ονομάζεται θερμοκρασία μετάβασης, μεταβάλλεται δραστικά η οπτική διαπερατότητα τους. Στις θερμοκρασίες που είναι χαμηλότερες από την θερμοκρασία μετάβασης, τα θερμοχρωμικά υλικά παραμένουν διαπερατά στην υπέρυθρη ηλιακή ακτινοβολία, ενώ στις θερμοκρασίες που είναι μεγαλύτερες από την θερμοκρασία μετάβασης, δεν επιτρέπουν την διέλευση της υπέρυθρης ηλιακής ακτινοβολίας, αλλά προκαλούν την ανάκλασή της προς διαφορετική κατεύθυνση. Για την εξέλιξη και εφαρμογή της τεχνολογίας των ‘έξυπνων’ παραθύρων υπάρχουν στην σημερινή εποχή τρεις σημαντικές ερευνητικές προκλήσεις. Η πρώτη αφορά την ρύθμιση της θερμοκρασίας μετάβασης ανάλογα με τον τύπο, την χημική σύσταση, και την δομή του θερμοχρωμικού υλικού, ενώ η δεύτερη αφορά την επιτυχή ενσωμάτωση και επίστρωση του θερμοχρωμικού υλικού στο εσωτερικό των κοινών πυριτικών και βορικών υάλων που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή παραθύρων. Τρίτον, είναι σημαντικό η θερμοχρωμική μετάβαση να επιτυγχάνεται χωρίς να επηρεάζεται η διαπερατότητα του παραθύρου στο ορατό φάσμα, ούτος ώστε η ‘έξυπνη’ λειτουργία να μην γίνεται αντιληπτή από τους χρήστες.
Η προτεινόμενη ενεργειακά ‘έξυπνη’ και οικολογική λειτουργία των τζαμιών αποτυπώνεται στην παρακάτω εικόνα: όσο η θερμοκρασία του εσωτερικού χώρου παραμένει χαμηλότερη της επιθυμητής, τα παράθυρα παραμένουν εντελώς διαπερατά και επιτρέπουν την είσοδο της υπέρυθρης ηλιακής ακτινοβολία στον εσωτερικό χώρο. Όταν η εσωτερική θερμοκρασία φτάσει στο ιδεατό επίπεδο (π.χ. 20 οC), τα ‘έξυπνα’ παράθυρα μεταβαίνουν αυτόματα σε λειτουργία ανάκλασης, έτσι ώστε η υπέρυθρη ακτινοβολία αντί να διαπερνά το παράθυρο και να μεταφέρει επιπλέον θερμότητα στον εσωτερικό χώρο, ανακλάται προς τον εξωτερικό χώρο.
Εικόνα: Σχηματική απεικόνιση της οικολογικά ‘έξυπνης’ και αυτόνομης λειτουργίας κτιρίων με βάση την χρήση καινοτόμων θερμοχρωμικών υαλοπινάκων στα παράθυρα
Στο Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του ΙΤΕ έγινε χρήση της υπάρχουσας τεχνολογίας αιχμής και ακαδημαϊκής γνώσης και αναπτύχθηκαν σύνθετα καινοτόμα θερμοχρωμικά υαλο-υμενία (φιλμς) με τεχνικές λέιζερ. Ειδικότερα, έγινε με επιτυχία η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός των σύνθετων φωτοχρωμικών υάλων AgCl-AgPO3, με την διαδικασία εξελιγμένου πρωτόκολλου θερμικής ανόπτησης. Ο χαρακτηρισμός των σύνθετων υάλων με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), ανέδειξε την καταλληλόλητα του τρόπου παρασκευής των εργαστηριακών πρωτότυπων βθερμοχρωμικών υάλων με επιφανειακές περιοδικές δομές μετά από κατεργασία με λέιζερ βραχέων παλμών (ultrafast laser processing), καθώς και στον τελικό έλεγχο της θερμοχρωμικής απόδοσης των εργαστηριακών πρωτοτύπων. Εξάλλου επιπρόσθετες μελέτες ανέδειξαν ότι δεν υπήρχε θετική συνεισφορά στην θερμοχρωμική απόδοση των κατεργασμένων σύνθετων υάλων με την παρουσία των δομών και συνεπώς, έγινε χρήση των υάλων που παρασκευάστηκαν με την απλούστερη μέθοδο της θερμικής ανόπτησης. Τεκμήριο της επιτυχίας του ερευνητικού έργου, αποτελεί και η διάχυση των ερευνητικών αποτελεσμάτων στην παγκόσμια ερευνητική κοινότητα, μέσω δημοσίευσης σε διεθνές περιοδικό με κριτές του οίκου Elsevier: “Post-glass melting synthesis and photochromic properties of composite AgCl-AgPO3 glasses”, M. Adamidis, I. Konidakis, and E. Stratakis, J. Materiomics 9, 455, 2023.
Εικόνα: Σχηματική απεικόνιση της ενσωμάτωσης θερμοχρωμικών κρυστάλλων χλωριούχου αργύρου (AgCl) στο εσωτερικό φωσφορικής υάλου AgPO3.
Η ErgoProlipsis κατέγραψε τις συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας σε κτηριακές εγκαταστάσεις του νησιού με και χωρίς ψυκτικά φορτία και παράλληλα ανέλυσε τις ενεργειακές απαιτήσεις τους για τη διατήρηση συνθηκών θερμοκρασιακής άνεσης. Με υπολογιστικό αλλά και μετρητικό εξοπλισμό υπολογίστηκε η καταναλισκόμενη ηλεκτρική ενέργεια που δαπανάται ετησίως για τις ανάγκες κλιματισμού των εγκαταστάσεων καθώς και η παραγόμενη ποσότητα ρύπων για την παραγωγή της εν λόγω ενέργειας. Ειδικότερα, στο αρχικό στάδιο του έργου, υλοποιήθηκε εμπεριστατωμένη μελέτη και προσδιορισμός των σημερινών αναγκών ηλεκτρικής ενέργειας για την ψύξη εσωτερικών χώρων καθορισμένων κτιριακών εγκαταστάσεων διαφορετικά σημεία του νησιού.
Εικόνα: Εξοπλισμός μέτρησης του δείκτη θερμικής καταπόνησης - Wet bulb globe temperature (WBGT).
Στα κτίρια, είναι σημαντικό η θερμοκρασία να μην υπερβαίνει την ενδεδειγμένη θερμοκρασία άνεσης, τόσο για λόγους ευχάριστης χρήσης, αλλά και για σημαντικούς λόγους υγιεινής. Κατ’ επέκταση, για την διατήρηση της εσωτερικής θερμοκρασίας σε αυτά τα επίπεδα, και ειδικά σε θερμά κλίματα όπως αυτό της Κρήτης, προκύπτουν τεράστιες ανάγκες κλιματισμού σε λειτουργία ψύξης, οι οποίες επιφέρουν σημαντικές οικονομικές δαπάνες και ανεπανόρθωτη περιβαλλοντολογική επιβάρυνση. Εξειδικευμένο επιστημονικό προσωπικού της ErgoProlipsis, εγκατέστησε ειδικά αισθητήρια όργανα συνεχόμενης παρακολούθησης και καταγραφής των παραμέτρων θερμοκρασίας και υγρασίας στους εσωτερικούς χώρους των κτιριακών εγκαταστάσεων και οι μετρήσεις αποθηκεύονται σε ειδική βάση δεδομένων.
Στα επιλεγμένα κτίρια, για ένα έτος, καταγράφηκαν οι παράμετροι λειτουργίας χωρίς την χρήση κλιματισμού ψύξης ενώ παράλληλα αποτυπώθηκε η επικινδυνότητα των χώρων που προκύπτει από την απουσία κλιματισμού ψύξης. Σε δεύτερη φάση, στους ίδιους κτιριακούς χώρους προσομοίωσης ενεργοποιήθηκε ο εξοπλισμός ψύξης ώστε να διατηρηθούν οι ιδεατές συνθήκες.
Με χρήση μετρητών ενέργειας υπολογίσθηκε η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώθηκε ετησίως για τις ανάγκες ψύξης, καθώς και οι βιομηχανικοί ρύποι που αντιστοιχούν για την παραγωγή της εν λόγω ενέργειας. Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα της ερευνητικής ομάδας του ΙΗΔΛ που αφορούν την απόδοση των νέων θερμοχρωμικών υαλο-περοβσκιτικών υλικών και τα αντίστοιχα πρωτόκολλα λειτουργίας των ανεπτυγμένων εργαστηριακών πρωτοτύπων, έγινε προσομοίωση για τον υπολογισμό της προβλεπόμενης ετήσιας εξοικονόμησης ενέργειας και ρύπων από τη χρήση των νέων θερμοχρωμικών τζαμιών.
Εικόνα: Γράφημα ετήσιας εσωτερικής και εξωτερικής θερμοκρασίας χωρίς κλιματισμό.
Συμπεράσματα
Με βάση τα επιστημονικά συμπεράσματα που προέκυψαν στα πλαίσια του έργου, η εφαρμογή των προτεινόμενων υλικών στις κτηριακές εγκαταστάσεις της Κρήτης, μπορεί να επιφέρει σημαντική μείωση στην κατανάλωση ψυκτικής ενέργειας. Η ‘έξυπνη’ λειτουργία των θερμοχρωμικών τζαμιών καθιστά τα παράθυρα ανακλαστικά τους θερινούς μήνες με αποτέλεσμα τη μείωση της εισερχόμενης υπέρυθρη ακτινοβολίας στο εσωτερικό των χώρων. Έτσι οι κτηριακές υποδομές διατηρούν χαμηλότερη θερμοκρασία στο εσωτερικό τους και οι απαιτήσεις για ψύξη ελαχιστοποιούνται μέχρι και 14% σε ετήσια βάση, μειώνοντας ανάλογα και το ανθρακικό αποτύπωμα.
