گروهی از محققان در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا اثر بخشی یک پوشش پنجره تک لایه را بررسی کردند که می تواند صرفه جویی در مصرف انرژی در زمستان را بهبود بخشد.اعتبار: iStock/@Svetl.تمامی حقوق محفوظ است.
پارک دانشگاه، پنسیلوانیا - پنجره‌های دوجداره که با لایه‌ای از هوای عایق قرار گرفته‌اند، می‌توانند بازده انرژی بیشتری نسبت به پنجره‌های تک جداره ارائه دهند، اما تعویض پنجره‌های تک جداره موجود می‌تواند پرهزینه یا از نظر فنی چالش برانگیز باشد.یک گزینه اقتصادی تر، اما کمتر موثر، پوشاندن پنجره های تک محفظه با یک لایه فلزی نیمه شفاف است که مقداری از گرمای خورشید را در زمستان بدون به خطر انداختن شفافیت شیشه جذب می کند.محققان پنسیلوانیا برای بهبود کارایی پوشش می‌گویند که فناوری نانو می‌تواند به افزایش عملکرد حرارتی با پنجره‌های دو جداره در زمستان کمک کند.
تیمی از دپارتمان مهندسی معماری پنسیلوانیا خواص صرفه جویی در انرژی پوشش‌های حاوی اجزای نانومقیاس را بررسی کردند که اتلاف گرما را کاهش داده و گرما را بهتر جذب می‌کنند.آنها همچنین اولین تحلیل جامع راندمان انرژی مصالح ساختمانی را تکمیل کردند.محققان یافته های خود را در تبدیل انرژی و مدیریت منتشر کردند.
به گفته جولیان وانگ، دانشیار مهندسی معماری، نور مادون قرمز نزدیک - بخشی از نور خورشید که انسان نمی تواند آن را ببیند اما می تواند گرما را احساس کند - می تواند اثر فتوترمال منحصر به فرد نانوذرات فلزی خاص را فعال کند و جریان گرما را به داخل افزایش دهد.از راه پنجره.
وانگ، که همچنین در موسسه معماری و مواد در دانشکده هنر و معماری پنسیلوانیا کار می کند، گفت: "ما علاقه مند به درک این موضوع هستیم که چگونه این اثرات می توانند کارایی انرژی ساختمان ها را به ویژه در زمستان بهبود بخشند."
این تیم ابتدا مدلی را برای تخمین مقدار گرمای نور خورشید که از طریق پنجره های پوشیده شده با نانوذرات فلزی منعکس، جذب یا منتقل می شود، توسعه دادند.آنها یک ترکیب فتوترمال را به دلیل توانایی آن در جذب نور خورشید نزدیک به مادون قرمز و در عین حال انتقال نور مرئی کافی انتخاب کردند.این مدل پیش‌بینی می‌کند که پوشش، نور یا گرما نزدیک مادون قرمز را کمتر منعکس می‌کند و بیشتر از سایر انواع پوشش‌ها از طریق پنجره جذب می‌شود.
محققان پنجره های شیشه ای تک جداره پوشیده شده با نانوذرات را در زیر نور خورشید شبیه سازی شده در آزمایشگاه آزمایش کردند و پیش بینی های شبیه سازی را تایید کردند.دمای یک طرف پنجره پوشش داده شده با نانوذرات به طور قابل توجهی افزایش یافته است که نشان می دهد این پوشش می تواند گرمای نور خورشید را از داخل جذب کند تا اتلاف حرارت داخلی را از طریق پنجره های تک جداره جبران کند.
سپس محققان داده‌های خود را به شبیه‌سازی‌های مقیاس بزرگ برای تجزیه و تحلیل صرفه‌جویی در انرژی ساختمان تحت شرایط مختلف آب و هوایی وارد کردند.در مقایسه با پوشش‌های گسیل‌پذیر پایین پنجره‌های تک تجاری موجود، پوشش‌های فتوترمال بیشتر نور را در طیف نزدیک به مادون قرمز جذب می‌کنند، در حالی که پنجره‌های با پوشش سنتی آن را به بیرون منعکس می‌کنند.این جذب نزدیک به مادون قرمز باعث اتلاف حرارتی حدود 12 تا 20 درصد کمتر از سایر پوشش ها می شود و پتانسیل کلی صرفه جویی در انرژی ساختمان در مقایسه با ساختمان های بدون پوشش روی پنجره های تک جداره به حدود 20 درصد می رسد.
با این حال، وانگ گفت که هدایت حرارتی بهتر، یک مزیت در زمستان، در فصل گرم به یک نقطه ضعف تبدیل می شود.برای در نظر گرفتن تغییرات فصلی، محققان سایبان‌هایی را نیز در مدل‌های ساختمان خود وارد کردند.این طراحی مانع از تابش مستقیم نور خورشید می شود که محیط را در تابستان گرم می کند و تا حد زیادی از انتقال حرارت ضعیف و هرگونه هزینه های خنک کننده مرتبط حذف می شود.این تیم هنوز روی روش‌های دیگری کار می‌کند، از جمله سیستم‌های پنجره پویا برای رفع نیازهای فصلی گرمایش و سرمایش.
وانگ گفت: «همانطور که این مطالعه نشان می‌دهد، در این مرحله از مطالعه، ما همچنان می‌توانیم عملکرد حرارتی کلی پنجره‌های تک جداره را بهبود بخشیم تا شبیه پنجره‌های دوجداره در زمستان باشد.»«این نتایج راه‌حل‌های سنتی ما در استفاده از لایه‌ها یا عایق‌های بیشتر برای مقاوم‌سازی پنجره‌های تک محفظه برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی را به چالش می‌کشد.»
Sez Atamtürktur Russcher، پروفسور هری و آرلین شل و رئیس مهندسی ساخت و ساز، گفت: "با توجه به تقاضای عظیم در انبار ساختمان برای زیرساخت های انرژی و همچنین محیط زیست، ضروری است که دانش خود را برای ایجاد ساختمان های کارآمد در انرژی ارتقا دهیم.""دکتر.وانگ و تیمش در حال انجام تحقیقات اساسی عملی هستند.
دیگر مشارکت کنندگان در این کار عبارتند از Enhe Zhang، یک دانشجوی کارشناسی ارشد در طراحی معماری.Qiuhua Duan، استادیار مهندسی عمران در دانشگاه آلاباما، دکترای خود را در مهندسی معماری از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا در دسامبر 2021 دریافت کرد.Yuan Zhao، محقق در Advanced NanoTherapies Inc.، که به عنوان محقق دکترا در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، Yangxiao Feng، دانشجوی دکترا در طراحی معماری به این کار کمک کرد.بنیاد ملی علوم و خدمات حفاظت از منابع طبیعی USDA از این کار حمایت کردند.
نشان داده شده است که پوشش های پنجره (مولکول های نمای نزدیک) انتقال گرما از نور خورشید در فضای باز (فلش های نارنجی) به داخل ساختمان را افزایش می دهند و در عین حال انتقال نور کافی را فراهم می کنند (فلش های زرد).منبع: تصویر از جولیان وانگ.تمامی حقوق محفوظ است.