펜실베니아 주립대학교 연구진은 겨울철 에너지 절약을 향상시킬 수 있는 단층 창 덮개의 효과를 조사했습니다.출처: iStock/@Svetl.판권 소유.
펜실베니아주 대학공원 — 단열 공기층으로 끼워진 이중창은 단일창보다 더 큰 에너지 효율성을 제공할 수 있지만 기존 단일창을 교체하는 것은 비용이 많이 들거나 기술적으로 어려울 수 있습니다.더 경제적이지만 덜 효과적인 옵션은 단일 챔버 창을 반투명 금속 필름으로 덮는 것입니다. 이 필름은 유리의 투명도를 손상시키지 않으면서 겨울에 태양열의 일부를 흡수합니다.코팅 효율성을 향상시키기 위해 펜실베니아 연구원들은 나노기술이 겨울에 이중창과 동등한 수준의 열 성능을 제공하는 데 도움이 될 수 있다고 말합니다.
펜실베니아 건축공학과 팀은 열 손실을 줄이고 열을 더 잘 흡수하는 나노 규모 구성 요소를 포함하는 코팅의 에너지 절약 특성을 조사했습니다.그들은 또한 건축 자재의 에너지 효율에 대한 최초의 종합 분석을 완료했습니다.연구진은 에너지 변환 및 관리(Energy Conversion and Management)에 연구 결과를 발표했습니다.
건축 공학 부교수인 Julian Wang에 따르면 인간이 볼 수는 없지만 열을 느낄 수 있는 햇빛의 일부인 근적외선은 특정 금속 나노입자의 고유한 광열 효과를 활성화하여 내부로의 열 흐름을 증가시킬 수 있습니다.창문을 통해서.
Pennsylvania School of Art and Architecture 산하 건축재료연구소에서 근무하고 있는 Wang은 “우리는 이러한 효과가 건물의 에너지 효율을 어떻게 향상시킬 수 있는지, 특히 겨울철에 어떻게 개선할 수 있는지 이해하는 데 관심이 있습니다.”라고 말했습니다.
연구팀은 먼저 금속 나노입자로 코팅된 창문을 통해 햇빛의 열이 얼마나 반사, 흡수, 전달되는지 추정하는 모델을 개발했습니다.그들은 충분한 가시광선 투과율을 제공하면서도 근적외선을 흡수하는 능력 때문에 광열 화합물을 선택했습니다.모델은 이 코팅이 대부분의 다른 코팅 유형보다 근적외선이나 열을 덜 반사하고 창을 통해 더 많이 흡수한다고 예측합니다.
연구진은 실험실에서 시뮬레이션된 햇빛 아래에서 나노입자로 코팅된 단일 유리창을 테스트하여 시뮬레이션 예측을 확인했습니다.나노입자로 코팅된 창의 한쪽 면의 온도가 크게 증가했는데, 이는 코팅이 단일 창을 통해 내부 열 손실을 보상하기 위해 내부에서 햇빛으로부터 열을 흡수할 수 있음을 시사합니다.
그런 다음 연구원들은 다양한 기후 조건에서 건물의 에너지 절약을 분석하기 위해 데이터를 대규모 시뮬레이션에 제공했습니다.시중에서 판매되는 단일 창의 저방사율 코팅과 비교하여 광열 코팅은 근적외선 스펙트럼의 대부분의 빛을 흡수하는 반면, 전통적으로 코팅된 창은 이를 외부로 반사합니다.이러한 근적외선 흡수로 인해 다른 코팅에 비해 열 손실이 약 12~20% 적고 건물의 전체 에너지 절약 잠재력은 단일 창호의 코팅되지 않은 건물에 비해 약 20%에 이릅니다.
그러나 Wang은 겨울에 장점인 더 나은 열 전도성이 따뜻한 계절에는 단점이 된다고 말했습니다.계절 변화를 설명하기 위해 연구원들은 캐노피를 건물 모델에 통합했습니다.이 설계는 여름에 환경을 가열하는 직사광선을 차단하여 열 전달 불량 및 관련 냉각 비용을 크게 제거합니다.팀은 계절별 난방 및 냉방 요구 사항을 충족하기 위한 동적 창 시스템을 포함한 다른 방법을 계속 연구하고 있습니다.
Wang은 “이 연구가 보여주듯이, 연구의 현 단계에서도 단일 유리창의 전반적인 열 성능을 겨울철 이중 유리창과 유사하게 향상시킬 수 있습니다.”라고 Wang은 말했습니다."이러한 결과는 에너지를 절약하기 위해 단일 챔버 창을 개조하기 위해 더 많은 층이나 단열재를 사용하는 기존 솔루션에 도전합니다."
Harry Schell 교수와 Arlene Schell 교수이자 건설 엔지니어링 책임자인 Sez Atamtürktur Russcher는 "에너지 인프라와 환경에 대한 건축 자재의 엄청난 수요를 고려할 때 에너지 효율적인 건물을 만들기 위한 지식을 발전시키는 것이 필수적입니다."라고 말했습니다.“박사님.Wang과 그의 팀은 실행 가능한 기초 연구를 수행하고 있습니다.”
이 작업에 기여한 다른 사람으로는 건축 디자인 대학원생인 Enhe Zhang;앨라배마대학교 토목공학과 조교수인 Qiuhua Duan은 2021년 12월 펜실베이니아 주립대학교에서 건축공학 박사 학위를 받았습니다.Pennsylvania State University에서 박사 연구원으로 이 작업에 기여한 Advanced NanoTherapies Inc.의 연구원 Yuan Zhao, 건축 디자인 박사 과정 학생인 Yangxiao Feng.국립과학재단(National Science Foundation)과 USDA 천연자원 보존 서비스(Natural Resources Conservation Service)가 이 작업을 지원했습니다.
창문 덮개(클로즈업 분자)는 실외 햇빛(주황색 화살표)에서 건물 내부로의 열 전달을 향상시키는 동시에 충분한 빛 투과(노란색 화살표)를 제공하는 것으로 나타났습니다.출처: Julian Wang의 이미지 제공.판권 소유.