Оконные панели с гидрогелем для уменьшения энергопотребления здания

Исследователи обратились к воде, которая способна поглощать большое количество тепловой энергии до того, как начать нагреваться сама вследствие явления, обусловленного ее высокой удельной теплоемкостью

Исследователи из Наньянского технологического университета (NTU Singapore) разработали жидкостные оконные панели, способные препятствовать проникновению солнечного излучения и поглощать тепловую энергию, помогая уменьшить энергопотребление здания в течение дня и ночи.

Они поместили жидкость на основе гидрогеля в стеклопакеты, обнаружив, что такой подход снижает до 45% потребление энергии по сравнению с традиционными стеклянными окнами в процессе отопления и вентиляции помещений, а также кондиционирования воздуха. Кроме этого, панели с гидрогелем на 30% эффективнее, чем имеющееся в продаже энергоэффективные стеклопакеты с низким коэффициентом излучения, оставаясь при этом дешевле в производстве.

Окна - ключевой, но наименее энергоэффективный компонент конструкции здания. Из-за интенсивной передачи тепловой энергии через стекло, тепловые потери через окна существенно влияют на расходы, возникающие в процессе отопления и охлаждения зданий. Согласно оценкам ООН, на здания приходится 40 процентов мирового потребления энергии, из которых на окна приходится половина энергозатрат.

Обычные энергосберегающие окна с низким коэффициентом излучения изготавливаются с применением дорогостоящих покрытий, которые препятствуют проникновению инфракрасных и ультрафиолетовых волн внутрь здания или из него. Однако они не влияют на проникновение сквозь себя видимой части спектра солнечного излучения, которая также влияет на нагрев внутреннего пространства помещения.

Для преодоления этих ограничений, исследователи обратились к воде, которая способна поглощать большое количество тепловой энергии до того, как начать нагреваться сама вследствие явления, обусловленного ее высокой удельной теплоемкостью.

Они использовали сочетание гидрогеля, воды и стабилизатора. В ходе экспериментов и моделирования было обнаружено, что полученный материал может эффективно снижать потребление энергии в различных климатических условиях, благодаря своей способности реагировать на изменение температуры.

Благодаря гидрогелю, жидкая смесь под воздействием тепла становится непрозрачной, тем самым блокируя проникновение солнечного света, а при остывании возвращается в исходное «прозрачное» состояние.

«Жидкостное окно» наиболее подходит для применения в офисных зданиях

Высокая теплоемкость воды позволяет накапливать большое количество тепловой энергии, а не передавать ее через стекло внутрь помещения в жаркое дневное время. Поглощенное окном тепло будет постепенно передаваться в окружающую среду ночью.

«Инновационная разработка сочетает в себе уникальные свойства обоих типов материалов - гидрогеля и воды. Благодаря использованию гидрогеля на основе жидкости, окно можно изготовить любой формы и размера».

Исследователи считают, что такие окна лучше всего подходят для использования в офисных зданиях, где люди работают в основном днем.

В качестве доказательства концепции ученые провели испытания полученного изделия на открытом воздухе в жарких (Сингапур, Гуанчжоу) и холодных (Пекин) условиях.

Испытания в Сингапуре показали, что интеллектуальное жидкостное окно обладало более низкой температурой (50 °C) в самое жаркое время дня (полдень) по сравнению с обычным стеклянным окном (84 °C). Испытания в Пекине показали, что комната с «умным» жидкостным окном потребляет на 11 процентов меньше энергии для поддержания той же температуры внутри по сравнению с обычным.

Интеллектуальное окно смещает пик потребления электричества, блокирует шум

Ученые измерили, когда происходит наивысшее значение накопленной тепловой энергии за день. Эта пиковая температура с использованием обычного стеклянного окна приходилась на 12 часов дня, а с использованием жидкости на основе гидрогеля - сдвинута на 14 часов. Если этот сдвиг пикового значения температуры соотнести со сдвигом во времени, в течение которого здание должно потреблять электроэнергию для охлаждения или обогрева здания, то это должно привести к снижению потребления электроэнергии.

Звукоизоляционные испытания показали, что интеллектуальное жидкостное окно снижает уровень шума на 15 процентов эффективнее, чем окна с двойным стеклопакетом.

«Это первый пример демонстрации жидкостного интеллектуальное окна на основе гидрогеля, уводящий далеко от традиционной стеклянной конструкции. Революционные инновации приводят к регулированию потребления солнечной энергии и аккумулированию тепла, создавая выдающиеся энергосберегающие характеристики ограждающих конструкций».

Связанная статья журнала Joule:

https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.09.001

Источник: Nanyang Technological University, Singapore