En gruppe forskere ved Pennsylvania State University undersøgte effektiviteten af ​​en enkeltlags vinduesdækning, der kan forbedre energibesparelser om vinteren.Kredit: iStock/@Svetl.Alle rettigheder forbeholdes.
UNIVERSITY PARK, Pennsylvania - Termoruder klemt ind med et lag isolerende luft kan give større energieffektivitet end enkeltrude vinduer, men udskiftning af eksisterende enkeltrude vinduer kan være dyrt eller teknisk udfordrende.En mere økonomisk, men mindre effektiv mulighed er at dække enkeltkammervinduer med en gennemskinnelig metalfilm, som absorberer noget af solens varme om vinteren uden at gå på kompromis med glassets gennemsigtighed.For at forbedre belægningseffektiviteten siger forskere fra Pennsylvania, at nanoteknologi kan hjælpe med at bringe termisk ydeevne op på niveau med termoruder om vinteren.
Et hold fra Pennsylvania Department of Architectural Engineering undersøgte de energibesparende egenskaber ved belægninger, der indeholder komponenter i nanoskala, som reducerer varmetab og bedre absorberer varme.De gennemførte også den første omfattende analyse af byggematerialers energieffektivitet.Forskerne offentliggjorde deres resultater i Energy Conversion and Management.
Ifølge Julian Wang, en lektor i arkitektonisk teknik, kan nær-infrarødt lys - den del af sollys, som mennesker ikke kan se, men kan mærke varme - aktivere den unikke fototermiske effekt af visse metalnanopartikler, hvilket øger varmestrømmen indad.gennem vinduet.
"Vi er interesserede i at forstå, hvordan disse effekter kan forbedre bygningers energieffektivitet, især om vinteren," sagde Wang, som også arbejder på Institute of Architecture and Materials ved Pennsylvania School of Art and Architecture.
Holdet udviklede først en model til at estimere, hvor meget varme fra sollys, der ville blive reflekteret, absorberet eller transmitteret gennem vinduer belagt med metalnanopartikler.De valgte en fototermisk forbindelse på grund af dens evne til at absorbere nær-infrarødt sollys, mens de stadig giver tilstrækkelig synlig lystransmission.Modellen forudsiger, at belægningen reflekterer mindre nær infrarødt lys eller varme og absorberer mere gennem vinduet end de fleste andre typer belægninger.
Forskerne testede enkeltrude glasvinduer belagt med nanopartikler under simuleret sollys i et laboratorium, hvilket bekræfter simuleringsforudsigelser.Temperaturen på den ene side af det nanopartikelbelagte vindue steg markant, hvilket tyder på, at belægningen kan absorbere varme fra sollys indefra for at kompensere for internt varmetab gennem enkeltrude vinduer.
Forskerne fodrede derefter deres data ind i storskala-simuleringer for at analysere bygningens energibesparelser under forskellige klimaforhold.Sammenlignet med lavemissionsbelægningerne fra kommercielt tilgængelige enkeltvinduer absorberer fototermiske belægninger det meste af lyset i det nær-infrarøde spektrum, mens traditionelt belagte vinduer reflekterer det udad.Denne nær-infrarøde absorption resulterer i omkring 12 til 20 procent mindre varmetab end andre belægninger, og bygningens samlede energibesparelsespotentiale når omkring 20 procent sammenlignet med ubelagte bygninger på enkeltrude vinduer.
Wang sagde dog, at bedre varmeledningsevne, en fordel om vinteren, bliver en ulempe i den varme årstid.For at tage højde for sæsonbestemte ændringer har forskerne også indarbejdet baldakiner i deres bygningsmodeller.Dette design blokerer for det mere direkte sollys, der varmer miljøet op om sommeren, hvilket stort set eliminerer dårlig varmeoverførsel og eventuelle tilknyttede køleomkostninger.Holdet arbejder stadig på andre metoder, herunder dynamiske vinduessystemer for at imødekomme årstidens varme- og kølebehov.
"Som denne undersøgelse viser, kan vi på dette stadium af undersøgelsen stadig forbedre den overordnede termiske ydeevne af enkeltglasvinduer til at ligne termoruder om vinteren," sagde Wang."Disse resultater udfordrer vores traditionelle løsninger med at bruge flere lag eller isolering til at eftermontere enkeltkammervinduer for at spare energi."
"I betragtning af den enorme efterspørgsel i bygningsmassen efter energiinfrastruktur såvel som miljøet, er det bydende nødvendigt, at vi fremmer vores viden for at skabe energieffektive bygninger," sagde Sez Atamtürktur Russcher, professor Harry og Arlene Schell og leder af konstruktionsingeniør."Dr.Wang og hans team laver brugbar grundforskning."
Andre bidragydere til dette arbejde omfatter Enhe Zhang, en kandidatstuderende i arkitektonisk design;Qiuhua Duan, assisterende professor i civilingeniør ved University of Alabama, modtog sin ph.d. i arkitektonisk teknik fra Pennsylvania State University i december 2021;Yuan Zhao, forsker ved Advanced NanoTherapies Inc., der bidrog til dette arbejde som ph.d.-forsker ved Pennsylvania State University, Yangxiao Feng, ph.d.-studerende i arkitektonisk design.National Science Foundation og USDA Natural Resources Conservation Service støttede dette arbejde.
Vinduesbeklædninger (nærbilleder) har vist sig at forbedre overførslen af ​​varme fra udendørs sollys (orange pile) til det indre af en bygning, mens de stadig giver tilstrækkelig lystransmission (gule pile).Kilde: Billede udlånt af Julian Wang.Alle rettigheder forbeholdes.