קבוצת חוקרים מאוניברסיטת מדינת פנסילבניה חקרה את היעילות של כיסוי חלון חד-שכבתי שיכול לשפר את החיסכון באנרגיה בחורף.קרדיט: iStock/@Svetl.כל הזכויות שמורות.
פארק יוניברסיטי, פנסילבניה - חלונות עם זיגוג כפול עם שכבת אוויר בידוד יכולים לספק יעילות אנרגטית גבוהה יותר מאשר חלונות חד-צדדיים, אבל החלפת חלונות קיימים עם חלונות חד-צדדיים יכולה להיות יקרה או מאתגרת מבחינה טכנית.אפשרות חסכונית יותר, אך פחות יעילה היא כיסוי חלונות חד-חדריים בניילון מתכת שקוף, הסופג חלק מחום השמש בחורף מבלי לפגוע בשקיפות הזכוכית.כדי לשפר את יעילות הציפוי, חוקרים בפנסילבניה אומרים שננוטכנולוגיה יכולה לעזור להביא את הביצועים התרמיים לרמה של חלונות עם זיגוג כפול בחורף.
צוות מהמחלקה להנדסה אדריכלית של פנסילבניה חקר את תכונות החיסכון באנרגיה של ציפויים המכילים רכיבים ננומטריים המפחיתים את איבוד החום וסופגים טוב יותר חום.הם גם השלימו את הניתוח המקיף הראשון של היעילות האנרגטית של חומרי בניין.החוקרים פרסמו את ממצאיהם ב-Energy Conversion and Management.
לדברי ג'וליאן וואנג, פרופסור חבר להנדסה אדריכלית, אור קרוב לאינפרא אדום - החלק של אור השמש שבני אדם לא יכולים לראות אבל יכולים להרגיש חום - יכול להפעיל את האפקט הפוטותרמי הייחודי של חלקיקי מתכת מסוימים, להגביר את זרימת החום פנימה.דרך החלון.
"אנחנו מעוניינים להבין כיצד ההשפעות הללו יכולות לשפר את היעילות האנרגטית של מבנים, במיוחד בחורף", אמר וואנג, שעובד גם במכון לארכיטקטורה וחומרים בבית הספר לאמנות ואדריכלות של פנסילבניה.
הצוות פיתח לראשונה מודל להערכת כמה חום מאור השמש יוחזר, ייספג או יועבר דרך חלונות המצופים בננו-חלקיקי מתכת.הם בחרו בתרכובת פוטותרמית בגלל יכולתה לספוג אור שמש קרוב לאינפרא אדום ועדיין מספקת העברת אור גלוי מספקת.המודל חוזה שהציפוי מחזיר פחות אור או חום ליד אינפרא אדום וסופג יותר דרך החלון מאשר רוב סוגי הציפויים האחרים.
החוקרים בדקו במעבדה חלונות זכוכית חד-צדדיים מצופים בננו-חלקיקים תחת אור שמש מדומה, ואיששו את תחזיות הדמיה.הטמפרטורה בצד אחד של החלון המצופה ננו-חלקיקים עלתה באופן משמעותי, מה שמצביע על כך שהציפוי יכול לספוג חום מאור השמש מבפנים כדי לפצות על אובדן חום פנימי דרך חלונות חד-שכבתיים.
לאחר מכן החוקרים הזינו את הנתונים שלהם לסימולציות בקנה מידה גדול כדי לנתח את החיסכון באנרגיה של הבניין בתנאי אקלים שונים.בהשוואה לציפויים בעלי פליטות נמוכה של חלונות בודדים הזמינים באופן מסחרי, ציפויים פוטותרמיים סופגים את רוב האור בספקטרום האינפרא אדום הקרוב, בעוד שחלונות בציפוי מסורתי משקפים אותו כלפי חוץ.הספיגה הקרובה לאינפרא אדום זו מביאה לכ-12 עד 20 אחוז פחות אובדן חום מאשר ציפויים אחרים, ופוטנציאל החיסכון באנרגיה הכולל של הבניין מגיע לכ-20 אחוז בהשוואה למבנים לא מצופים בחלונות חד-שכבתיים.
עם זאת, וואנג אמר שמוליכות תרמית טובה יותר, יתרון בחורף, הופכת לחיסרון בעונה החמה.כדי לקחת בחשבון את השינויים העונתיים, החוקרים שילבו גם חופות בדגמי הבנייה שלהם.עיצוב זה חוסם את אור השמש הישיר יותר שמחמם את הסביבה בקיץ, ומבטל במידה רבה העברת חום לקויה וכל עלויות קירור נלוות.הצוות עדיין עובד על שיטות אחרות, כולל מערכות חלונות דינמיות כדי לענות על צורכי חימום וקירור עונתיים.
"כפי שמראה מחקר זה, בשלב זה של המחקר, אנו עדיין יכולים לשפר את הביצועים התרמיים הכוללים של חלונות בעלי זיגוג יחיד כדי להיות דומים לחלונות בעלי זיגוג כפול בחורף," אמר וואנג."תוצאות אלו מאתגרות את הפתרונות המסורתיים שלנו של שימוש בשכבות נוספות או בידוד לתיקון חלונות חד-חדריים כדי לחסוך באנרגיה."
"בהתחשב בביקוש העצום במלאי הבניינים לתשתיות אנרגיה כמו גם לאיכות הסביבה, הכרחי שנקדם את הידע שלנו כדי ליצור מבנים יעילים באנרגיה", אמר סז אטאמטורקטור ראשר, פרופסור הארי וארלין של וראש הנדסת בנייה."ד"ר.וואנג והצוות שלו עושים מחקר בסיסי בר-פעולה".
תורמים נוספים לעבודה זו כוללים את Enhe Zhang, סטודנט לתואר שני בעיצוב אדריכלי;Qiuhua Duan, עוזר פרופסור להנדסה אזרחית באוניברסיטת אלבמה, קיבלה את הדוקטורט שלה בהנדסה אדריכלית מאוניברסיטת פנסילבניה סטייט בדצמבר 2021;יואן ז'או, חוקר ב-Advanced NanoTherapies Inc., שתרם לעבודה זו כחוקר דוקטורט באוניברסיטת מדינת פנסילבניה, Yangxiao Feng, דוקטורנט בעיצוב אדריכלי.הקרן הלאומית למדע ושירות שימור משאבי הטבע של USDA תמכו בעבודה זו.
כיסויי חלונות (מולקולות מקרוב) הוכחו כמשפרות את העברת החום מאור השמש החיצוני (חצים כתומים) אל פנים הבניין, תוך מתן העברת אור מספקת (חצים צהובים).מקור: תמונה באדיבות ג'וליאן וואנג.כל הזכויות שמורות.