En grupp forskare vid Pennsylvania State University undersökte effektiviteten av en fönstertäckning i ett lager som kan förbättra energibesparingarna på vintern.Kredit: iStock/@Svetl.Alla rättigheter förbehållna.
UNIVERSITY PARK, Pennsylvania — Dubbelglasfönster inklämda med ett lager av isolerande luft kan ge större energieffektivitet än englasfönster, men att byta ut befintliga englasfönster kan vara kostsamt eller tekniskt utmanande.Ett mer ekonomiskt, men mindre effektivt alternativ är att täcka enkammarfönster med en genomskinlig metallfilm, som absorberar en del av solens värme på vintern utan att kompromissa med glasets genomskinlighet.För att förbättra beläggningseffektiviteten säger forskare från Pennsylvania att nanoteknik kan hjälpa till att få termisk prestanda i nivå med tvåglasfönster på vintern.
Ett team från Pennsylvania Department of Architectural Engineering undersökte de energibesparande egenskaperna hos beläggningar som innehåller komponenter i nanoskala som minskar värmeförlusten och bättre absorberar värme.De genomförde också den första heltäckande analysen av energieffektiviteten hos byggmaterial.Forskarna publicerade sina resultat i Energy Conversion and Management.
Enligt Julian Wang, en docent i arkitekturteknik, kan nära-infrarött ljus - den del av solljus som människor inte kan se men kan känna värme - aktivera den unika fototermiska effekten av vissa metallnanopartiklar, vilket ökar värmeflödet inåt.genom fönstret.
"Vi är intresserade av att förstå hur dessa effekter kan förbättra energieffektiviteten i byggnader, särskilt på vintern", säger Wang, som också arbetar vid Institute of Architecture and Materials vid Pennsylvania School of Art and Architecture.
Teamet utvecklade först en modell för att uppskatta hur mycket värme från solljus som skulle reflekteras, absorberas eller överföras genom fönster belagda med metallnanopartiklar.De valde en fototermisk förening på grund av dess förmåga att absorbera nära-infrarött solljus samtidigt som det ger tillräckligt med synlig ljustransmission.Modellen förutspår att beläggningen reflekterar mindre nära infrarött ljus eller värme och absorberar mer genom fönstret än de flesta andra typer av beläggningar.
Forskarna testade enkelglasfönster belagda med nanopartiklar under simulerat solljus i ett labb, vilket bekräftar simuleringsförutsägelser.Temperaturen på ena sidan av det nanopartikelbelagda fönstret ökade avsevärt, vilket tyder på att beläggningen kan absorbera värme från solljus inifrån för att kompensera för intern värmeförlust genom enkelglasfönster.
Forskarna matade sedan in sina data i storskaliga simuleringar för att analysera byggnadens energibesparingar under olika klimatförhållanden.Jämfört med beläggningarna med låg emissivitet för kommersiellt tillgängliga enstaka fönster, absorberar fototermiska beläggningar det mesta av ljuset i det nära-infraröda spektrumet, medan traditionellt belagda fönster reflekterar det utåt.Denna nära-infraröda absorption resulterar i cirka 12 till 20 procent mindre värmeförlust än andra beläggningar, och byggnadens totala energibesparingspotential når cirka 20 procent jämfört med obelagda byggnader på englasfönster.
Wang sa dock att bättre värmeledningsförmåga, en fördel på vintern, blir en nackdel under den varma årstiden.För att ta hänsyn till säsongsmässiga förändringar, inkorporerade forskarna också baldakiner i sina byggnadsmodeller.Denna design blockerar det mer direkta solljuset som värmer upp miljön på sommaren, vilket till stor del eliminerar dålig värmeöverföring och eventuella relaterade kylningskostnader.Teamet arbetar fortfarande med andra metoder, inklusive dynamiska fönstersystem för att möta säsongsbetonade värme- och kylbehov.
"Som den här studien visar kan vi i detta skede av studien fortfarande förbättra den totala termiska prestandan för enkelglasfönster för att likna tvåglasfönster på vintern," sa Wang."Dessa resultat utmanar våra traditionella lösningar att använda fler lager eller isolering för att eftermontera enkammarfönster för att spara energi."
"Med tanke på den enorma efterfrågan i byggnadsbeståndet för energiinfrastruktur såväl som miljö, är det absolut nödvändigt att vi förstärker vår kunskap för att skapa energieffektiva byggnader", säger Sez Atamtürktur Russcher, professor Harry och Arlene Schell och chef för byggnadsteknik."Dr.Wang och hans team gör handlingskraftig grundforskning."
Andra bidragsgivare till detta arbete inkluderar Enhe Zhang, en doktorand i arkitektonisk design;Qiuhua Duan, biträdande professor i byggnadsteknik vid University of Alabama, tog sin doktorsexamen i arkitekturteknik från Pennsylvania State University i december 2021;Yuan Zhao, forskare vid Advanced NanoTherapies Inc., som bidrog till detta arbete som doktorand vid Pennsylvania State University, Yangxiao Feng, doktorand i arkitektonisk design.National Science Foundation och USDA Natural Resources Conservation Service stödde detta arbete.
Fönsterbeklädnader (närbildsmolekyler) har visat sig förbättra överföringen av värme från utomhus solljus (orange pilar) till det inre av en byggnad samtidigt som de ger tillräcklig ljustransmission (gula pilar).Källa: Bild med tillstånd av Julian Wang.Alla rättigheter förbehållna.