ペンシルバニア州立大学の研究者グループは、冬の省エネを改善できる単層窓覆いの有効性を調査しました。クレジット: iStock/@Svetl。無断転載を禁じます。
ペンシルベニア州ユニバーシティパーク — 断熱空気の層で挟まれた二重ガラス窓は、単板窓よりも優れたエネルギー効率を実現できますが、既存の単板窓の交換には費用がかかるか、技術的に困難な場合があります。より経済的ですが、あまり効果的ではない選択肢は、半透明の金属フィルムで一室の窓を覆うことです。これは、ガラスの透明性を損なうことなく、冬の太陽の熱の一部を吸収します。ペンシルベニア州の研究者らは、コーティング効率を改善するために、ナノテクノロジーが冬の二重窓と同等の断熱性能をもたらす可能性があると述べている。
ペンシルベニア州建築工学部のチームは、熱損失を減らし、熱をよりよく吸収するナノスケール成分を含むコーティングの省エネ特性を調査しました。彼らはまた、建築材料のエネルギー効率に関する初めての包括的な分析を完了しました。研究者らは、その研究結果を『エネルギー変換と管理』に発表しました。
建築工学准教授のジュリアン・ワン氏によると、近赤外線（人間には見えないが熱を感じることができる太陽光の部分）は、特定の金属ナノ粒子の独特な光熱効果を活性化し、内部への熱の流れを増加させる可能性があるという。窓越しに。
「私たちは、これらの効果が、特に冬場の建物のエネルギー効率をどのように改善できるかを理解することに興味を持っています」と、ペンシルベニア芸術建築大学院の建築材料研究所でも働くワン氏は述べた。
研究チームはまず、金属ナノ粒子でコーティングされた窓を通して太陽光からの熱がどれだけ反射、吸収、または透過されるかを推定するモデルを開発した。彼らは、十分な可視光透過率を提供しながら、近赤外線太陽光を吸収する能力を備えた光熱化合物を選択しました。このモデルでは、このコーティングは他のほとんどのタイプのコーティングに比べて、近赤外光や熱の反射が少なく、窓からの吸収が多いと予測しています。
研究者らは、ナノ粒子でコーティングされた単板ガラス窓を実験室で模擬太陽光の下でテストし、シミュレーションの予測を確認した。ナノ粒子でコーティングされた窓の片側の温度は大幅に上昇しました。これは、コーティングが内部から太陽光からの熱を吸収して、単板窓による内部の熱損失を補うことができることを示唆しています。
その後、研究者らはそのデータを大規模シミュレーションに入力し、さまざまな気候条件下での建物のエネルギー節約を分析しました。市販の単一窓の低放射率コーティングと比較して、光熱コーティングは近赤外スペクトルの光の大部分を吸収しますが、従来のコーティングされた窓はそれを外側に反射します。この近赤外線の吸収により、他のコーティングよりも熱損失が約 12 ～ 20 パーセント少なくなり、単層ガラス窓のコーティングされていない建物と比較して、建物全体のエネルギー節約の可能性は約 20 パーセントに達します。
しかし、Wang氏は、熱伝導率の向上は冬には利点だが、暖かい季節には欠点になると述べた。季節の変化を考慮して、研究者らは建築モデルに天蓋も組み込みました。この設計は、夏に環境を加熱する直射日光を遮断し、熱伝達の低下とそれに伴う冷却コストを大幅に排除します。チームは、季節の冷暖房ニーズを満たすダイナミック ウィンドウ システムなど、他の方法にも引き続き取り組んでいます。
「この研究が示しているように、研究のこの段階では、単層ガラスの窓の全体的な断熱性能を冬季の二重ガラスの窓と同等に改善することがまだ可能です」とワン氏は述べた。「これらの結果は、より多くの層や断熱材を使用して単室の窓を改修してエネルギーを節約するという従来のソリューションに疑問を投げかけます。」
「エネルギーインフラや環境に対する建築資材の膨大な需要を考慮すると、エネルギー効率の高い建物を作るための知識を進歩させることが不可欠です」とハリー・シェル教授とアーリーン・シェル教授兼建設工学部長のセズ・アタムトゥルクトゥル・ルッシャー氏は述べた。「博士。ワン氏と彼のチームは実用的な基礎研究を行っています。」
この作品への他の貢献者には、建築設計の大学院生である Enhe Zhang 氏が含まれます。アラバマ大学土木工学助教授 Qiuhua Duan は、2021 年 12 月にペンシルベニア州立大学から建築工学の博士号を取得しました。Advanced NanoTherapies Inc.の研究者であるYuan Zhao氏はペンシルバニア州立大学の博士研究員としてこの研究に貢献し、Yangxiao Feng氏は建築デザインの博士課程の学生です。国立科学財団と農務省天然資源保護局がこの研究を支援しました。
窓覆い（分子のクローズアップ）は、十分な光透過（黄色の矢印）を提供しながら、屋外の太陽光（オレンジ色の矢印）から建物の内部への熱の伝達を強化することが示されています。出典: 画像提供: Julian Wang無断転載を禁じます。