Grupa naukowców z Pennsylvania State University zbadała skuteczność jednowarstwowych osłon okiennych, które mogą zwiększyć oszczędność energii w zimie.Źródło: iStock/@Svetl.Wszelkie prawa zastrzeżone.
UNIVERSITY PARK, Pensylwania — Okna z podwójnymi szybami i warstwą izolującego powietrza mogą zapewnić większą efektywność energetyczną niż okna z pojedynczą szybą, ale wymiana istniejących okien z pojedynczą szybą może być kosztowna lub trudna technicznie.Bardziej ekonomiczną, ale mniej efektywną opcją jest oklejenie okien jednokomorowych półprzezroczystą folią metalową, która zimą pochłania część ciepła słonecznego, nie pogarszając przezroczystości szyby.Naukowcy z Pensylwanii twierdzą, że nanotechnologia może pomóc w poprawie wydajności powłoki w zimie dorównującej parametrom cieplnym okien z podwójnymi szybami.
Zespół z Wydziału Inżynierii Architektonicznej Pensylwanii zbadał właściwości oszczędzania energii powłok zawierających składniki w skali nano, które zmniejszają straty ciepła i lepiej pochłaniają ciepło.Zakończyli także pierwszą kompleksową analizę efektywności energetycznej materiałów budowlanych.Naukowcy opublikowali swoje odkrycia w Energy Conversion and Management.
Według Juliana Wanga, profesora inżynierii architektonicznej, światło bliskiej podczerwieni – część światła słonecznego, której ludzie nie widzą, ale odczuwają ciepło – może aktywować unikalny efekt fototermiczny niektórych nanocząstek metali, zwiększając przepływ ciepła do wewnątrz.przez okno.
„Chcemy zrozumieć, w jaki sposób te efekty mogą poprawić efektywność energetyczną budynków, zwłaszcza zimą” – powiedział Wang, który pracuje również w Instytucie Architektury i Materiałów w Pennsylvania School of Art and Architecture.
Zespół opracował najpierw model pozwalający oszacować, ile ciepła pochodzącego ze światła słonecznego zostanie odbite, pochłonięte lub przepuszczone przez okna pokryte nanocząsteczkami metalu.Wybrali związek fototermiczny ze względu na jego zdolność do pochłaniania światła słonecznego w bliskiej podczerwieni, a jednocześnie zapewnia wystarczającą transmisję światła widzialnego.Model przewiduje, że powłoka odbija mniej światła i ciepła w bliskiej podczerwieni i pochłania więcej przez okno niż większość innych typów powłok.
Naukowcy przetestowali w laboratorium pojedyncze szyby pokryte nanocząsteczkami w symulowanym świetle słonecznym, potwierdzając przewidywania symulacyjne.Temperatura po jednej stronie okna pokrytego nanocząsteczkami znacznie wzrosła, co sugeruje, że powłoka może pochłaniać ciepło pochodzące od światła słonecznego od wewnątrz, kompensując wewnętrzne straty ciepła przez okna z pojedynczą szybą.
Następnie naukowcy wykorzystali swoje dane do wielkoskalowych symulacji, aby przeanalizować oszczędności energii w budynku w różnych warunkach klimatycznych.W porównaniu z powłokami o niskiej emisyjności dostępnych na rynku pojedynczych okien, powłoki fototermiczne pochłaniają większość światła w widmie bliskiej podczerwieni, podczas gdy tradycyjnie powlekane okna odbijają je na zewnątrz.Ta absorpcja bliskiej podczerwieni powoduje utratę ciepła o około 12 do 20 procent mniejszą w porównaniu z innymi powłokami, a ogólny potencjał oszczędności energii w budynku sięga około 20 procent w porównaniu z budynkami niepowlekanymi, w których zastosowano okna jednoszybowe.
Jednak Wang stwierdził, że lepsza przewodność cieplna, zaleta zimą, staje się wadą w ciepłym sezonie.Aby uwzględnić zmiany sezonowe, badacze włączyli także zadaszenia do swoich modeli budynków.Taka konstrukcja blokuje bardziej bezpośrednie światło słoneczne, które latem nagrzewa otoczenie, w dużym stopniu eliminując słabą wymianę ciepła i wszelkie związane z tym koszty chłodzenia.Zespół nadal pracuje nad innymi metodami, w tym nad dynamicznymi systemami okiennymi, które zaspokoją sezonowe potrzeby w zakresie ogrzewania i chłodzenia.
„Jak pokazuje to badanie, na tym etapie nadal możemy poprawić ogólną wydajność cieplną okien z pojedynczymi szybami, tak aby zimą były podobne do okien z podwójnymi szybami” – powiedział Wang.„Wyniki te podważają nasze tradycyjne rozwiązania polegające na stosowaniu większej liczby warstw lub izolacji w celu modernizacji okien jednokomorowych w celu oszczędzania energii”.
„Biorąc pod uwagę ogromne zapotrzebowanie na zasoby budowlane w zakresie infrastruktury energetycznej, a także środowiska, konieczne jest poszerzanie naszej wiedzy w celu tworzenia budynków energooszczędnych” – powiedział Sez Atamtürktur Russcher, profesor Harry i Arlene Schell oraz dyrektor ds. inżynierii budowlanej."Dr.Wang i jego zespół prowadzą praktyczne badania podstawowe”.
Inni współautorzy tej pracy to Enhe Zhang, absolwentka projektowania architektonicznego;Qiuhua Duan, adiunkt inżynierii lądowej na Uniwersytecie Alabama, uzyskała stopień doktora inżynierii architektonicznej na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii w grudniu 2021 r.;Yuan Zhao, badacz w Advanced NanoTherapies Inc., który przyczynił się do powstania tej pracy jako doktorant na Pennsylvania State University, Yangxiao Feng, doktorant w dziedzinie projektowania architektonicznego.Prace te wsparły Narodowa Fundacja Nauki i Służba Ochrony Zasobów Naturalnych USDA.
Wykazano, że zasłony okienne (cząsteczki znajdujące się w pobliżu) zwiększają przenoszenie ciepła ze światła słonecznego z zewnątrz (pomarańczowe strzałki) do wnętrza budynku, jednocześnie zapewniając wystarczającą transmisję światła (żółte strzałki).Źródło: Zdjęcie dzięki uprzejmości Juliana Wanga.Wszelkie prawa zastrzeżone.