Отчасти это происходит из-за повышенной влажности. Для осушения помещений и создания комфортной атмосферы в офисных и административных зданиях широко используются системы вентиляции. Механическое осушение воздуха работает надежно, но оно требует затрат энергии и — в зависимости от используемого электричества — оказывает негативное влияние на климат.

Результаты опубликованы в издании Nature Communications.

На этом фоне группа исследователей из ETH Zurich изучила новый подход к пассивному осушению внутренних помещений. Пассивный подход означает, что высокая влажность поглощается стенами и потолками и временно сохраняется там. Вместо того чтобы выбрасываться в окружающую среду с помощью механической системы вентиляции, влага временно сохраняется в гигроскопичном, связывающем влагу материале, а затем высвобождается при проветривании помещения.

Наше решение подходит для помещений с высокой проходимостью, для которых уже имеющиеся системы вентиляции недостаточны, — говорит Гийом Хаберт, профессор по устойчивому строительству, который руководил исследовательским проектом ETH.

Отходы от добычи мрамора

В поисках подходящего гигроскопичного материала Хаберт и его исследовательская группа придерживались принципа циркулярной экономики. Отправной точкой стали тонко измельченные отходы из мраморных карьеров. Чтобы превратить этот порошок во влагосвязывающие компоненты стен и потолков, необходимо связующее вещество. Эту задачу выполняет геополимер — класс материалов, состоящих из метакаолина (известного по производству фарфора) и щелочного раствора (силикат калия и вода). Щелочной раствор активирует метакаолин и образует геополимерное связующее, которое связывает мраморную крошку, образуя прочный строительный материал. По своим свойствам геополимерное связующее сравнимо с цементом, но при его производстве выделяется меньше CO₂.

В рамках проекта ETH ученым удалось изготовить прототип компонента стены и потолка размером 20 × 20 см и толщиной 4 см. Производство осуществлялось с помощью 3D-печати в группе под руководством Бенджамина Дилленбургера, профессора по цифровым строительным технологиям. В этом процессе мраморный порошок наносится слоями и склеивается геополимерным связующим (технология струйной печати связующим).

Этот процесс позволяет эффективно производить компоненты самых разных форм, — говорит Бенджамин Дилленбургер.

Компоненты, контролирующие влажность, повышают комфорт

Сочетание геополимера и 3D-печати для создания резервуара для влаги — это инновационный подход к устойчивому строительству. Строительный физик Магда Посани возглавила исследование гигроскопических свойств материала в ETH Zurich, а затем стала профессором в Университете Аалто в Эспоо, Финляндия. Проект основан на докторской диссертации материаловеда Веры Вони под руководством старшего научного сотрудника Корали Брумо и архитектора Пьетро Одалья, который разработал материал и машину для 3D-печати в ETH.

Мы смогли продемонстрировать с помощью численного моделирования, что строительные компоненты могут значительно снизить влажность в интенсивно используемых внутренних помещениях, — говорит Посани, подводя итог основному результату исследовательского проекта.

Для моделирования предполагалось, что стены и потолок читального зала, которым пользуются 15 человек в публичной библиотеке в Опорто, Португалия, были полностью облицованы гигроскопичными компонентами. Магда Посани подсчитала, как часто и в какой степени влажность превышает зону комфорта, то есть относительную влажность от 40 до 60 процентов в этом виртуальном читальном зале в течение года. На основании этого она рассчитала индекс дискомфорта — показатель, отражающий потерю комфорта, вызванную чрезмерно высокой или низкой влажностью. Если бы в читальном зале использовались влагосвязывающие компоненты, индекс дискомфорта можно было бы снизить на 75% по сравнению с обычной окрашенной стеной. При использовании компонентов толщиной 5 см вместо всего 4 см индекс дискомфорта снизился на 85%.

Более безопасно для климата, чем вентиляционные системы

Гигроскопичные элементы стен и потолков безопасны для климата, то есть за 30-летний срок службы они вызывают значительно меньше выбросов парниковых газов, чем вентиляционная система, которая в той же степени осушает воздух. В ходе имитационных расчетов компоненты стен и потолков также сравнивались с глиняной штукатуркой, которая используется с незапамятных времен и также пассивно регулирует влажность воздуха в помещениях. Эта старинная технология оказалась даже более благоприятной для климата, чем гигроскопичные компоненты. Однако штукатурка обладает меньшей способностью удерживать водяной пар.

Исследование, проведенное в ETH, показало, что сочетание геополимера и 3D-печати может быть использовано для производства компонентов стен и потолков для эффективной буферизации влаги. После такого доказательства концепции технология, в принципе, готова к дальнейшей разработке и масштабированию для промышленного производства. В то же время исследования продолжаются. В рамках проекта с Туринским политехническим институтом и Университетом Аалто ETH Zurich работает над созданием стеновых и потолочных компонентов с еще более низким уровнем выбросов парниковых газов. Ведь ясно одно: если Швейцария хочет достичь цели «чистого нуля» к 2050 году, ей нужны здания, которые при строительстве и эксплуатации вызывают как можно меньше выбросов парниковых газов.

Ранее ученые создали строительные материалы со сниженным углеродным следом.