Исследователи NTU разработали свое «умное окно», поместив жидкость на основе гидрогеля в стеклянные панели, и обнаружили, что это может снизить до 45% энергопотребления в зданиях при моделировании по сравнению с традиционными стеклянными окнами. Кроме того, оно примерно на 30% более энергоэффективно, чем имеющееся в продаже стекло с низким коэффициентом излучения (энергоэффективное), но при этом дешевле в производстве.
«Умное окно» – это первый случай, о котором в научном журнале сообщается об энергосберегающих умных окнах, изготовленных с использованием жидкости, и он поддерживает видение NTU Smart Campus, направленное на разработку технологически передовых решений для устойчивого будущего.
Окна являются ключевым элементом конструкции здания, но они также являются наименее энергоэффективной частью.
Из-за легкости передачи тепла через стекло окна существенно влияют на расходы на отопление и охлаждение здания. Согласно отчету Организации Объединенных Наций за 2009 год, на здания приходится 40 процентов мирового потребления энергии, а на окна приходится половина этого энергопотребления.
Обычные энергосберегающие окна с низким коэффициентом излучения изготавливаются с дорогостоящими покрытиями, которые сокращают проникновение инфракрасного света в здание и из него, что помогает снизить потребность в обогреве и охлаждении. Однако они не регулируют видимый свет, который является основным компонентом солнечного света, вызывающим нагрев зданий.
Чтобы разработать окно для преодоления этих ограничений, исследователи NTU обратились к воде, которая поглощает большое количество тепла, прежде чем начинает нагреваться – явление, известное как высокая удельная теплоемкость.
Они создали смесь микрогидрогеля, воды и стабилизатора и в ходе экспериментов и моделирования обнаружили, что она может эффективно снижать потребление энергии в различных климатических условиях благодаря своей способности реагировать на изменение температуры.
Благодаря гидрогелю жидкая смесь становится непрозрачной под воздействием тепла, таким образом блокируя солнечный свет, а в остывшем состоянии возвращается в исходное «прозрачное» состояние.
«Жидкое окно», наиболее подходящее для офисных зданий
В то же время высокая теплоемкость воды позволяет хранить большое количество тепловой энергии вместо того, чтобы передаваться через стекло в здание в жаркое дневное время. Затем тепло будет постепенно охлаждаться и отпускаться ночью.
Доктор Лонг Йи, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Joule, и старший преподаватель Школы материаловедения и инженерии сказал: «Наша инновация сочетает в себе уникальные свойства обоих типов материалов – гидрогеля и воды. Используя жидкость на основе гидрогеля, мы упрощаем процесс изготовления до заливки смеси между двумя стеклянными панелями.
Это дает окну уникальное преимущество высокой однородности, что означает, что окно может быть создано любой формы и размера."
Благодаря этим особенностям исследовательская группа NTU считает, что их инновация лучше всего подходит для использования в офисных зданиях, где часы работы в основном дневные.
В качестве подтверждения концепции ученые провели испытания на открытом воздухе в жарких (Сингапур, Гуанчжоу) и холодных (Пекин) условиях.
Испытания в Сингапуре показали, что интеллектуальное жидкостное окно имело более низкую температуру (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 по сравнению с комнатой с обычным стеклянным окном.
Умное окно смещает пиковую нагрузку электричества, блокирует шум
Ученые также измерили, когда произошло наивысшее значение накопленной тепловой энергии за день.
Этот «пик температуры» в обычном стеклянном окне был 12 часов дня, а в окне «умной жидкости» был сдвинут на 2 часа дня. Если этот сдвиг пикового значения температуры преобразовать в сдвиг во времени, в течение которого здание должно потреблять электроэнергию для охлаждения или обогрева здания, это должно привести к снижению тарифов на электроэнергию для пользователей.
Моделирование с использованием реальной модели здания и данных о погоде в четырех городах (Шанхай, Лас-Вегас, Эр-Рияд и Сингапур) показало, что интеллектуальное жидкое окно имело лучшие энергосберегающие характеристики во всех четырех городах по сравнению с обычными стеклянными окнами и окнами с низким коэффициентом излучения.
Звукоизоляционные испытания также показали, что интеллектуальное жидкое окно снижает шум на 15 процентов эффективнее, чем окна с двойным остеклением.
Первый автор исследования Ван Шаньчэн, руководитель проекта в Школе материаловедения и инженерии, сказал: «Звукоизоляционные окна с двойным остеклением сделаны из двух кусков стекла, разделенных воздушной прослойкой. Наше окно спроектировано аналогичным образом, но вместо воздуха мы заполняем зазор жидкостью на основе гидрогеля, которая увеличивает звукоизоляцию между стеклянными панелями, тем самым предлагая дополнительные преимущества, которые обычно не встречаются в современных энергосберегающих окнах."
Другой первый автор, доктор Чжоу Ян, был докторантом NTU и в настоящее время является доцентом Китайского нефтяного университета в Пекине (CUPB).
Предоставляя независимую точку зрения, профессор Ронггуи Ян из Университета науки и технологий Хуачжун, Китай, лауреат Мемориальной премии Нукияма 2020 года в области тепловых наук и инженерии и эксперт по тепловым и энергетическим системам, сказал: «Это первый случай жидкое умное окно на основе гидрогеля, и оно уводит нас далеко от обычного стеклянного дизайна. Революционные инновации приводят к регулированию солнечной энергии и аккумулированию тепла, которые вместе обеспечивают выдающуюся эффективность энергосбережения."
Исследовательская группа теперь пытается сотрудничать с отраслевыми партнерами для коммерциализации умного окна.
Исследование проводится при поддержке Национального исследовательского фонда Канцелярии премьер-министра Сингапура в рамках программы передового опыта исследований и технологических предприятий (CREATE) и Китайско-сингапурского международного исследовательского института.