قامت مجموعة من الباحثين في جامعة ولاية بنسلفانيا بالتحقيق في فعالية غطاء النافذة ذو الطبقة الواحدة الذي يمكن أن يحسن توفير الطاقة في الشتاء.الائتمان: iStock/@Svetl.كل الحقوق محفوظة.
يونيفرسيتي بارك، بنسلفانيا - يمكن للنوافذ ذات الزجاج المزدوج المحصورة بطبقة من الهواء العازل أن توفر كفاءة أكبر في استخدام الطاقة مقارنة بالنوافذ ذات الجزء الواحد، ولكن استبدال النوافذ ذات الجزء الواحد الموجودة قد يكون مكلفًا أو صعبًا من الناحية الفنية.هناك خيار أكثر اقتصادا، ولكن أقل فعالية، وهو تغطية النوافذ ذات الحجرة الواحدة بغشاء معدني شفاف، يمتص بعض حرارة الشمس في الشتاء دون المساس بشفافية الزجاج.ولتحسين كفاءة الطلاء، يقول باحثون في ولاية بنسلفانيا إن تكنولوجيا النانو يمكن أن تساعد في رفع الأداء الحراري إلى مستوى يعادل النوافذ ذات الزجاج المزدوج في الشتاء.
قام فريق من قسم الهندسة المعمارية في بنسلفانيا بدراسة خصائص توفير الطاقة للطلاءات التي تحتوي على مكونات نانوية تقلل من فقدان الحرارة وتمتص الحرارة بشكل أفضل.كما أكملوا أول تحليل شامل لكفاءة الطاقة في مواد البناء.نشر الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في تحويل الطاقة وإدارتها.
وفقًا لجوليان وانج، الأستاذ المشارك في الهندسة المعمارية، يمكن للضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء - وهو جزء من ضوء الشمس الذي لا يستطيع البشر رؤيته ولكن يمكن أن يشعروا بالحرارة - أن ينشط التأثير الحراري الضوئي الفريد لبعض الجسيمات المعدنية النانوية، مما يزيد من تدفق الحرارة إلى الداخل.من خلال النافذة.
وقال وانغ، الذي يعمل أيضًا في معهد الهندسة المعمارية والمواد في كلية بنسلفانيا للفنون والهندسة المعمارية: "نحن مهتمون بفهم كيف يمكن لهذه التأثيرات تحسين كفاءة استخدام الطاقة في المباني، خاصة في فصل الشتاء".
قام الفريق أولاً بتطوير نموذج لتقدير مقدار الحرارة الناتجة عن ضوء الشمس التي ستنعكس أو تمتص أو تنتقل عبر النوافذ المغطاة بالجسيمات المعدنية النانوية.لقد اختاروا مركبًا حراريًا ضوئيًا نظرًا لقدرته على امتصاص ضوء الشمس القريب من الأشعة تحت الحمراء مع توفير انتقال كافٍ للضوء المرئي.ويتنبأ النموذج بأن الطلاء يعكس كمية أقل من ضوء الأشعة تحت الحمراء أو الحرارة ويمتص عبر النافذة أكثر من معظم أنواع الطلاء الأخرى.
اختبر الباحثون نوافذ زجاجية أحادية اللوحة مطلية بالجسيمات النانوية تحت ضوء الشمس الاصطناعي في المختبر، مما يؤكد توقعات المحاكاة.ارتفعت درجة الحرارة على جانب واحد من النافذة المطلية بالجسيمات النانوية بشكل ملحوظ، مما يشير إلى أن الطلاء يمكن أن يمتص الحرارة من ضوء الشمس من الداخل للتعويض عن فقدان الحرارة الداخلية من خلال النوافذ ذات الجزء الواحد.
ثم قام الباحثون بإدخال بياناتهم في عمليات محاكاة واسعة النطاق لتحليل توفير الطاقة في المبنى في ظل الظروف المناخية المختلفة.بالمقارنة مع الطلاءات منخفضة الانبعاثية للنوافذ الفردية المتوفرة تجاريًا، تمتص الطلاءات الحرارية الضوئية معظم الضوء الموجود في طيف الأشعة تحت الحمراء القريب، بينما تعكس النوافذ المطلية تقليديًا الضوء إلى الخارج.يؤدي هذا الامتصاص القريب من الأشعة تحت الحمراء إلى فقدان حرارة أقل بنسبة 12 إلى 20 بالمائة مقارنة بالطلاءات الأخرى، كما تصل إمكانية توفير الطاقة الإجمالية للمبنى إلى حوالي 20 بالمائة مقارنة بالمباني غير المطلية ذات النوافذ ذات اللوحة الواحدة.
ومع ذلك، قال وانغ إن التوصيل الحراري الأفضل، وهو ميزة في الشتاء، يصبح عيبًا في الموسم الدافئ.ولمراعاة التغيرات الموسمية، قام الباحثون أيضًا بدمج المظلات في نماذج البناء الخاصة بهم.يحجب هذا التصميم أشعة الشمس المباشرة التي تعمل على تسخين البيئة في الصيف، مما يؤدي إلى حد كبير إلى القضاء على سوء نقل الحرارة وأي تكاليف تبريد مرتبطة بها.ولا يزال الفريق يعمل على طرق أخرى، بما في ذلك أنظمة النوافذ الديناميكية لتلبية احتياجات التدفئة والتبريد الموسمية.
وقال وانغ: "كما تظهر هذه الدراسة، في هذه المرحلة من الدراسة، لا يزال بإمكاننا تحسين الأداء الحراري العام للنوافذ ذات الزجاج المفرد لتكون مماثلة للنوافذ ذات الزجاج المزدوج في الشتاء"."تتحدى هذه النتائج حلولنا التقليدية المتمثلة في استخدام المزيد من الطبقات أو العزل لتحديث النوافذ ذات الحجرة الواحدة لتوفير الطاقة."
وقال سيز أتامتوركتور روشر، البروفيسور هاري وأرلين شيل ورئيس قسم هندسة البناء: "نظرًا للطلب الكبير على مخزون المباني للبنية التحتية للطاقة وكذلك البيئة، فمن الضروري أن نطور معرفتنا لإنشاء مباني موفرة للطاقة"."دكتور.يقوم وانغ وفريقه بإجراء أبحاث أساسية قابلة للتنفيذ.
من بين المساهمين الآخرين في هذا العمل، إنهي تشانغ، طالب دراسات عليا في التصميم المعماري؛حصلت تشيوهوا دوان، الأستاذة المساعدة في الهندسة المدنية بجامعة ألاباما، على درجة الدكتوراه في الهندسة المعمارية من جامعة ولاية بنسلفانيا في ديسمبر 2021؛يوان تشاو، الباحث في شركة Advanced NanoTherapies Inc.، والذي ساهم في هذا العمل كباحث دكتوراه في جامعة ولاية بنسلفانيا، ويانجشياو فنغ، طالب دكتوراه في التصميم المعماري.دعمت المؤسسة الوطنية للعلوم وخدمة الحفاظ على الموارد الطبيعية التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية هذا العمل.
ثبت أن أغطية النوافذ (الجزيئات القريبة) تعمل على تحسين نقل الحرارة من ضوء الشمس الخارجي (الأسهم البرتقالية) إلى داخل المبنى مع توفير انتقال كافٍ للضوء (الأسهم الصفراء).المصدر: الصورة مجاملة من جوليان وانغ.كل الحقوق محفوظة.