กลุ่มนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลเวเนียได้ตรวจสอบประสิทธิภาพของการบังหน้าต่างชั้นเดียวซึ่งสามารถปรับปรุงการประหยัดพลังงานในฤดูหนาวเครดิต: iStock/@Svetlสงวนลิขสิทธิ์.
UNIVERSITY PARK, Pennsylvania — หน้าต่างกระจกสองชั้นที่ประกบด้วยชั้นอากาศที่เป็นฉนวนสามารถให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้ดีกว่าหน้าต่างแบบบานเดียว แต่การเปลี่ยนหน้าต่างแบบบานเดี่ยวที่มีอยู่อาจมีค่าใช้จ่ายสูงหรือมีความท้าทายทางเทคนิคตัวเลือกที่ประหยัดกว่าแต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าคือการปิดหน้าต่างห้องเดี่ยวด้วยฟิล์มโลหะโปร่งแสง ซึ่งดูดซับความร้อนจากดวงอาทิตย์บางส่วนในฤดูหนาวโดยไม่กระทบต่อความโปร่งใสของกระจกเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการเคลือบ นักวิจัยจากเพนซิลเวเนียกล่าวว่านาโนเทคโนโลยีสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนได้เทียบเท่ากับหน้าต่างกระจกสองชั้นในฤดูหนาว
ทีมงานจากแผนกวิศวกรรมสถาปัตยกรรมแห่งเพนซิลเวเนียได้ตรวจสอบคุณสมบัติการประหยัดพลังงานของสารเคลือบที่มีส่วนประกอบระดับนาโน ซึ่งช่วยลดการสูญเสียความร้อนและดูดซับความร้อนได้ดีขึ้นพวกเขายังได้เสร็จสิ้นการวิเคราะห์ที่ครอบคลุมครั้งแรกเกี่ยวกับประสิทธิภาพการใช้พลังงานของวัสดุก่อสร้างอีกด้วยนักวิจัยได้ตีพิมพ์ผลการวิจัยของพวกเขาใน การแปลงและการจัดการพลังงาน
ตามที่ Julian Wang รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมสถาปัตยกรรม กล่าว แสงอินฟราเรดใกล้ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของแสงแดดที่มนุษย์ไม่สามารถมองเห็นแต่สัมผัสได้ถึงความร้อน สามารถกระตุ้นผลกระทบความร้อนจากแสงที่เป็นเอกลักษณ์ของอนุภาคนาโนของโลหะบางชนิด ส่งผลให้ความร้อนไหลเข้าด้านในมากขึ้นผ่านหน้าต่าง
“เราสนใจที่จะทำความเข้าใจว่าผลกระทบเหล่านี้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานของอาคารได้อย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฤดูหนาว” หวัง ซึ่งทำงานที่สถาบันสถาปัตยกรรมและวัสดุที่โรงเรียนศิลปะและสถาปัตยกรรมเพนซิลเวเนียกล่าว
ทีมงานได้พัฒนาแบบจำลองเพื่อประเมินปริมาณความร้อนจากแสงแดดที่จะสะท้อน ดูดซับ หรือส่งผ่านหน้าต่างที่เคลือบด้วยอนุภาคนาโนของโลหะพวกเขาเลือกสารประกอบความร้อนจากแสงเนื่องจากความสามารถในการดูดซับแสงแดดช่วงอินฟราเรดใกล้ในขณะที่ยังคงส่งผ่านแสงที่มองเห็นได้เพียงพอแบบจำลองคาดการณ์ว่าสารเคลือบจะสะท้อนแสงอินฟราเรดหรือความร้อนได้น้อยกว่า และดูดซับผ่านหน้าต่างได้มากกว่าสารเคลือบประเภทอื่นๆ ส่วนใหญ่
นักวิจัยได้ทดสอบหน้าต่างกระจกบานเดียวที่เคลือบด้วยอนุภาคนาโนภายใต้แสงแดดจำลองในห้องแล็บ เพื่อยืนยันการคาดการณ์การจำลองอุณหภูมิด้านหนึ่งของหน้าต่างเคลือบอนุภาคนาโนเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ บ่งบอกว่าการเคลือบสามารถดูดซับความร้อนจากแสงแดดจากภายในเพื่อชดเชยการสูญเสียความร้อนภายในผ่านหน้าต่างบานหน้าต่างเดียว
จากนั้นนักวิจัยก็ป้อนข้อมูลลงในแบบจำลองขนาดใหญ่เพื่อวิเคราะห์การประหยัดพลังงานของอาคารภายใต้สภาพอากาศต่างๆเมื่อเปรียบเทียบกับการเคลือบที่มีการแผ่รังสีต่ำของหน้าต่างเดี่ยวที่มีจำหน่ายในท้องตลาด การเคลือบด้วยความร้อนจากแสงจะดูดซับแสงส่วนใหญ่ในสเปกตรัมใกล้อินฟราเรด ในขณะที่หน้าต่างที่เคลือบแบบดั้งเดิมจะสะท้อนแสงออกไปด้านนอกการดูดกลืนแสงอินฟราเรดใกล้นี้ส่งผลให้สูญเสียความร้อนน้อยกว่าการเคลือบอื่นๆ ประมาณ 12 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ และศักยภาพในการประหยัดพลังงานโดยรวมของอาคารสูงถึงประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับอาคารที่ไม่เคลือบผิวบนหน้าต่างบานเดียว
อย่างไรก็ตาม Wang กล่าวว่าการนำความร้อนที่ดีขึ้นซึ่งเป็นข้อได้เปรียบในฤดูหนาว จะกลายเป็นข้อเสียในฤดูร้อนเพื่อพิจารณาถึงการเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาล นักวิจัยยังได้รวมหลังคาเข้ากับแบบจำลองอาคารด้วยการออกแบบนี้ปิดกั้นแสงแดดโดยตรงที่ทำให้สภาพแวดล้อมร้อนขึ้นในฤดูร้อน ซึ่งช่วยขจัดการถ่ายเทความร้อนที่ไม่ดีและค่าใช้จ่ายในการทำความเย็นที่เกี่ยวข้องเป็นส่วนใหญ่ทีมงานยังคงพัฒนาวิธีการอื่นๆ รวมถึงระบบหน้าต่างแบบไดนามิกเพื่อตอบสนองความต้องการในการทำความร้อนและความเย็นตามฤดูกาล
“ดังที่การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่า ในขั้นตอนของการศึกษานี้ เรายังคงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อนโดยรวมของหน้าต่างกระจกชั้นเดียวให้คล้ายกับหน้าต่างกระจกสองชั้นในฤดูหนาวได้” Wang กล่าว“ผลลัพธ์เหล่านี้ท้าทายโซลูชันแบบดั้งเดิมของเราในการใช้ชั้นหรือฉนวนมากขึ้นในการปรับปรุงหน้าต่างแบบห้องเดี่ยวเพื่อประหยัดพลังงาน”
“เนื่องจากความต้องการจำนวนมากในสต๊อกอาคารสำหรับโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อม เราจึงจำเป็นต้องพัฒนาความรู้ของเราในการสร้างอาคารประหยัดพลังงาน” Sez Atamtürktur Russcher ศาสตราจารย์ Harry และ Arlene Schell และหัวหน้าฝ่ายวิศวกรรมการก่อสร้างกล่าว“ดร.Wang และทีมของเขากำลังทำการวิจัยขั้นพื้นฐานที่สามารถนำไปปฏิบัติได้”
ผู้มีส่วนร่วมในงานนี้ ได้แก่ Enhe Zhang นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาสาขาการออกแบบสถาปัตยกรรม;Qiuhua Duan ผู้ช่วยศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมโยธาที่ University of Alabama สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกสาขาวิศวกรรมสถาปัตยกรรมจาก Pennsylvania State University ในเดือนธันวาคม 2021Yuan Zhao นักวิจัยจาก Advanced NanoTherapies Inc. ซึ่งมีส่วนร่วมในงานนี้ในฐานะนักวิจัยระดับปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลวาเนีย Yangxiao Feng นักศึกษาปริญญาเอกสาขาการออกแบบสถาปัตยกรรมมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติและหน่วยงานอนุรักษ์ทรัพยากรธรรมชาติของ USDA สนับสนุนงานนี้
มีการแสดงการบังหน้าต่าง (โมเลกุลระยะใกล้) เพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนจากแสงแดดภายนอก (ลูกศรสีส้ม) ไปยังภายในอาคารโดยที่ยังคงส่งผ่านแสงได้เพียงพอ (ลูกศรสีเหลือง)ที่มา: รูปภาพเอื้อเฟื้อโดย Julian Wangสงวนลิขสิทธิ์.