Gennemsigtig film afviser 70 procent af indgående solvarme

For at kæmpe mod sommervarmen, kontor- og beboelsesbygninger har en tendens til at skrue op for klimaanlægget, sende energiregninger i luften. Ja, det anslås, at klimaanlæg bruger omkring 6 procent af al den elektricitet, der produceres i USA, til en årlig pris på $ 29 milliarder dollars - en udgift, der helt sikkert vil vokse, når den globale termostat stiger.

Nu har MIT-ingeniører udviklet en varmeafvisende film, der kan påføres en bygnings vinduer for at afspejle op til 70 procent af solens indgående varme. Filmen kan forblive meget gennemsigtig under 32 grader Celsius, eller 89 grader Fahrenheit. Over denne temperatur, siger forskerne, filmen fungerer som et "autonomt system" til at afvise varme. De vurderer, at hvis hvert vindue, der vender udad i en bygning, var dækket af denne film, bygningens klimaanlæg og energiomkostninger kan falde med 10 procent.

Filmen ligner gennemsigtig plastfolie, og dets varmeafvisende egenskaber kommer fra små mikropartikler, der er indlejret i den. Disse mikropartikler er fremstillet af en type faseændrende materiale, der krymper, når de udsættes for temperaturer på 85 grader Fahrenheit eller højere. I deres mere kompakte konfigurationer, mikropartiklerne giver den normalt gennemsigtige film et mere gennemskinneligt eller frostet look.

Anvendes på vinduer om sommeren, filmen kunne passivt afkøle en bygning, mens den stadig slap en god mængde lys ind. Nicholas Fang, professor i maskinteknik ved MIT, siger, at materialet giver et overkommeligt og energieffektivt alternativ til eksisterende smarte vinduesteknologier.

"Smarte vinduer på markedet i øjeblikket er enten ikke særlig effektive til at afvise varme fra solen, eller, som nogle elektrokromiske vinduer, de kan have brug for mere strøm til at drive dem, så du ville betale for stort set at gøre vinduer uigennemsigtige, "Fang siger." Vi troede, at der måske var plads til nye optiske materialer og belægninger, for at give bedre smarte vinduesmuligheder. "

Fang og hans kolleger, herunder forskere fra University of Hong Kong, har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Joule .

"Et fiskenet i vandet"

For godt et år siden, Fang begyndte at samarbejde med forskere ved University of Hong Kong, der var ivrige efter at finde måder at reducere energiforbruget i bygninger i byen, især i sommermånederne, når regionen vokser notorisk varm, og klimaanlægget er i top.

"At imødekomme denne udfordring er afgørende for et storbyområde som Hong Kong, hvor de er under en streng frist for energibesparelser, "siger Fang, med henvisning til Hongkongs forpligtelse til at reducere sit energiforbrug med 40 procent inden år 2025.

Efter nogle hurtige beregninger, Fangs elever fandt ud af, at en væsentlig del af en bygnings varme kommer gennem vinduer, i form af sollys.

"Det viser sig, at for hver kvadratmeter, omkring 500 watt energi i form af varme bringes ind af sollys gennem et vindue, "Fang siger." Det svarer til omkring fem pærer. "

Fang, hvis gruppe studerer eksotiske lysspredningsegenskaber, faseskiftende materialer, spekulerede på, om sådanne optiske materialer kunne formes til vinduer, passivt afspejler en væsentlig del af en bygnings indgående varme.

Forskerne ledte litteraturen efter "termokrome" materialer-temperaturfølsomme materialer, der midlertidigt ændrer fase, eller farve, som reaktion på varme. De landede til sidst på et materiale fremstillet af poly (N-isopropylacrylamid) -2-Aminoethylmethacrylat-hydrochloridmikropartikler. Disse mikropartikler ligner små, gennemsigtig, fiber-vævede kugler og er fyldt med vand. Ved temperaturer på 85 F eller højere, kuglerne presser i det væsentlige alt deres vand ud og krymper til tætte bundter af fibre, der reflekterer lys på en anden måde, gør materialet gennemsigtigt.

"Det er som et fiskenet i vand, "Fang siger." Hver af disse fibre, der danner nettet, på egen hånd, reflekterer en vis mængde lys. Men fordi der er meget vand indlejret i fiskenettet, hver fiber er sværere at se. Men når du først presser vandet ud, fibrene bliver synlige. "

I tidligere forsøg, andre grupper havde fundet ud af, at mens de krympede partikler forholdsvis godt kunne afvise lys, de havde mindre succes med at beskytte mod varme. Fang og hans kolleger indså, at denne begrænsning kom ned til partikelstørrelsen:De tidligere anvendte partikler skrumpede til en diameter på omkring 100 nanometer - mindre end bølgelængden af ​​infrarødt lys - hvilket gør det let for varmen at passere lige igennem.

I stedet, Fang og hans kolleger udvidede molekylkæden af ​​hver mikropartikel, så når den skrumpede som reaktion på varme, partikelens diameter var omkring 500 nanometer, som Fang siger er "mere kompatibel med det infrarøde spektrum af sollys."

En komfortforskel

Forskerne skabte en løsning af de varmebeskyttende mikropartikler, som de påførte mellem to ark med 12 x 12 tommer glas for at skabe et filmovertrukket vindue. De skinnede lys fra en solsimulator på vinduet for at efterligne indgående sollys, og fandt ud af, at filmen blev frostig som reaktion på varmen. Da de målte den solstråling, der blev transmitteret gennem den anden side af vinduet, forskerne fandt ud af, at filmen var i stand til at afvise 70 procent af varmen, som lampen producerede.

Holdet foret også et lille kalorimetrisk kammer med den varmeafvisende film og målte temperaturen inde i kammeret, da de skinnede lys fra en solsimulator gennem filmen. Uden filmen, den indre temperatur opvarmet til omkring 102 F— "omkring temperaturen ved høj feber, "Fang noter. Med filmen, det indre kammer blev ved et mere tåleligt 93 F.

"Det er en stor forskel, "Siger Fang." Du kan foretage en stor forskel i komfort. "

Fremadrettet, teamet planlægger at udføre flere test af filmen for at se, om tilpasning af dens formel og anvendelse af den på andre måder kan forbedre dens varmebeskyttende egenskaber.