Mukautuvat kattotiilet voivat olla avain lämmitys- ja jäähdytysenergiankulutuksen vähentämiseen

Markkinatutkimusten arvioiden mukaan globaali kattomarkkina voi ylittää US$140 billion vuoteen 2033 mennessä lähes US$82 billion vuonna 2023. Mikään rakennustyö ei ole valmis ilman kattoratkaisua. Se on yhtä tärkeä asuin- ja liiketiloille. Markkinat ovat dynaamiset, koska kattoja täytyy vaihtaa säännöllisin väliajoin. Pohjois-Amerikassa markkinatutkimuksen mukaan 94% of roofing projects ovat kattokorjauksia. 

Vanhojen kattojen vaihtaminen koskee usein niiden tekemistä environmentally sustainable and energy efficient. Viileät katot, jotka heijastavat auringon säteilyä ja alentavat kattolämpötilaa, voivat säästää US$0.50 per square foot, kuten jotkut tutkimukset osoittavat. 

Jotkut arviot odottavat, että globaali viileiden kattojen markkinat kasvavat 5.7% through 2025. Heijastavat kattomateriaalit, kuten valkoiset kalvot tai pinnoitteet, voivat alentaa kattopinnan lämpötilaa jopa 50 degrees Fahrenheit. 

Vaikka jäähdytys- tai lämmitysominaisuudet ovat tulleet kattoratkaisujen määritteleväksi piirteeksi, kiinnostus kestävyyteen ja energiansäästöön osoittaa, että ratkaisujen on oltava tehokkaita. 

Aloitamme tämän päivän keskustelun yhdellä tällaisella ratkaisulla, joka on herättänyt huomiota kattoteollisuudessa maailmanlaajuisesti. 

Mukautuvat kattotiilet: Herkkiä ulkolämpötilaan; Auttaa vähentämään energiankulutusta

Kalifornian yliopiston Santa Barbaran tutkijat ovat julkaisseet akateemisen tutkimuksen, jossa kerrotaan, miten kattotiilet voivat vähentää lämmitys- ja jäähdytyskustannuksia. 

Kolmen tutkijan, Charlie Xiao, Elliot Hawkes ja Bolin Lao, projektin tarkoituksena oli pienentää amerikkalaisten energialaskuja ja vähentää kotitalouksien LVI-järjestelmien fossiilisten polttoaineiden tarvetta. 

Nämä mukautuvat tiilet sisältävät säteilykytkimen, joka auttaa vaihtamaan lämmitys- ja jäähdytystilojen välillä. Se voi vaihtaa jäähdytys- ja lämmitystilojen välillä 3 °C:n sisällä kytkentälämpötilasta. Se voi vähentää jäähdytys- ja lämmitystarvetta yli 2,5‑kertaisesti verrattuna staattisiin laitteisiin. 

”Kytkin”, eli passiivinen termoregulaatio‑laite, on 4 tuuman neliö. Se toimii liikkuvana pinnana, joka voi muuttaa lämpöominaisuuksiaan vastatakseen erilaisiin lämpötiloihin.

Tutkijan Charlie Xiao mukaan:

“Se vaihtaa lämmitystilasta jäähdytystilaan riippuen tiilen lämpötilasta.”

Tutkijat ovat suunnitelleet ratkaisun toimimaan 65 °F:n (noin 18 °C) lämpötilassa. 

Mutta miksi tämä ratkaisu on saanut niin suurta odotusta kattoteollisuudessa? Tämän kysymyksen ytimeen pääseminen vaatii Yhdysvaltain rakennusten energiankulutustilanteen ymmärtämistä.

50 % Yhdysvaltain rakennusten energiankulutuksesta menee lämmitykseen ja jäähdytykseen

Lämmitykseen ja jäähdytykseen kohdistuva energiankulutus Yhdysvaltain rakennuksissa on valtava. Yhdysvaltain energiainformaatioviraston (EIA) mukaan asuin- ja liiketilojen yhteinen loppukäyttöenergia muodosti noin 29 % koko Yhdysvaltain loppukäyttöenergiasta vuonna 2022. Jos mukaan lasketaan sähköjärjestelmien energiakustannukset, asuin- ja liiketilat muodostivat 38 % koko Yhdysvaltain energiankulutuksesta vuonna 2022.

Kun 50 % Yhdysvaltain rakennusten energiankulutuksesta menee lämmitykseen ja jäähdytykseen, järjestelmän on oltava energiatehokas hinnalla millä hyvänsä. Lisäksi ilmastonmuutos ja globaalilämmön nousu lisäävät jäähdytystarvetta. Silti on alueita, joilla lämmitystarve pysyy korkeana ja voi jopa kasvaa.

Perinteiset viileät kattoratkaisut, kuten heijastavat pinnoitteet, kalvot, pelti‑ tai tiilet, toimivat periaatteella, että ne viilentävät koteja heijastamalla auringonvaloa. Nämä ratkaisut vapauttavat myös osan ansaitusta lämmöstä lämpö‑infrapunasäteilynä. Ongelma syntyy, kun viileät kattoratkaisut jatkavat lämmön säteilyä talvella, mikä nostaa lämmityskustannuksia. Lyhyesti sanottuna ne ovat energiatehokkuudeltaan ja kustannustehokkuudeltaan puutteellisia.

Kun otetaan huomioon kaikki yllä mainitut seikat, ratkaisu, joka voi vaihtaa lämmitys‑ ja jäähdytystilojen välillä ulkolämpötilan mukaan, on todellinen pelinmuuttaja, erityisesti koska se toimii ilman sähköä.

Ratkaisua pidetään myös alan määrittelevänä, koska se pystyy täyttämään lämmitys‑ ja jäähdytystarpeet samassa rakennuksessa samana päivänä. Nykyään ei ole monia teknologioita, jotka voivat automaattisesti vaihtaa passiivisen lämmityksen ja jäähdytyksen välillä. Saatavilla olevat ratkaisut ovat kuitenkin enimmäkseen tehottomia päivittäiseen vaihtoon, koska ne vaativat laajan lämpötila‑alueen tilojen kiertämiseen.

Tutkijat väittävät myös, että heidän suunnittelunsa on erittäin mukautuva. Se voi saavuttaa erilaisia lämpötilasäätöjä muuttamalla faasimuutostaineista. Korkeamman säteilyjäähdytyksen, parannetun lämmitysuorituksen ja erinomaisen kestävyyden saavuttamiseksi mukautuvat tiilet tarvitsevat vain muuttaa pinnoitettaan.

Toinen ominaisuus, joka tekee ratkaisusta houkuttelevan, on sen yksinkertainen muotoilu ja alhaisen kustannuksen tuotantopotentiaali.

Vaikka kaikki nämä edut ja hyödyt odottavat teollisuuden hyödyntämistä ja laajamittaista tuotantoa, useat muut rakennusratkaisut pyrkivät vähentämään lämmitys‑ ja jäähdytysenergiankulutusta. Tarkastelemme nyt joitakin tällaisia ratkaisuja.

Älykkäät kattopinnoitteet ympäri vuoden energiansäästöön

Junqiao Wu:n (Berkeley Labin Materials Sciences Divisionin tutkija ja UC Berkeleyn materiaalitieteen ja -tekniikan professori) johdolla tehtävässä tutkimuksessa tiedemiehet kehittivät ympäri vuoden toimivan älykkään kattopinnoitteen, joka pitää kodit lämpiminä talvella ja viileinä kesällä. 

Kuten aiempi ratkaisu, tämäkin ei vaadi maakaasua tai sähköä. 

Junqiao Wu:n mukaan:

“(Meidän) ympäri vuoden kattopinnoite vaihtaa automaattisesti viilentämisestä lämmittämiseen riippuen ulkoilman lämpötilasta. Se on energian- ja päästötön ilmastointi ja lämmitys, kaikki yhdessä laitteessa.”

Saavuttaakseen tavoitteensa tiedemiehet kehittivät uuden materiaalin, jota kutsutaan lämpötilaan mukautuvaksi säteilypinnoitteeksi (TARC). TARC sammuttaa automaattisesti säteilyjäähdytyksen talvella, varmistaen ettei ylikylmää tai energiahukkaa tapahdu. 

TARC:n avulla tiedemiehet odottavat, että Yhdysvaltain keskitalous säästää jopa 10 % sähköstä. Ratkaisu pystyy heijastamaan 75 % auringonvalosta ympäri vuoden. Kuitenkin kun ympäristön lämpötila on yli 25 °C (77 °F), sen lämpösäteilyn emissio nousee jopa noin 90 %.

Junqiao Wu, ilmaisten innostuksensa ratkaisun mahdollisuuksista, sanoi:

“Alun perin ajattelimme, että siirtyminen lämmittämisestä jäähdyttämiseen ei olisi niin dramaattista. Simulaatiomme, ulkokokeemme ja laboratoriokokeemme osoittivat toisin – se on todella jännittävää.”

Tutkijat suunnittelivat TARC‑prototyyppejä, jotka soveltuisivat laajamittaisiin sovelluksiin. He toivoivat TARC:n osoittavan arvonsa lämpösuojana, joka pidentää älypuhelimien ja kannettavien tietokoneiden akkujen käyttöikää. Muita käyttökohteita voisivat olla satelliittien ja autojen suojaaminen äärimmäisiltä lämpötiloilta sekä lämpötilaa säätelevän kankaan valmistus telttoihin, kasvihuoneiden kattoihin, hattuihin ja takkeihin. 

Energiansäästöratkaisuja Yhdysvaltain rakennuksiin, erityisesti tehokkaaseen kattoratkaisuun keskittyen, on saatavilla myös yritystasolla. Näemme joitakin tällaisia ratkaisuja seuraavissa osioissa. 

1. Whitco Roofing, Inc.

Whitco asemoituu suurimmaksi kaupalliseksi kattourakoitsijaksi Atlantassa ja yhdeksi johtavista kattourakoitsijoista Pohjois-Amerikassa. Whitco on yksi harvoista Pohjois-Amerikan kaupallisista kattourakoitsijoista, joilla on Certified Green Roof Professionals -henkilöstöä. Se tarjoaa myös aurinkokattopaneeleja, jotka voivat tehokkaasti tuottaa yli 25 % rakennuksen kokonaisenergiasta. Sen ratkaisut sisältävät myös polyisosyanaattorikattueristyksen. Oikein asennettuna tämä ratkaisu voi merkittävästi vähentää lämmitys‑ ja jäähdytyskustannuksia kaupallisissa ja teollisissa käyttötapauksissa.

Whitco Roofing perustettiin vuonna 2005, ja se on yksityinen yritys, jonka pääkonttori sijaitsee Atlantassa, Georgia, Yhdysvallat. 

2. Grundfos

Kun puhutaan kokonaisvaltaisesta lähestymistavasta lämmitys- tai jäähdytysenergiankulutuksen vähentämiseen rakennuksissa, Grundfos on ykkösvalinta. Sen ratkaisut palvelevat sekä kaupallisia että asuinrakennuksia. 

Jotta kaupallinen lämmitys olisi energiatehokas, Grundfos tarjoaa kiertopumppuja, sekoituspiirejä, hajautettuja pumppausratkaisuja, boosterisettejä, suoria yksivaiheisia pumppuja, hydro‑boostereita ja paljon muuta. Asuinrakennusten energiatehokkaassa lämmityksessä Grundfos luottaa pääasiassa kiertopumppuihin. 

Vuonna 2022 Grundfos kirjasi nettoliikevaihdon DKK 33,3 miljardia (2021: DKK 28,7 miljardia). Se koki myynnin kasvun 12,1 % paikallisessa valuutassa edelliseen tilikauteen (2021) verrattuna. Myyntikate nousi vuonna 2022 11,8 %:iin, kun se oli 11,4 % vuonna 2021.

3. Tesla Solar Roofs

Tesla (TSLA ) ‑aurinkokattojen asennus tarjoaa mahdollisuuden virrata kotia täysin integroidulla aurinko‑ ja energian varastointijärjestelmällä. Se tarjoaa 25‑vuotisen takuun ja 24/7‑katkon suojan. Aurinkokattoa täydentää Powerwall, kompakti kotibatteri, joka takaa jatkuvan energiansaannin. Nämä akut auttavat varastoimaan aurinkokaton tuottamaa energiaa kotia varten milloin tahansa.

Rakenneellisesti aurinkokatto koostuu sekä lasisista aurinkotiileistä että teräksisistä kattotiileistä. Lasiset aurinkotiilet tuottavat energiaa. Arkkitehtonisen tason teräskatteet on suunniteltu antamaan katolle pitkäikäisyyttä ja korroosionkestävyyttä. 

Yrityksen virallisten lukujen mukaan Teslan oma energiatekijätiimi on asentanut lähes 4 gigawattia aurinkovoimaa lähes 480 000 katolle. Yhteensä nämä katot tuottavat yli 25 TWh puhdasta energiaa.

Järjestelmä sisältää myös Tesla Solar -invertterit, jotka pitävät järjestelmän hyvin integroituna, turvallisena, luotettavana ja valmiina katkoksiin. Tesla-sovelluksella voi seurata energian tuotantoa reaaliajassa. Järjestelmää voi myös ohjata mistä tahansa välittömien hälytysten ja etäyhteyden avulla.

Vuoden 2023 kolmannella neljänneksellä Tesla kirjasi liikevaihdon yli US$21,4 miljardia. Liikevoittomarginaali oli 17,2 %.

Rakennusten energiatehokkuus: Tulevaisuuden tie

Ilmaston lämpeneminen ja ilmastonmuutos ovat sivilisaatiolle merkittäviä huolenaiheita. Hallitukset, sääntelyelimet, kansainväliset neuvostot ja yritykset pyrkivät kaikki kehittämään ratkaisuja, jotka edistävät energiatehokkaita kokonaisuuksia. Erikoistuneiden ratkaisujen lisäksi on monia tapoja käsitellä näitä haasteita tekemällä pieniä, jokapäiväisiä muutoksia rakennusjärjestelmissämme.

Yhdysvaltain Energy Efficiency and Renewable Energy -virasto suosittelee monia tällaisia ratkaisuja, kuten eristyksen lisäämistä, LED-valaistuksen käyttöä, lämpöpumppujen asentamista jne.

Kuumissa ja kosteissa ilmastoissa asuvat voivat käyttää kosteutta poistavia lämpöputkia sisäilman kosteuden vähentämiseksi ja mukavuuden parantamiseksi. Ilmakanavien energiakatojen minimointi on toinen keino edistää energiatehokkuutta. Kanavien eristäminen ja tiivistäminen voi olla hyödyllistä.

Rakennusten tehokkaita vesilämmitysjärjestelmiä varten voidaan harkita energiatehokkaita ratkaisuja, kuten säiliötöntä kierrettä, epäsuoria vesilämmitteitä, aurinkovesilämmitteitä jne. Prosessien, kuten viemäriveden lämmön talteenoton, käyttöönotto voi myös olla hyödyllistä.

Lämmitys‑ ja jäähdytysenergiankulutuksen vähentämisestä on monia hyötyjä. Kyse ei ole vain kustannusten pienentämisestä. Se tuo laajempia yhteisöhyötyjä. Ne auttavat rakentamaan yhteisön resilienssiä ja järjestelmää, joka on energiatehokas ja oikeudenmukainen. Jokaisella alueella on alipalveltuja yhteisöjä, jotka tarvitsevat kustannustehokkaiden teknologioiden ja infrastruktuurin apua saadakseen keskeytymättömän energiansaannin.

Energiansäästöjärjestelmät vähentävät myös ilman saastumista, mikä parantaa yhteisön yleistä terveyttä. Fossiilisten polttoaineiden polttamisen väheneminen on hyödyllistä myös ekologiastamme, kasveista ja eläimistä, jotka meitä ympäröivät.

Sen hyöty maan infrastruktuuri- ja talousjärjestelmälle on myös merkittävä. Tehokkaat energiajärjestelmät keventävät verkkojen kuormitusta. Ne auttavat vähentämään ruuhkaa ja stressiä energian jakelussa milloin tahansa.

Hyödyt ovat niin laajalle levinneitä ja pitkän kantaman vaikutuksia, että tarvitsemme tulevaisuudessa lisää ratkaisuja, kuten mukautuvia kattotiiliä. Se on ehdottomasti rohkaiseva virstanpylväs matkalla kohti tehokkuutta ja kestävyyttä.

Klikkaa tästä saadaksesi listan kymmenestä parhaasta aurinkoenergiaosakkeesta.