Μια ομάδα ερευνητών στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια ερεύνησε την αποτελεσματικότητα ενός καλύμματος παραθύρου μονής στρώσης που μπορεί να βελτιώσει την εξοικονόμηση ενέργειας το χειμώνα.Πίστωση: iStock/@Svetl.Ολα τα δικαιώματα διατηρούνται.
UNIVERSITY PARK, Πενσυλβάνια — Τα παράθυρα με διπλά τζάμια με ένα στρώμα μονωτικού αέρα μπορούν να παρέχουν μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση από τα παράθυρα με ένα τζάμι, αλλά η αντικατάσταση των υπαρχόντων μονού υαλοπινάκων μπορεί να είναι δαπανηρή ή τεχνικά δύσκολη.Μια πιο οικονομική, αλλά λιγότερο αποτελεσματική επιλογή είναι να καλύψετε τα παράθυρα ενός θαλάμου με μια ημιδιαφανή μεταλλική μεμβράνη, η οποία απορροφά μέρος της θερμότητας του ήλιου το χειμώνα χωρίς να διακυβεύεται η διαφάνεια του γυαλιού.Για να βελτιωθεί η απόδοση της επίστρωσης, οι ερευνητές της Πενσυλβάνια λένε ότι η νανοτεχνολογία μπορεί να βοηθήσει να φέρει τη θερμική απόδοση στο ίδιο επίπεδο με τα παράθυρα με διπλά τζάμια το χειμώνα.
Μια ομάδα από το Τμήμα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών της Πενσυλβάνια ερεύνησε τις ιδιότητες εξοικονόμησης ενέργειας των επιστρώσεων που περιέχουν συστατικά νανοκλίμακας που μειώνουν την απώλεια θερμότητας και απορροφούν καλύτερα τη θερμότητα.Ολοκλήρωσαν επίσης την πρώτη ολοκληρωμένη ανάλυση της ενεργειακής απόδοσης των δομικών υλικών.Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο Energy Conversion and Management.
Σύμφωνα με τον Julian Wang, αναπληρωτή καθηγητή Αρχιτεκτονικής Μηχανικής, το εγγύς υπέρυθρο φως - το μέρος του ηλιακού φωτός που οι άνθρωποι δεν μπορούν να δουν αλλά μπορούν να αισθανθούν θερμότητα - μπορεί να ενεργοποιήσει τη μοναδική φωτοθερμική επίδραση ορισμένων μεταλλικών νανοσωματιδίων, αυξάνοντας τη ροή θερμότητας προς τα μέσα.μέσα από το παράθυρο.
«Μας ενδιαφέρει να κατανοήσουμε πώς αυτά τα αποτελέσματα μπορούν να βελτιώσουν την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων, ειδικά το χειμώνα», δήλωσε ο Wang, ο οποίος εργάζεται επίσης στο Ινστιτούτο Αρχιτεκτονικής και Υλικών στη Σχολή Τέχνης και Αρχιτεκτονικής της Πενσυλβάνια.
Η ομάδα ανέπτυξε αρχικά ένα μοντέλο για να εκτιμήσει πόση θερμότητα από το ηλιακό φως θα αντανακλάται, απορροφάται ή μεταδίδεται μέσω παραθύρων επικαλυμμένων με μεταλλικά νανοσωματίδια.Επέλεξαν μια φωτοθερμική ένωση λόγω της ικανότητάς της να απορροφά το ηλιακό φως κοντά στο υπέρυθρο, ενώ εξακολουθεί να παρέχει επαρκή μετάδοση ορατού φωτός.Το μοντέλο προβλέπει ότι η επίστρωση αντανακλά λιγότερο κοντά στο υπέρυθρο φως ή θερμότητα και απορροφά περισσότερο από το παράθυρο από τους περισσότερους άλλους τύπους επιστρώσεων.
Οι ερευνητές δοκίμασαν γυάλινα παράθυρα με ένα τζάμι επικαλυμμένα με νανοσωματίδια υπό προσομοίωση ηλιακού φωτός σε ένα εργαστήριο, επιβεβαιώνοντας τις προβλέψεις προσομοίωσης.Η θερμοκρασία στη μία πλευρά του παραθύρου με επίστρωση νανοσωματιδίων αυξήθηκε σημαντικά, υποδηλώνοντας ότι η επίστρωση μπορεί να απορροφήσει θερμότητα από το ηλιακό φως από μέσα για να αντισταθμίσει την εσωτερική απώλεια θερμότητας μέσω των παραθύρων με ένα τζάμι.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές τροφοδότησαν τα δεδομένα τους σε προσομοιώσεις μεγάλης κλίμακας για να αναλύσουν την εξοικονόμηση ενέργειας του κτιρίου υπό διάφορες κλιματικές συνθήκες.Σε σύγκριση με τις επιστρώσεις χαμηλής εκπομπής των εμπορικά διαθέσιμων μεμονωμένων παραθύρων, οι φωτοθερμικές επικαλύψεις απορροφούν το μεγαλύτερο μέρος του φωτός στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα, ενώ τα παράθυρα με παραδοσιακή επίστρωση το αντανακλούν προς τα έξω.Αυτή η σχεδόν υπέρυθρη απορρόφηση έχει ως αποτέλεσμα περίπου 12 έως 20 τοις εκατό λιγότερη απώλεια θερμότητας από άλλες επιστρώσεις και το συνολικό δυναμικό εξοικονόμησης ενέργειας του κτιρίου φτάνει περίπου το 20 τοις εκατό σε σύγκριση με τα κτίρια χωρίς επίστρωση σε παράθυρα με ένα τζάμι.
Ωστόσο, ο Wang είπε ότι η καλύτερη θερμική αγωγιμότητα, ένα πλεονέκτημα το χειμώνα, γίνεται μειονέκτημα στη ζεστή εποχή.Για να λάβουν υπόψη τις εποχιακές αλλαγές, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν επίσης στέγαστρα στα μοντέλα κτιρίων τους.Αυτός ο σχεδιασμός εμποδίζει το πιο άμεσο ηλιακό φως που θερμαίνει το περιβάλλον το καλοκαίρι, εξαλείφοντας σε μεγάλο βαθμό την κακή μεταφορά θερμότητας και τυχόν σχετικό κόστος ψύξης.Η ομάδα εξακολουθεί να εργάζεται σε άλλες μεθόδους, συμπεριλαμβανομένων των δυναμικών συστημάτων παραθύρων για την κάλυψη των εποχικών αναγκών θέρμανσης και ψύξης.
«Όπως δείχνει αυτή η μελέτη, σε αυτό το στάδιο της μελέτης, μπορούμε ακόμα να βελτιώσουμε τη συνολική θερμική απόδοση των μονού υαλοπινάκων για να είναι παρόμοια με τα παράθυρα με διπλά τζάμια το χειμώνα», είπε ο Wang.«Αυτά τα αποτελέσματα αμφισβητούν τις παραδοσιακές μας λύσεις για τη χρήση περισσότερων στρωμάτων ή μόνωσης για την εκ των υστέρων τοποθέτηση παραθύρων ενός θαλάμου για εξοικονόμηση ενέργειας».
«Δεδομένης της τεράστιας ζήτησης στο κτιριακό απόθεμα για ενεργειακή υποδομή καθώς και για το περιβάλλον, είναι επιτακτική ανάγκη να προωθήσουμε τις γνώσεις μας για να δημιουργήσουμε ενεργειακά αποδοτικά κτίρια», δήλωσε ο Sez Atamtürktur Russcher, καθηγητής Harry and Arlene Schell και Επικεφαλής Μηχανικών Κατασκευών.«Ο Δρ.Ο Γουάνγκ και η ομάδα του κάνουν βασική έρευνα που μπορεί να γίνει πράξη».
Άλλοι συνεισφέροντες σε αυτό το έργο είναι ο Enhe Zhang, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής στο αρχιτεκτονικό σχέδιο.Η Qiuhua Duan, Επίκουρη Καθηγήτρια Πολιτικών Μηχανικών στο Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα, έλαβε το διδακτορικό της στην Αρχιτεκτονική Μηχανική από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια τον Δεκέμβριο του 2021.Yuan Zhao, ερευνητής στην Advanced NanoTherapies Inc., ο οποίος συνέβαλε στην εργασία αυτή ως διδάκτορας ερευνητής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, Yangxiao Feng, φοιτητής διδακτορικού στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό.Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και η Υπηρεσία Διατήρησης Φυσικών Πόρων του USDA υποστήριξαν αυτό το έργο.
Τα καλύμματα παραθύρων (μόρια από κοντά) έχει αποδειχθεί ότι ενισχύουν τη μεταφορά θερμότητας από το εξωτερικό ηλιακό φως (πορτοκαλί βέλη) στο εσωτερικό ενός κτιρίου, ενώ εξακολουθούν να παρέχουν επαρκή μετάδοση φωτός (κίτρινα βέλη).Πηγή: Εικόνα ευγενική προσφορά του Julian Wang.Ολα τα δικαιώματα διατηρούνται.