Un grup de cercetători de la Universitatea de Stat din Pennsylvania a investigat eficiența unei ferestre cu un singur strat care poate îmbunătăți economiile de energie în timpul iernii.Credit: iStock/@Svetl.Toate drepturile rezervate.
UNIVERSITY PARK, Pennsylvania — Ferestrele cu geam dublu introduse cu un strat de aer izolator pot oferi o eficiență energetică mai mare decât ferestrele cu un singur geam, dar înlocuirea ferestrelor existente cu un singur geam poate fi costisitoare sau dificilă din punct de vedere tehnic.O variantă mai economică, dar mai puțin eficientă este acoperirea ferestrelor cu o singură cameră cu o folie metalică translucidă, care absoarbe o parte din căldura soarelui iarna fără a compromite transparența sticlei.Pentru a îmbunătăți eficiența acoperirii, cercetătorii din Pennsylvania spun că nanotehnologia poate ajuta la aducerea performanței termice la egalitate cu ferestrele cu geam dublu în timpul iernii.
O echipă de la Departamentul de Inginerie Arhitecturală din Pennsylvania a investigat proprietățile de economisire a energiei ale acoperirilor care conțin componente la scară nanometrică care reduc pierderile de căldură și absorb mai bine căldura.De asemenea, au finalizat prima analiză cuprinzătoare a eficienței energetice a materialelor de construcție.Cercetătorii și-au publicat concluziile în Energy Conversion and Management.
Potrivit lui Julian Wang, profesor asociat de inginerie arhitecturală, lumina în infraroșu apropiat - partea de lumină solară pe care oamenii nu o pot vedea, dar poate simți căldura - poate activa efectul fototermic unic al anumitor nanoparticule de metal, crescând fluxul de căldură spre interior.prin fereastra.
„Suntem interesați să înțelegem cum aceste efecte pot îmbunătăți eficiența energetică a clădirilor, în special iarna”, a spus Wang, care lucrează și la Institutul de Arhitectură și Materiale de la Școala de Artă și Arhitectură din Pennsylvania.
Echipa a dezvoltat mai întâi un model pentru a estima cât de multă căldură din lumina soarelui va fi reflectată, absorbită sau transmisă prin ferestre acoperite cu nanoparticule de metal.Ei au ales un compus fototermic datorită capacității sale de a absorbi lumina soarelui în infraroșu apropiat, oferind totuși o transmisie suficientă a luminii vizibile.Modelul prezice că stratul de acoperire reflectă mai puțin lumina infraroșu apropiat sau căldura și absoarbe mai mult prin fereastră decât majoritatea celorlalte tipuri de acoperiri.
Cercetătorii au testat ferestre din sticlă cu un singur geam acoperite cu nanoparticule sub lumina soarelui simulată într-un laborator, confirmând predicțiile de simulare.Temperatura de pe o parte a ferestrei acoperite cu nanoparticule a crescut semnificativ, sugerând că acoperirea poate absorbi căldura din lumina soarelui din interior pentru a compensa pierderea de căldură internă prin ferestrele cu un singur geam.
Cercetătorii și-au introdus apoi datele în simulări la scară largă pentru a analiza economiile de energie ale clădirii în diferite condiții climatice.În comparație cu acoperirile cu emisivitate scăzută ale ferestrelor simple disponibile comercial, acoperirile fototermale absorb cea mai mare parte a luminii din spectrul infraroșu apropiat, în timp ce ferestrele acoperite în mod tradițional o reflectă spre exterior.Această absorbție în infraroșu apropiat duce la pierderi de căldură cu aproximativ 12 până la 20% mai puțin decât alte acoperiri, iar potențialul general de economisire a energiei al clădirii ajunge la aproximativ 20% în comparație cu clădirile neacoperite pe ferestre cu un singur geam.
Totuși, Wang a spus că o conductivitate termică mai bună, un avantaj iarna, devine un dezavantaj în sezonul cald.Pentru a ține seama de schimbările sezoniere, cercetătorii au încorporat și copertine în modelele lor de construcție.Acest design blochează lumina directă a soarelui care încălzește mediul în timpul verii, eliminând în mare măsură transferul slab de căldură și orice costuri de răcire asociate.Echipa încă lucrează la alte metode, inclusiv sisteme de ferestre dinamice pentru a satisface nevoile sezoniere de încălzire și răcire.
„După cum arată acest studiu, în această etapă a studiului, putem încă îmbunătăți performanța termică generală a ferestrelor cu geam simplu pentru a fi similare cu ferestrele cu geam dublu în timpul iernii”, a spus Wang.„Aceste rezultate provoacă soluțiile noastre tradiționale de utilizare a mai multor straturi sau izolație pentru a moderniza ferestrele cu o singură cameră pentru a economisi energie.”
„Având în vedere cererea uriașă a stocului de clădiri pentru infrastructura energetică, precum și pentru mediul înconjurător, este imperativ să ne dezvoltăm cunoștințele pentru a crea clădiri eficiente din punct de vedere energetic”, a declarat Sez Atamtürktur Russcher, profesorul Harry și Arlene Schell și șeful departamentului de inginerie în construcții.„Dr.Wang și echipa sa fac cercetări de bază acționabile.”
Alți contribuitori la această lucrare includ Enhe Zhang, un student absolvent în design arhitectural;Qiuhua Duan, profesor asistent de inginerie civilă la Universitatea din Alabama, și-a luat doctoratul în inginerie arhitecturală de la Universitatea de Stat din Pennsylvania în decembrie 2021;Yuan Zhao, cercetător la Advanced NanoTherapies Inc., care a contribuit la această lucrare în calitate de cercetător doctor la Universitatea de Stat din Pennsylvania, Yangxiao Feng, doctorand în design arhitectural.Fundația Națională de Știință și Serviciul de Conservare a Resurselor Naturale USDA au susținut această lucrare.
S-a demonstrat că acoperirile ferestrelor (moleculele de prim plan) îmbunătățesc transferul de căldură de la lumina soarelui exterioară (săgeți portocalii) către interiorul unei clădiri, oferind totuși o transmisie suficientă a luminii (săgeți galbene).Sursa: Imagine prin amabilitatea lui Julian Wang.Toate drepturile rezervate.