ドレクセル大学のエンジニアたちは、象の耳に見られる自然な温度調節機能にヒントを得て、建物のエネルギー効率を向上させる相変化技術を組み込んだ新しいセメントベースの材料を開発した。
ドレクセル大学の研究者たちは、革新的なパッシブ暖房・冷房メカニズムによってエネルギー効率を向上させる画期的なセメント系建築材料を発表しました。ゾウやジャックウサギの耳に見られる自然界の効果的な温度調節システムに着想を得たこの画期的な技術は、壁、床、天井に血管網を埋め込むことでエネルギー消費を大幅に削減し、建築設計に革命をもたらす可能性があります。
リサーチ、 公表 『Journal of Building Engineering』誌に掲載されたこの論文は、ドレクセル大学先端インフラ材料研究所（AIM）が考案した新しい手法を紹介しています。この手法では、セメント表面に印刷されたポリマーマトリックスにパラフィン系相変化材料（PCM）を組み込むというものです。
PCM は、液体と固体の状態間を遷移する際に熱エネルギーを吸収および放出する独自の能力を備えており、表面温度を効果的に調節します。
「建築的には、建物に窓面積が多いのは見た目が良いですが、断熱性の低下にもつながります」と、ドレクセル大学工学部の学部生で論文共著者のリズム・オサン氏はニュースリリースで述べています。「理想的な世界では、建物から熱が失われることはありませんが、現実的な建設可能性の観点から見ると、熱橋、ダクトからの空気漏れ、材料の性能、接合部のディテールといった問題によって、必ずいくらかの熱損失が生じます。」
チームの革新的なアプローチは、世界全体のエネルギー使用量の約 40% を占める建物の膨大なエネルギー需要を相殺することを目的としており、そのエネルギーの約半分は快適な室内温度の維持に費やされる。
特に、壁、窓、天井などの表面は建物のエネルギー損失の約 63% を占めており、ドレクセル チームのソリューションは変革をもたらす可能性があります。
「体温調節に循環器系がどのように使われているか考えてみてください。暑いときには血液が体表に流れ出し、顔が少し赤くなり、汗腺から汗が出始めます。そして、これが相変化、つまり汗の蒸発によって体温を下げます」と、この研究を率いたドレクセル大学工学部のアミール・ファーナム准教授は付け加えました。「これは非常に効果的な自然のプロセスであり、私たちはこれを建築材料で再現したいと考えました。」
この研究では、さまざまな血管チャネルの構成と厚さをテストし、機械的強度と熱性能の最適な設計を決定しました。
ダイヤモンド型のグリッドチャネル構造が最も効果的であることが判明し、構造的完全性と優れた温度調節の両方を実現し、表面の加熱と冷却を1時間あたり1.25～XNUMX℃に減速しました。
「血管表面積が広いほど、熱性能が向上するという結果は、おそらく驚くことではないと思います。この観察結果は、体温調節を助けるために広範囲に血管が張り巡らされたゾウやジャックウサギの耳の生理学的特徴と類似しています」と、AIMラボの研究科学者で共著者のロビン・デブ氏は付け加えました。「私たちの血管材料は、建物内で温度変化を相殺し、快適な温度を維持するための空調設備のエネルギー需要を削減することで、同様の役割を果たすことができると考えています。」
この研究は概念実証として機能しましたが、チームの有望な結果はさらなる探究への道を開くものです。今後の研究では、異なるPCM、チャネルパターン、そしてより大きな材料サンプルを用いて、より長期間、様々な環境条件下で試験を行う予定です。
「この研究は概念実証を示すことを目的としていましたが、これらの結果は有望であり、今後の研究に活かせるものです」とファーナム氏は付け加えました。「この研究は、セメント系材料の表面温度を調節するこの方法の有効性と、それらを製造するシンプルで費用対効果の高い方法の両方を示しています。さらなる試験と規模拡大により、建物のエネルギー効率向上に向けた多くの進行中の取り組みに大きく貢献できると考えています。」
このイノベーションにより、建物の構造物の温度制御の自立性が向上し、外部エネルギー源への依存が減り、温室効果ガスの排出が大幅に削減される可能性が期待されます。
出典： ドレクセル大学