Группа исследователей из Университета штата Пенсильвания исследовала эффективность однослойного оконного покрытия, которое может повысить экономию энергии зимой.Фото: iStock/@Svetl.Все права защищены.
УНИВЕРСИТЕТ-ПАРК, Пенсильвания. Окна с двойным остеклением, зажатые слоем изолирующего воздуха, могут обеспечить большую энергоэффективность, чем окна с одним стеклом, но замена существующих окон с одним стеклом может быть дорогостоящей или технически сложной.Более экономичный, но менее эффективный вариант – закрыть однокамерные окна полупрозрачной металлической пленкой, поглощающей зимой часть солнечного тепла без ущерба для прозрачности стекла.Исследователи из Пенсильвании говорят, что для повышения эффективности покрытия нанотехнологии могут помочь довести тепловые характеристики до уровня окон с двойным остеклением зимой.
Команда из Департамента архитектурного проектирования Пенсильвании исследовала энергосберегающие свойства покрытий, содержащих наноразмерные компоненты, которые уменьшают теплопотери и лучше поглощают тепло.Они также завершили первый комплексный анализ энергоэффективности строительных материалов.Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Energy Conversion and Management.
По словам Джулиана Ванга, доцента архитектурного проектирования, ближний инфракрасный свет — часть солнечного света, которую люди не могут видеть, но могут чувствовать тепло — может активировать уникальный фототермический эффект некоторых металлических наночастиц, увеличивая поток тепла внутрь.через окно.
«Нам интересно понять, как эти эффекты могут повысить энергоэффективность зданий, особенно зимой», — сказал Ван, который также работает в Институте архитектуры и материалов Пенсильванской школы искусств и архитектуры.
Команда сначала разработала модель, позволяющую оценить, сколько тепла солнечного света будет отражаться, поглощаться или передаваться через окна, покрытые металлическими наночастицами.Они выбрали фототермическое соединение из-за его способности поглощать солнечный свет в ближнем инфракрасном диапазоне, обеспечивая при этом достаточную передачу видимого света.Модель предсказывает, что покрытие меньше отражает ближний инфракрасный свет или тепло и больше поглощает через окно, чем большинство других типов покрытий.
Исследователи протестировали однокамерные стеклянные окна, покрытые наночастицами, в условиях искусственного солнечного света в лаборатории, подтвердив предсказания моделирования.Температура на одной стороне окна, покрытого наночастицами, значительно увеличилась, что позволяет предположить, что покрытие может поглощать тепло солнечного света изнутри, чтобы компенсировать внутренние потери тепла через окна с одним стеклом.
Затем исследователи использовали свои данные в крупномасштабном моделировании для анализа энергосбережения здания в различных климатических условиях.По сравнению с покрытиями с низкой излучательной способностью коммерчески доступных одиночных окон, фототермические покрытия поглощают большую часть света в ближнем инфракрасном спектре, в то время как окна с традиционным покрытием отражают его наружу.Такое поглощение ближнего инфракрасного диапазона приводит к снижению теплопотерь примерно на 12–20 процентов по сравнению с другими покрытиями, а общий потенциал энергосбережения здания достигает примерно 20 процентов по сравнению со зданиями без покрытия с однокамерными окнами.
Однако Ван заявил, что лучшая теплопроводность, преимущество зимой, становится недостатком в теплое время года.Чтобы учесть сезонные изменения, исследователи также включили навесы в свои модели зданий.Такая конструкция блокирует больше прямых солнечных лучей, которые нагревают окружающую среду летом, в значительной степени устраняя плохую теплопередачу и любые связанные с этим затраты на охлаждение.Команда все еще работает над другими методами, включая динамические оконные системы для удовлетворения сезонных потребностей в отоплении и охлаждении.
«Как показывает это исследование, на данном этапе исследования мы все еще можем улучшить общие тепловые характеристики окон с одинарным остеклением, чтобы они были аналогичны окнам с двойным остеклением зимой», — сказал Ван.«Эти результаты бросают вызов нашим традиционным решениям по использованию большего количества слоев или изоляции для модернизации однокамерных окон для экономии энергии».
«Учитывая огромную потребность в строительном фонде для энергетической инфраструктуры, а также окружающей среды, крайне важно, чтобы мы расширяли наши знания для создания энергоэффективных зданий», — сказали Сез Атамтюрктур ​​Русшер, профессор Гарри и Арлин Шелл и руководитель строительного инженерного отдела.«Доктор.Ван и его команда проводят действенные фундаментальные исследования».
Среди других участников этой работы: Энхэ Чжан, аспирант архитектурного дизайна;Цюхуа Дуань, доцент кафедры гражданского строительства Университета Алабамы, получила докторскую степень в области архитектурного проектирования в Университете штата Пенсильвания в декабре 2021 года;Юань Чжао, исследователь из Advanced NanoTherapies Inc., который внес свой вклад в эту работу в качестве доктора философии в Университете штата Пенсильвания, Янсяо Фэн, аспирант в области архитектурного дизайна.Эту работу поддержали Национальный научный фонд и Служба охраны природных ресурсов Министерства сельского хозяйства США.
Было показано, что оконные покрытия (молекулы крупным планом) улучшают передачу тепла от солнечного света снаружи (оранжевые стрелки) внутрь здания, сохраняя при этом достаточную светопроницаемость (желтые стрелки).Источник: Изображение предоставлено Джулианом Вангом.Все права защищены.