Група дослідників з Університету штату Пенсільванія досліджувала ефективність одношарового віконного покриття, яке може покращити економію енергії взимку.Авторство: iStock/@Svetl.Всі права захищені.
УНІВЕРСІТІ ПАРК, Пенсильванія. Подвійні склопакети, закріплені шаром ізоляційного повітря, можуть забезпечити більшу енергоефективність, ніж вікна з односклом, але заміна існуючих вікон з одним склом може бути дорогою або технічно складною.Більш економний, але менш ефективний варіант – обклеїти однокамерні вікна світлопрозорою металевою плівкою, яка взимку поглинає частину сонячного тепла без шкоди для прозорості скла.Дослідники з Пенсільванії кажуть, що для покращення ефективності покриття нанотехнології можуть допомогти підвищити теплові показники до рівня подвійних склопакетів взимку.
Команда з Департаменту архітектурного проектування Пенсільванії дослідила енергозберігаючі властивості покриттів, що містять нанорозмірні компоненти, які зменшують втрати тепла та краще поглинають тепло.Вони також завершили перший комплексний аналіз енергоефективності будівельних матеріалів.Дослідники опублікували свої висновки в Energy Conversion and Management.
За словами Джуліана Ванга, доцента архітектурної інженерії, ближнє інфрачервоне світло — частина сонячного світла, яку люди не бачать, але відчувають тепло — може активувати унікальний фототермічний ефект певних металевих наночастинок, збільшуючи потік тепла всередину.через вікно.
«Ми зацікавлені в тому, щоб зрозуміти, як ці ефекти можуть підвищити енергоефективність будівель, особливо взимку», — сказав Ван, який також працює в Інституті архітектури та матеріалів у Школі мистецтва та архітектури Пенсільванії.
Команда спочатку розробила модель, щоб оцінити, скільки тепла від сонячного світла буде відображено, поглинено або передано через вікна, покриті металевими наночастинками.Вони обрали фототермічну суміш через її здатність поглинати сонячне світло в ближньому інфрачервоному діапазоні, забезпечуючи достатню пропускну здатність видимого світла.Модель передбачає, що покриття менше відбиває ближнє інфрачервоне світло або тепло і поглинає більше через вікно, ніж більшість інших типів покриттів.
Дослідники випробували однокамерні скляні вікна, вкриті наночастинками, під імітацією сонячного світла в лабораторії, підтверджуючи прогнози моделювання.Температура з одного боку вікна, покритого наночастинками, значно підвищилася, що свідчить про те, що покриття може поглинати тепло від сонячного світла зсередини, щоб компенсувати внутрішні втрати тепла через вікна з одним склопакетом.
Потім дослідники використали свої дані для масштабного моделювання, щоб проаналізувати енергозбереження будівлі за різних кліматичних умов.У порівнянні з покриттями з низьким коефіцієнтом випромінювання комерційно доступних одинарних вікон, фототермічні покриття поглинають більшу частину світла в ближньому інфрачервоному спектрі, тоді як вікна з традиційним покриттям відбивають його назовні.Це поглинання в ближньому інфрачервоному діапазоні призводить до приблизно на 12-20 відсотків менших втрат тепла порівняно з іншими покриттями, а загальний потенціал енергозбереження будівлі досягає приблизно 20 відсотків порівняно з будівлями без покриття з однокамерними вікнами.
Однак Ван сказав, що краща теплопровідність, яка є перевагою взимку, стає недоліком у теплу пору року.Щоб врахувати сезонні зміни, дослідники також включили навіси у свої моделі будівель.Ця конструкція блокує більше прямого сонячного світла, яке нагріває навколишнє середовище влітку, значною мірою усуваючи погану теплопередачу та будь-які пов’язані з цим витрати на охолодження.Команда все ще працює над іншими методами, включаючи динамічні віконні системи для задоволення сезонних потреб в опаленні та охолодженні.
«Як показує це дослідження, на даному етапі дослідження ми все ще можемо покращити загальні теплові характеристики вікон з одинарним склопакетом, щоб бути подібними до вікон з подвійним склопакетом взимку», — сказав Ван.«Ці результати кидають виклик нашим традиційним рішенням використання більшої кількості шарів або ізоляції для модернізації однокамерних вікон для економії енергії».
«Враховуючи величезний попит на будівельний фонд енергетичної інфраструктури, а також навколишнє середовище, нам вкрай важливо розвивати наші знання для створення енергоефективних будівель», — сказав Sez Atamtürktur Russcher, професор Гаррі та Арлін Шелл та керівник відділу будівельної техніки."Доктор.Ван і його команда проводять практичні фундаментальні дослідження».
Інші учасники цієї роботи включають Еньхе Чжана, аспіранта з архітектурного дизайну;Цюхуа Дуань, доцент кафедри цивільного будівництва в Університеті Алабами, отримала ступінь доктора філософії з архітектурної інженерії в Університеті штату Пенсільванія в грудні 2021 року;Юань Чжао, дослідник Advanced NanoTherapies Inc., який брав участь у цій роботі як доктор наук в Університеті штату Пенсільванія, Янсяо Фен, аспірант з архітектурного дизайну.Національний науковий фонд і Служба охорони природних ресурсів USDA підтримали цю роботу.
Було показано, що віконні покриття (молекули крупним планом) покращують передачу тепла від зовнішнього сонячного світла (помаранчеві стрілки) до внутрішньої частини будівлі, забезпечуючи достатню пропускну здатність світла (жовті стрілки).Джерело: зображення надано Джуліаном Вангом.Всі права захищені.