Eine Forschergruppe der Pennsylvania State University untersuchte die Wirksamkeit einer einschichtigen Fensterabdeckung, die im Winter zu Energieeinsparungen führen kann.Bildnachweis: iStock/@Svetl.Alle Rechte vorbehalten.
UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Doppelt verglaste Fenster mit einer isolierenden Luftschicht können eine höhere Energieeffizienz bieten als Einscheibenfenster, der Austausch vorhandener Einscheibenfenster kann jedoch kostspielig oder technisch anspruchsvoll sein.Eine wirtschaftlichere, aber weniger effektive Möglichkeit besteht darin, Einkammerfenster mit einer lichtdurchlässigen Metallfolie abzudecken, die im Winter einen Teil der Sonnenwärme absorbiert, ohne die Transparenz des Glases zu beeinträchtigen.Um die Beschichtungseffizienz zu verbessern, können Forscher aus Pennsylvania mithilfe der Nanotechnologie dabei helfen, die Wärmeleistung im Winter auf das Niveau doppelt verglaster Fenster zu bringen.
Ein Team des Pennsylvania Department of Architectural Engineering untersuchte die energiesparenden Eigenschaften von Beschichtungen mit nanoskaligen Komponenten, die den Wärmeverlust reduzieren und Wärme besser absorbieren.Außerdem haben sie die erste umfassende Analyse zur Energieeffizienz von Baustoffen abgeschlossen.Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in Energy Conversion and Management.
Laut Julian Wang, einem außerordentlichen Professor für Architekturingenieurwesen, kann Nahinfrarotlicht – der Teil des Sonnenlichts, den Menschen nicht sehen, aber Wärme spüren können – den einzigartigen photothermischen Effekt bestimmter Metallnanopartikel aktivieren und so den Wärmefluss nach innen erhöhen.durch das Fenster.
„Wir sind daran interessiert zu verstehen, wie diese Effekte die Energieeffizienz von Gebäuden verbessern können, insbesondere im Winter“, sagte Wang, der auch am Institut für Architektur und Materialien der Pennsylvania School of Art and Architecture arbeitet.
Das Team entwickelte zunächst ein Modell, um abzuschätzen, wie viel Wärme des Sonnenlichts durch mit Metallnanopartikeln beschichtete Fenster reflektiert, absorbiert oder übertragen würde.Sie entschieden sich für eine photothermische Verbindung, da diese in der Lage ist, Sonnenlicht im nahen Infrarotbereich zu absorbieren und gleichzeitig eine ausreichende Durchlässigkeit für sichtbares Licht zu gewährleisten.Das Modell sagt voraus, dass die Beschichtung weniger Nahinfrarotlicht oder Wärme reflektiert und mehr durch das Fenster absorbiert als die meisten anderen Beschichtungsarten.
Die Forscher testeten mit Nanopartikeln beschichtete Einscheibenglasfenster unter simuliertem Sonnenlicht in einem Labor und bestätigten damit Simulationsvorhersagen.Die Temperatur auf einer Seite des mit Nanopartikeln beschichteten Fensters stieg deutlich an, was darauf hindeutet, dass die Beschichtung die Wärme des Sonnenlichts von innen absorbieren kann, um den internen Wärmeverlust durch Einscheibenfenster auszugleichen.
Anschließend ließen die Forscher ihre Daten in groß angelegte Simulationen einfließen, um die Energieeinsparungen des Gebäudes unter verschiedenen Klimabedingungen zu analysieren.Im Vergleich zu den Beschichtungen handelsüblicher Einzelfenster mit niedrigem Emissionsgrad absorbieren photothermische Beschichtungen den Großteil des Lichts im nahen Infrarotspektrum, während herkömmlich beschichtete Fenster es nach außen reflektieren.Diese Nahinfrarotabsorption führt zu einem etwa 12 bis 20 Prozent geringeren Wärmeverlust als bei anderen Beschichtungen, und das Gesamtenergieeinsparpotenzial des Gebäudes beträgt etwa 20 Prozent im Vergleich zu unbeschichteten Gebäuden mit Einscheibenfenstern.
Allerdings sagte Wang, dass eine bessere Wärmeleitfähigkeit, ein Vorteil im Winter, in der warmen Jahreszeit zum Nachteil werde.Um saisonale Veränderungen zu berücksichtigen, integrierten die Forscher auch Vordächer in ihre Gebäudemodelle.Dieses Design blockiert das direktere Sonnenlicht, das die Umgebung im Sommer aufheizt, wodurch eine schlechte Wärmeübertragung und die damit verbundenen Kühlkosten weitgehend vermieden werden.Das Team arbeitet noch an anderen Methoden, einschließlich dynamischer Fenstersysteme, um den saisonalen Heiz- und Kühlbedarf zu decken.
„Wie diese Studie zeigt, können wir in diesem Stadium der Studie die Gesamtwärmeleistung von einfach verglasten Fenstern noch verbessern, sodass sie der von doppelt verglasten Fenstern im Winter ähnelt“, sagte Wang.„Diese Ergebnisse stellen unsere herkömmlichen Lösungen in Frage, bei der Nachrüstung von Einkammerfenstern zur Energieeinsparung mehr Schichten oder Isolierung zu verwenden.“
„Angesichts der enormen Nachfrage im Gebäudebestand nach Energieinfrastruktur und Umwelt ist es unerlässlich, dass wir unser Wissen erweitern, um energieeffiziente Gebäude zu schaffen“, sagte Sez Atamtürktur Russcher, Professor Harry und Arlene Schell und Leiter des Bauingenieurwesens."DR.Wang und sein Team betreiben umsetzbare Grundlagenforschung.“
Weitere Mitwirkende an dieser Arbeit sind Enhe Zhang, ein Doktorand im Architekturdesign;Qiuhua Duan, Assistenzprofessorin für Bauingenieurwesen an der University of Alabama, erhielt im Dezember 2021 ihren Doktortitel in Architekturingenieurwesen von der Pennsylvania State University;Yuan Zhao, Forscher bei Advanced NanoTherapies Inc., der als Doktorand an der Pennsylvania State University zu dieser Arbeit beigetragen hat, Yangxiao Feng, Doktorand im Architekturdesign.Die National Science Foundation und der USDA Natural Resources Conservation Service unterstützten diese Arbeit.
Es hat sich gezeigt, dass Fensterabdeckungen (nahe Moleküle) die Wärmeübertragung vom Sonnenlicht im Freien (orangefarbene Pfeile) in das Innere eines Gebäudes verbessern und gleichzeitig für eine ausreichende Lichtdurchlässigkeit sorgen (gelbe Pfeile).Quelle: Bild mit freundlicher Genehmigung von Julian Wang.Alle Rechte vorbehalten.