En gruppe forskere ved Pennsylvania State University undersøkte effektiviteten til et enkeltlags vindusbelegg som kan forbedre energisparingen om vinteren.Kreditt: iStock/@Svetl.Alle rettigheter forbeholdt.
UNIVERSITY PARK, Pennsylvania - Doble vinduer klemt inn med et lag med isolerende luft kan gi større energieffektivitet enn enkeltglassvinduer, men å erstatte eksisterende enkeltrutevinduer kan være kostbart eller teknisk utfordrende.Et mer økonomisk, men mindre effektivt alternativ er å dekke enkeltkammervinduer med en gjennomskinnelig metallfilm, som absorberer noe av solens varme om vinteren uten at det går på bekostning av glassets gjennomsiktighet.For å forbedre beleggeffektiviteten sier forskere fra Pennsylvania at nanoteknologi kan bidra til å bringe termisk ytelse på nivå med doble vinduer om vinteren.
Et team fra Pennsylvania Department of Architectural Engineering undersøkte de energibesparende egenskapene til belegg som inneholder komponenter i nanoskala som reduserer varmetapet og bedre absorberer varme.De fullførte også den første omfattende analysen av energieffektiviteten til byggematerialer.Forskerne publiserte funnene sine i Energy Conversion and Management.
I følge Julian Wang, en førsteamanuensis i arkitektonisk ingeniørfag, kan nær-infrarødt lys - den delen av sollys som mennesker ikke kan se, men kan føle varme - aktivere den unike fototermiske effekten til visse metallnanopartikler, og øke varmestrømmen innover.gjennom vinduet.
"Vi er interessert i å forstå hvordan disse effektene kan forbedre energieffektiviteten til bygninger, spesielt om vinteren," sa Wang, som også jobber ved Institute of Architecture and Materials ved Pennsylvania School of Art and Architecture.
Teamet utviklet først en modell for å estimere hvor mye varme fra sollys som ville bli reflektert, absorbert eller sendt gjennom vinduer belagt med metallnanopartikler.De valgte en fototermisk forbindelse på grunn av dens evne til å absorbere nær-infrarødt sollys mens de fortsatt gir tilstrekkelig synlig lystransmisjon.Modellen forutsier at belegget reflekterer mindre nær infrarødt lys eller varme og absorberer mer gjennom vinduet enn de fleste andre typer belegg.
Forskerne testet enkeltglassvinduer belagt med nanopartikler under simulert sollys i et laboratorium, og bekreftet simuleringsspådommer.Temperaturen på den ene siden av det nanopartikkelbelagte vinduet økte betydelig, noe som tyder på at belegget kan absorbere varme fra sollys innenfra for å kompensere for internt varmetap gjennom vinduer med enkelt rute.
Forskerne matet deretter dataene sine inn i storskala simuleringer for å analysere bygningens energibesparelser under ulike klimaforhold.Sammenlignet med de lave emissivitetsbeleggene til kommersielt tilgjengelige enkeltvinduer, absorberer fototermiske belegg mesteparten av lyset i det nær-infrarøde spekteret, mens tradisjonelt belagte vinduer reflekterer det utover.Denne nær-infrarøde absorpsjonen resulterer i ca. 12 til 20 prosent mindre varmetap enn andre belegg, og bygningens totale energisparingspotensial når ca. 20 prosent sammenlignet med ubelagte bygninger på enkeltrutevinduer.
Wang sa imidlertid at bedre varmeledningsevne, en fordel om vinteren, blir en ulempe i den varme årstiden.For å ta høyde for sesongmessige endringer, inkorporerte forskerne også baldakiner i bygningsmodellene sine.Denne designen blokkerer mer direkte sollys som varmer opp miljøet om sommeren, og eliminerer i stor grad dårlig varmeoverføring og eventuelle tilhørende kjølekostnader.Teamet jobber fortsatt med andre metoder, inkludert dynamiske vindussystemer for å møte sesongmessige behov for oppvarming og kjøling.
"Som denne studien viser, på dette stadiet av studien, kan vi fortsatt forbedre den generelle termiske ytelsen til enkeltglassvinduer til å være lik doble vinduer om vinteren," sa Wang."Disse resultatene utfordrer våre tradisjonelle løsninger med å bruke flere lag eller isolasjon for å ettermontere enkeltkammervinduer for å spare energi."
"Gitt den enorme etterspørselen i bygningsmassen etter energiinfrastruktur så vel som miljø, er det viktig at vi fremmer vår kunnskap for å skape energieffektive bygninger," sa Sez Atamtürktur Russcher, professor Harry og Arlene Schell og leder for konstruksjonsteknikk.«Dr.Wang og teamet hans gjør handlingskraftig grunnleggende forskning.»
Andre bidragsytere til dette arbeidet inkluderer Enhe Zhang, en doktorgradsstudent i arkitektonisk design;Qiuhua Duan, assisterende professor i sivilingeniør ved University of Alabama, mottok sin doktorgrad i arkitekturteknikk fra Pennsylvania State University i desember 2021;Yuan Zhao, forsker ved Advanced NanoTherapies Inc., som bidro til dette arbeidet som PhD-forsker ved Pennsylvania State University, Yangxiao Feng, PhD-student i arkitektonisk design.National Science Foundation og USDA Natural Resources Conservation Service støttet dette arbeidet.
Vindusdekker (nærbildemolekyler) har vist seg å forbedre overføringen av varme fra utendørs sollys (oransje piler) til det indre av en bygning samtidig som de gir tilstrekkelig lystransmisjon (gule piler).Kilde: Bilde med tillatelse av Julian Wang.Alle rettigheter forbeholdt.