Een groep onderzoekers van de Pennsylvania State University onderzocht de effectiviteit van een enkellaagse raambekleding die de energiebesparing in de winter kan verbeteren.Krediet: iStock/@Svetl.Alle rechten voorbehouden.
UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Ramen met dubbele beglazing, ingeklemd met een laag isolerende lucht, kunnen een grotere energie-efficiëntie opleveren dan ramen met enkel glas, maar het vervangen van bestaande ramen met enkel glas kan kostbaar of technisch uitdagend zijn.Een economischere, maar minder effectieve optie is om ramen met één kamer te bedekken met een doorschijnende metaalfilm, die in de winter een deel van de zonnewarmte absorbeert zonder de transparantie van het glas in gevaar te brengen.Om de efficiëntie van de coating te verbeteren, zeggen onderzoekers uit Pennsylvania dat nanotechnologie kan helpen de thermische prestaties in de winter op hetzelfde niveau te brengen als die van dubbele beglazing.
Een team van het Pennsylvania Department of Architectural Engineering onderzocht de energiebesparende eigenschappen van coatings die componenten op nanoschaal bevatten die warmteverlies verminderen en warmte beter absorberen.Ze voltooiden ook de eerste uitgebreide analyse van de energie-efficiëntie van bouwmaterialen.De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in Energy Conversion and Management.
Volgens Julian Wang, universitair hoofddocent architectuurtechniek, kan nabij-infraroodlicht – het deel van het zonlicht dat mensen niet kunnen zien maar wel warmte kan voelen – het unieke fotothermische effect van bepaalde metalen nanodeeltjes activeren, waardoor de warmtestroom naar binnen toeneemt.door het raam.
"We willen graag begrijpen hoe deze effecten de energie-efficiëntie van gebouwen kunnen verbeteren, vooral in de winter", zegt Wang, die ook werkt bij het Institute of Architecture and Materials van de Pennsylvania School of Art and Architecture.
Het team ontwikkelde eerst een model om te schatten hoeveel warmte van zonlicht zou worden gereflecteerd, geabsorbeerd of doorgegeven door ramen bedekt met metalen nanodeeltjes.Ze kozen voor een fotothermische verbinding vanwege het vermogen om nabij-infrarood zonlicht te absorberen en toch voldoende transmissie van zichtbaar licht te bieden.Het model voorspelt dat de coating minder nabij-infraroodlicht of warmte reflecteert en meer door het raam absorbeert dan de meeste andere soorten coatings.
De onderzoekers testten ramen met enkel glas bedekt met nanodeeltjes onder gesimuleerd zonlicht in een laboratorium, wat de simulatievoorspellingen bevestigde.De temperatuur aan één kant van het met nanodeeltjes gecoate raam nam aanzienlijk toe, wat erop wijst dat de coating warmte van zonlicht van binnenuit kan absorberen om het interne warmteverlies door ramen met enkele beglazing te compenseren.
De onderzoekers voerden hun gegevens vervolgens in grootschalige simulaties in om de energiebesparingen van het gebouw onder verschillende klimaatomstandigheden te analyseren.Vergeleken met de coatings met lage emissiviteit van in de handel verkrijgbare enkele ramen, absorberen fotothermische coatings het grootste deel van het licht in het nabij-infrarode spectrum, terwijl traditioneel gecoate ramen dit naar buiten reflecteren.Deze nabij-infraroodabsorptie resulteert in ongeveer 12 tot 20 procent minder warmteverlies dan andere coatings, en het totale energiebesparingspotentieel van het gebouw bereikt ongeveer 20 procent vergeleken met ongecoate gebouwen met ramen met één beglazing.
Wang zei echter dat een betere thermische geleidbaarheid, een voordeel in de winter, een nadeel wordt in het warme seizoen.Om rekening te houden met seizoensveranderingen verwerkten de onderzoekers ook luifels in hun bouwmodellen.Dit ontwerp blokkeert het directere zonlicht dat de omgeving in de zomer opwarmt, waardoor een slechte warmteoverdracht en de daarmee gepaard gaande koelingskosten grotendeels worden geëlimineerd.Het team werkt nog steeds aan andere methoden, waaronder dynamische raamsystemen om aan de seizoensgebonden verwarmings- en koelingsbehoeften te voldoen.
“Zoals dit onderzoek aantoont, kunnen we in deze fase van het onderzoek nog steeds de algehele thermische prestaties van ramen met enkel glas verbeteren, zodat ze in de winter vergelijkbaar zijn met die van dubbel glas”, aldus Wang.“Deze resultaten dagen onze traditionele oplossingen uit om meer lagen of isolatie te gebruiken om ramen met één kamer achteraf aan te passen om energie te besparen.”
“Gezien de enorme vraag in het gebouwenbestand naar energie-infrastructuur en het milieu, is het absoluut noodzakelijk dat we onze kennis vergroten om energie-efficiënte gebouwen te creëren”, aldus Sez Atamtürktur Russcher, professor Harry en Arlene Schell en hoofd Bouwtechniek.“Dr.Wang en zijn team doen bruikbaar fundamenteel onderzoek.”
Andere bijdragen aan dit werk zijn onder meer Enhe Zhang, een afgestudeerde student architectonisch ontwerp;Qiuhua Duan, universitair docent Civiele Techniek aan de Universiteit van Alabama, promoveerde in december 2021 in Architectuurtechniek aan de Pennsylvania State University;Yuan Zhao, onderzoeker bij Advanced NanoTherapies Inc., die aan dit werk heeft bijgedragen als PhD-onderzoeker aan de Pennsylvania State University, Yangxiao Feng, PhD-student in architectonisch ontwerp.De National Science Foundation en de USDA Natural Resources Conservation Service ondersteunden dit werk.
Van raambekleding (close-upmoleculen) is aangetoond dat ze de warmteoverdracht van zonlicht buiten (oranje pijlen) naar de binnenkant van een gebouw verbeteren, terwijl ze toch voldoende lichttransmissie bieden (gele pijlen).Bron: afbeelding met dank aan Julian Wang.Alle rechten voorbehouden.