Pennsylvanian osavaltion yliopiston tutkijaryhmä tutki yksikerroksisen ikkunapäällysteen tehokkuutta, joka voi parantaa energiansäästöä talvella.Luotto: iStock/@Svetl.Kaikki oikeudet pidätetään.
UNIVERSITY PARK, Pennsylvania — Eristävällä ilmakerroksella kerrostetut kaksoisikkunat voivat tarjota enemmän energiatehokkuutta kuin yksiruutuiset ikkunat, mutta olemassa olevien yksiruutuisten ikkunoiden vaihtaminen voi olla kallista tai teknisesti haastavaa.Taloudellisempi, mutta vähemmän tehokas vaihtoehto on peittää yksikammioiset ikkunat läpikuultavalla metallikalvolla, joka imee talvella osan auringon lämmöstä vaarantamatta lasin läpinäkyvyyttä.Päällystyksen tehokkuuden parantamiseksi Pennsylvanian tutkijat sanovat, että nanoteknologia voi auttaa nostamaan lämpösuorituskyvyn kaksinkertaisten ikkunoiden tasolle talvella.
Pennsylvanian arkkitehtitekniikan laitoksen tiimi tutki nanomittakaavan komponentteja sisältävien pinnoitteiden energiaa säästäviä ominaisuuksia, jotka vähentävät lämpöhäviötä ja absorboivat lämpöä paremmin.He saivat myös valmiiksi ensimmäisen kattavan analyysin rakennusmateriaalien energiatehokkuudesta.Tutkijat julkaisivat havaintonsa Energy Conversion and Management -lehdessä.
Arkkitehtitekniikan apulaisprofessori Julian Wangin mukaan lähi-infrapunavalo - se osa auringonvalosta, jota ihmiset eivät näe, mutta voivat tuntea lämpöä - voi aktivoida tiettyjen metallinanohiukkasten ainutlaatuisen fototermisen vaikutuksen, mikä lisää lämmön virtausta sisäänpäin.ikkunan läpi.
"Olemme kiinnostuneita ymmärtämään, kuinka nämä vaikutukset voivat parantaa rakennusten energiatehokkuutta, etenkin talvella", sanoi Wang, joka työskentelee myös Pennsylvanian taide- ja arkkitehtuurikoulun arkkitehtuurin ja materiaalien instituutissa.
Ryhmä kehitti ensin mallin arvioidakseen, kuinka paljon auringonvalon lämpöä heijastuisi, imeytyisi tai välittyisi metallinanohiukkasilla päällystettyjen ikkunoiden läpi.He valitsivat fototermisen yhdisteen, koska se kykenee absorboimaan lähi-infrapuna-auringonvaloa ja silti tarjoamaan riittävän näkyvän valon läpäisyn.Malli ennustaa, että pinnoite heijastaa vähemmän lähi-infrapunavaloa tai lämpöä ja imee enemmän ikkunan läpi kuin useimmat muut pinnoitteet.
Tutkijat testasivat nanohiukkasilla päällystettyjä yksiruutuisia lasi-ikkunoita simuloidussa auringonvalossa laboratoriossa, mikä vahvisti simulaatioennusteita.Nanohiukkaspinnoitetun ikkunan toisella puolella lämpötila nousi merkittävästi, mikä viittaa siihen, että pinnoite voi imeä lämpöä auringonvalosta sisältä kompensoidakseen sisäistä lämpöhäviötä yksiruutuisten ikkunoiden kautta.
Tämän jälkeen tutkijat syöttivät tietonsa suuriin simulaatioihin analysoidakseen rakennuksen energiansäästöä erilaisissa ilmasto-olosuhteissa.Verrattuna kaupallisesti saatavien yksittäisten ikkunoiden alhaisen emissiokyvyn pinnoitteisiin, fototermiset pinnoitteet absorboivat suurimman osan lähi-infrapunaspektrin valosta, kun taas perinteisesti pinnoitetut ikkunat heijastavat sitä ulospäin.Tämä lähi-infrapuna-absorptio johtaa noin 12-20 prosenttia pienempään lämpöhäviöön kuin muilla pinnoitteilla, ja rakennuksen kokonaisenergiansäästöpotentiaali on noin 20 prosenttia verrattuna pinnoittamattomiin rakennuksiin yksiruutuisissa ikkunoissa.
Wang kuitenkin sanoi, että parempi lämmönjohtavuus, etu talvella, tulee haitaksi lämpimänä vuodenaikana.Vuodenaikojen vaihteluiden huomioon ottamiseksi tutkijat sisällyttivät myös katokset rakennusmalleihinsa.Tämä rakenne estää suoremman auringonvalon, joka lämmittää ympäristöä kesällä, mikä eliminoi suurelta osin huonon lämmönsiirron ja siihen liittyvät jäähdytyskustannukset.Tiimi työstää edelleen muita menetelmiä, mukaan lukien dynaamiset ikkunajärjestelmät kausittaisten lämmitys- ja jäähdytystarpeiden täyttämiseksi.
"Kuten tämä tutkimus osoittaa, voimme vielä tässä vaiheessa parantaa yksilasi-ikkunoiden yleistä lämpösuorituskykyä vastaamaan kaksinkertaisia ​​ikkunoita talvella", Wang sanoi."Nämä tulokset haastavat perinteiset ratkaisumme käyttää enemmän kerroksia tai eristystä yksikammioisten ikkunoiden jälkiasentamiseksi energian säästämiseksi."
"Koska rakennuskannassa on valtava kysyntä energiainfrastruktuurille ja ympäristölle, on välttämätöntä, että kehitämme tietämystämme energiatehokkaiden rakennusten luomiseksi", sanoi Sez Atamtürktur Russcher, professori Harry ja Arlene Schell sekä rakennustekniikan johtaja."DR.Wang ja hänen tiiminsä tekevät toimivaa perustutkimusta.
Muita tähän työhön osallistuneita ovat Enhe Zhang, arkkitehtisuunnittelun jatko-opiskelija;Qiuhua Duan, rakennustekniikan apulaisprofessori Alabaman yliopistosta, sai tohtorintutkintonsa arkkitehtitekniikasta Pennsylvania State Universitystä joulukuussa 2021;Yuan Zhao, Advanced NanoTherapies Inc:n tutkija, joka osallistui tähän työhön PhD-tutkijana Pennsylvanian osavaltion yliopistossa Yangxiao Fengissä, arkkitehtisuunnittelun tohtoriopiskelija.National Science Foundation ja USDA Natural Resources Conservation Service tukivat tätä työtä.
Ikkunoiden päällysteiden (lähikuvausmolekyylit) on osoitettu tehostavan lämmön siirtymistä ulkona auringonvalosta (oranssit nuolet) rakennuksen sisäosaan, mutta silti riittävän valonläpäisy (keltaiset nuolet).Lähde: Kuva: Julian Wang.Kaikki oikeudet pidätetään.