U potrazi za održivijim i energetski efikasnijim dizajnima zgrada, pojavio se novi koncept kliznog prozora koji može doneti značajna poboljšanja termičkih performansi uz istovremenu proizvodnju čiste energije. Ovaj inovativni dizajn integriše fotovoltaične (PV) ćelije i fazno promenljive materijale (PCM), nudeći dvostruku funkcionalnost koja ne samo da štedi energiju već i doprinosi energiji koju proizvodi sama zgrada.
Proboj u dizajnu
Tradicionalni prozori često predstavljaju slabu tačku u izolaciji zgrade, omogućavajući gubitke toplote. Rešavajući ovaj problem, novi dizajn kliznog prozora uključuje kombinaciju PV ćelija i višestrukih PCM-a, pružajući i generisanje energije i poboljšanu termoregulaciju. PV ćelije su pozicionirane tako da tokom dana hvataju sunčevu energiju, koja se zatim pretvara u električnu energiju. Ova električna energija može se koristiti unutar zgrade, što je posebno korisno noću kada solarni dobitak nije moguć.
Klizni mehanizam prozora dodaje još jedan sloj inovacije. Omogućava korisnicima da biraju između PV-PCM staklene jedinice kao spoljnog kliznog sloja za optimalno čuvanje energije i termoregulaciju, ili standardne staklene jedinice kao unutrašnje klizne komponente kada je manje termalne kontrole i više prolaza svetlosti poželjno. Ova prilagodljivost čini prozor pogodnim za različite uslove okoline i lične preferencije.
Termičke performanse i energetska efikasnost
Srž poboljšanih performansi prozora leži u njegovoj upotrebi višestrukih PCM-a. PCM materijali su materijali koji apsorbuju i oslobađaju toplotu kada prelaze iz čvrstog u tečno stanje i obrnuto. Integracijom ovih materijala, prozor može efikasno upravljati toplotom koja ulazi ili izlazi kroz njega, čime stabilizuje unutrašnje temperature efikasnije nego tradicionalni prozori sa jednim staklom.
Da bi se utvrdila najefikasnija konfiguracija PCM-a, najnovije istraživanje je uporedilo termičke performanse različitih konfiguracija, uključujući pojedinačne tipove PCM-a (ili RT-35 ili RT-27) i njihove kombinacije (RT-35-RT27) u različitim rasporedima debljine (2,5mm–7,5mm, 5mm–5mm i 7,5mm–2,5mm). Rezultati su pokazali da konfiguracija sa višestrukim PCM-ima konzistentno održava nižu prosečnu unutrašnju temperaturu zida u odnosu na konfiguraciju sa jednim PCM-om. Među testiranim kombinacijama, konfiguracija 5mm–5mm RT-35-RT27 pokazala se kao najefikasnija, pružajući stabilnije termičke rezultate tokom dana.
Nedavno je utvrđeno da zgrade troše više od 40% svetske energije. Pored toga, klimatizacija zgrada troši više od 50% te energije. Zbog toga su brojna istraživanja usmerena na usvajanje efikasnih struktura zgrada zajedno sa materijalima za promenu faze (PCM) kako bi se smanjila potrošnja energije u zgradama.
Korišćenje PCM-ova se pojavilo kao istaknuto rešenje za poboljšanje energetske efikasnosti u primenama na zgrade. Nedavne studije su naglasile njihov potencijal da moderiraju unutrašnje temperature koristeći njihovu inherentnu sposobnost apsorpcije i oslobađanja latentne toplote tokom faznih prelaza, obično iz čvrstog u tečno stanje i obrnuto. Ovaj mehanizam skladištenja termalne energije omogućava zgradama da izglade temperaturne fluktuacije, smanjujući tako zavisnost od eksternih sistema grejanja ili hlađenja. Integracija PCM-ova u građevinske komponente, kao što su zidovi, plafoni i podovi, značajno doprinosi smanjenju potrošnje energije.
Pored toga, PCM-ovi mogu odgovarati različitim klimatskim uslovima izborom materijala sa temperaturama faznog prelaza koje su u skladu sa željenim unutrašnjim komforom. Ukupno gledano, upotreba PCM-ova u zgradama otvara put ka održivijem i energetski efikasnijem arhitektonskom dizajnu. PCM se može koristiti u građevinskim primenama zbog sledećih karakteristika: konstantna temperatura sa ograničenim promenama vrednosti temperature tokom procesa punjenja, velika skladištena energija u maloj skladišnoj veličini, kao i hemijska stabilnost.
U studiji se ističe uticaj specifičnih optičkih karakteristika stakla, uključujući koeficijent apsorpcije i indeks prelamanja, na procese faznog prelaza, regulaciju unutrašnje temperature i ukupnu uštedu energije u strukturama. Takođe, dok viši koeficijent apsorpcije stakla pomaže u brzom topljenju PCM-a, kompromituje unutrašnju temperaturnu ravnotežu, predstavljajući potencijalnu pretnju od pregrevanja tokom sunčanih intervala. Zamena regularnog stakla solarnim kontrolnim staklom u PCM prozoru dovodi do značajnog povećanja energetske efikasnosti, posebno kako oba optička atributa rastu, pri čemu indeks prelamanja ima izraženiji efekat nego koeficijent apsorpcije. Na sunčan dan, ušteda energije od 14,25% je primećena sa koeficijentom apsorpcije stakla od 160 m−1, što je 41,53% za staklo sa indeksom prelamanja od 3.
PCM se može koristiti u različitim građevinskim komponentama, kao što su krov, prozori, zidovi, podovi, stakleni krov i prozori. Međutim, više od 30% energije korišćene u zgradama se gubi ili dobija kroz prozorske sisteme. Stoga, povećanje termalnih performansi prozora je ključno i predmet interesovanja mnogih studija.
Rezultati su pokazali da je termalna izolacija PCM-a (parafin MG29) i pomeranje vršnog opterećenja hlađenja značajno u toplim letima i hladnim zimama, i da je toplota koja ulazi u zgradu kroz PCM prozor smanjena za 18,3% na tipičan sunčan letnji dan. Upoređene su dve staklene jedinice za njihove termalne performanse, jedna ispunjena apsorbujućim gasom, a druga sa PCM-om. Dvostruki stakleni prozor sa reflektujućim staklom i smešom apsorbujućeg gasa je efikasniji i ima ukupne koeficijente dobitka toplote između 0,55 i 0,65. Ukupni koeficijenti dobitka toplote za dvostruki stakleni prozor koji sadrži PCM su u rasponu od 0,65 do 0,80.
Eksperimentalna istraživanja su sprovedena na termalnoj efikasnosti dvostruke staklene jedinice ispunjene PCM-om (RT28HC). Nalazi su pokazali da kada je ispunjena PCM-om umesto vazduhom, temperatura unutrašnje površine dvostruke staklene jedinice je smanjena za 7,6°C. Model prozorskog sistema koji je istražen sastoji se od staklenog sloja, zavese od tkanine ili PCM-a, i vazdušnog razmaka između njih. Različite debljine vazdušnog razmaka i temperature topljenja PCM-a su korišćene za ispitivanje termalne efikasnosti prozorskog sistema. Otkriveno je da širi vazdušni razmaci poboljšavaju prirodnu konvekciju u vazdušnom razmaku, što je ključno za prenos toplote u strukture. Takođe je pokazano da temperatura topljenja PCM-a ima značajan uticaj na termalne performanse PCM zavese.
Temperatura topljenja od 29°C je otkrivena kao najefikasnija kada su debljine vazdušnog razmaka i PCM sloja fiksirane na 5 cm i 5 mm, respektivno. U poređenju sa slučajem zavese od tkanine, PCM zavesa značajno smanjuje prosečnu unutrašnju površinsku temperaturu tokom radnih sati. Stručnjaci su uveli i procenili jedinstveni hibridni CdTe-PCM-PV stakleni modul (CdTe-PCMG). Razvili su sveobuhvatni matematički model koji obuhvata optičke, električne i termalne aspekte, sa eksperimentalnom verifikacijom pod različitim uslovima okoline. Izradili su simulaciju energetske efikasnosti zgrade (BES) koja uključuje ove inovativne module kao prozore zgrade.
Sprovedena je uporedna analiza između modela zgrade opremljenog jedinstvenim PV staklenim modulom tokom konstantnih toplih/hladnih nedelja. Evaluirali su efekte različitih faktora, kao što su PV pokrivenost, uslovi okoline, debljina PCM-a i intervali promene faze, na ukupne električne i termalne rezultate. Zaključili su da integracija PCM-a povećava električni prinos PV stakla i poboljšava unutrašnju termalnu udobnost kada se koristi na eksterijeru zgrada. Dalje, u analizi tokom hladnije nedelje, idealne dimenzije PCM sloja i intervali promene faze su identifikovani kao 3,5 cm i između 22°C i 24°C. Štaviše, godišnje projekcije sugerišu da je PCMG najprikladniji za područja sa obiljem sunčeve svetlosti ili umerenim klimatskim uslovima.
Na osnovu literature, prema autorovom najboljem znanju, eksperimentalna istraživanja termalnih performansi kliznih prozora koji integrišu višestruke PCM-ove sa PV ćelijama još uvek nisu detaljno istražena. PV ćelije su dizajnirane da proizvode električnu energiju tokom dnevnih sati, koja se može koristiti unutar zgrade tokom noći. Klizni mehanizam uvodi nekoliko inovativnih karakteristika, uključujući: a. Omogućavanje korisnicima da koriste PV-PCM staklenu jedinicu (kao spoljašnji klizni sloj) ili standardnu staklenu jedinicu (unutrašnji klizni sloj). PV-PCM prozor takođe može da se koristi kao klizni svetlosni zaslon ili zavesa. b. Napredni klizni dizajn olakšava pomeranje PV-PCM staklene jedinice, eliminišući probleme vezane za težinu i prostor koje obično imaju sklopivi prozori. PV ćelija u predloženom dizajnu funkcioniše i u zatvorenom i u otvorenom stanju zahvaljujući kliznom dizajnu.
Umesto zaključka
U poređenju sa standardnim jednostrukim staklom, inovativni PV-PCM prozor pokazao je dramatično smanjenje najviše unutrašnje temperature zida – za do 46%. Ovo značajno poboljšanje ističe potencijal prozora da smanji potrošnju energije povezanu sa grejanjem i hlađenjem, koji su glavni doprinosi energetskom profilu zgrade. Usvajanje PV-PCM kliznog prozora moglo bi označiti značajnu promenu u dizajnu zgrada, nudeći pametniji, održiviji pristup upravljanju energijom i ekološkom kontrolom u zgradama. Dok se krećemo ka sve svesnijim praksama u građevinarstvu, takve inovacije su ključne za oblikovanje zelenije, efikasnije budućnosti.
Tekst je adaptacija originala / Autori originalnog istraživanja: Ahmed Saad Soliman, Ali Radwan, Mohamed Samir Fouda, Ahmed A. Sultan, Osama Abdelrehim
