הבא: הגבול הבא בבניית ביצועי אנרגיה

מבנים מהווים כמעט 40% מצריכת האנרגיה העולמית ונתח דומה של פליטות פחמן דו חמצני, על פי סוכנות האנרגיה הבינלאומית. חלק משמעותי של אנרגיה זו הולך לכיוון חימום, קירור, תאורה - משימות המושפעות מאוד ממעטפת הבניין, במיוחד חלונות.מערכות בוהקות מסורתיות הן סטטיות: פעם מותקנות, תכונות תרמיות אופטיות שלהם נשארות קבועות.

טכנולוגיות זכוכית חכמות מציעות שינוי פרדיגמטי.על ידי מתן שליטה דינמית על שקיפות, העברה חום, וזריחה קלה, חומרים אלה מאפשרים מעטפה של בניין להסתגל בזמן אמת כדי לשנות תנאים.התוצאה היא שיעור חדש של בידוד דינמי - אחד שיכול להפחית עומסי קירור שיא עד 20-30%, נמוך יותר אנרגיה שנתית חשבונות, ולשפר את הנוחות של הדיירים ללא הקרבת גישה לאור טבעי.

מאמר זה מספק מבט מעמיק על האופן שבו טכנולוגיות זכוכית חכמות עובדות, הסוגים השונים הזמינים, אסטרטגיות לשילובן במערכות בידוד בנייה, היתרונות והאתגרים של אימוץ, ואת החידושים המתעוררים אשר נועדו להפוך את הזכוכית הדינמית תכונה סטנדרטית בארכיטקטורה בת קיימא.

מה הם Smart Glass Technologies?

זכוכית חכמה - המכונה גם זכוכית מותנית, זכוכית דינמית, או בוהק אינטליגנטי - רפים לזכוכית שתכונות אופטיות (טרנסמיטנס, רפיעה, ספיגה) ניתן לשנות באופן רצוני על ידי יישום גירוי חיצוני.ה גירויים עשויים להיות חשמליים (תחילה), תרמי (טמפרטורה), photonic (עוצמה), או אפילו מכני.

כמה חכם זכוכית עובד

הפיזיקה הבסיסית תלויה בטכנולוגיה.מרבית המשקפיים הניתנים להחלפה חשמליים מסתמכים על חומרים שמשנים את מצב החמצן שלהם או את ההיערכות המולקולרית כאשר מתח מוחל.לדוגמה, מכשירים אלקטרו-כרומוזומיים משתמשים בסרט דק של תחמוצת טונגסטן כי חשכה כאשר ליתיום סטיות ואלקטרונים מוזרקים, משנה את העברת האור הנראה שלה קרוב ל- in- in-infrared (חום solar) התגובה צבע הרחם (אוקסומה) וחשיפה לטמפרטורה של אור-אוקסומה (אוקסומה (אוקסומה).

הבחנה קריטית היא בין זכוכית חכמה "אקטיבית" (הפעלת כוח לשנות את המדינה) לבין זכוכית חכמה "ממושכת" (שינוי אוטומטי ללא אנרגיה חיצונית) סוגי Active מציעים שליטה טובה יותר ולעתים קרובות מועדפים לבניית אוטומציה, בעוד סוגים פסיביים הם פשוטים וזולים יותר אך פחות צפויים.

סוגים של זכוכית חכמה

(FLT:0)electrochromic (EC) Glass.veFLT:1) הזכוכית הפעילה ביותר מסחרי החכם זכוכית.שכבות דקות מרובות מופקדות על זכוכית; החל מתח DC נמוך (בדרך כלל 1-5 V) מניעים בצלים מאלקטרוג'רמית לתוך שכבת אלקטרו-כרומוזומית, שינוי צבעו וקרינתו של EC יכול להחזיק את המדינה ללא כוח מתמשך (bis) כולל מעברים חשמליים בלבד.

(FLT:0) Thermochromic Glass.FLT:1 שימוש בחומרים כמו ונדיום דו חמצני (VO2) העובר מעבר חצי-מוליכים למחצה בלתי הפיך בשלב מתכתי בטמפרטורה מסוימת (למשל, -68 ° C עבור VO2 טהור, הורד עם doping) זה, הזכוכית הופכת להיות יותר רפלקטיבית ליד ריח אדום, צמצום חום בעת שמירה על טמפרטורה אטרקטיבית, עם שינוי זה לא נראה לעין.

(FLT:0) photochromic Glass.FLT:1hil מכיל halide כסף או מולקולות רגישות צילום אחרות כי כהה כאשר נחשפים לאור UV.שימוש בעיקר במשקפיים, זכוכית פוטוכרומטית פחות נפוץ מבנים כי זה מגיב ל-UV (אשר חסום על ידי ציפויים רבים בוהק) ואינו מגיב לחום.

(FLT:0) ציוד חלקיקים (SPD.I.R.1 שכבת דק של חלקיקים מיקרוסקופיים (לעתים בצורת מוט) מושעה בנוזל או ג'ל מוכנד בין שני פאבים זכוכית.ללא מתח, החלקיקים הם מוכווני אקראי וחסימת / אור דקר (בדרך כלל בצורת מוטה) מיישר את החלקיקים, ומאפשר אור לעבור במהירות מזכוכית נמוכה (מילימטרית) ומחייב בקרת אור רציף (שני)

(FLT:0)Liquid Crystal (LC) Glass.veF.OVAF1) השתמש גבישים נוזליים פולימרים-דיסידידים (PDLC) כאשר אין מתח מוחל, גבישים נוזליים מתפזרים אור, מה שהופך את הקערה לזכוכית. החל שדה חשמלי מיישר אותם, הופך להיות שקוף מתגי PDLC במהירות (מיקרו שניות) אבל דורש כוח קבוע כדי להישאר ברור ולעתים קרובות יש חלב או מראה עצלן או נזיר במצב זה משמש בעיקר עבור שליטה תרמי.

ביצועים Metrics

כאשר בוחנים זכוכית חכמה ל בידוד דינמי, כמה פרמטרים מרכזיים חשובים:

  • (ה) ⁇ אור בלתי אפשרי (VLT) טווח: FLT:1 ההבדל בין מדינות ברורות וצפוניות. טווח רחב (למשל 60% ברור ל-5% tinted) מאפשר שליטה טובה יותר של אור יום וזוהר.
  • (FLT:0) Solar Heat Get Coefficient (SHGC) טווח: FLT:1 השבריר של קרינה סולארית אירוע שנכנסה לבניין. Dynamic Glass עם נמוך SHGC במצב tinated (למשל, 0.09–025) יכול להפחית באופן דרמטי את עומסי הקירור.
  • (FLT:0) ל-Timeswitching Time:FLT:1 Seconds for SPD/LC, דקות עבור לוחות גדולים של EC.המעבר מהיר הוא קריטי להגיב לעננים טרנספורמטיביים או להעדפות הדיירים.
  • (FLT:0) צריכת חשמל: 1:1 חלונות רבים של EC משתמשים פחות מ-0.5 W/m2 במהלך המעבר וכמעט אפס במצב יציב; SPD /LC עשוי לצייר 1-5 W/m2 כדי לשמור על בהירות.
  • (FLT:0)Durability / Cycle Life:BuildF1) חלונות EC מדורגים בדרך כלל עבור > 100,000 מחזורים; SPD > 1 מיליון מחזורים; LC הוא רגיש יותר ל-UV ועשוי לגרוע מהר יותר.

שילוב של זכוכית חכמה ל- Dynamic Insulation

בידוד דינמי פירושו כי המעטפה הבניין מנוהלת באופן פעיל על זרימת חום.בבניינים קונבנציונליים, בידוד הוא קבוע - ערך R-ערך שלה אינו משתנה. זכוכית חכמה מוסיפה התנגדות תרמית משתנה לאזורים זוהרים, במיוחד יעיל לשליטה ברווח חום סולארי, אשר יכול להיות עומס קירור דומיננטי במבנים מסחריים.

שיקולים

שילוב מוצלח מתחיל עם ניתוח אקלים וכיוון בנייה. באקלים חם, המטרה העיקרית היא לדחות חום סולארי בשעות השיא תוך כדי להודות באור יום. באקלים קר, למקסם את הרווח הסולארי פסיבי בחורף, בעוד צמצום אובדן חום הלילה הוא מפתח. הזכוכית חכמה צריך להיות פרוס על חזיתות דרומה ומערבית (בחצי הכדור הצפוני) שבו זוויות סולאריות הן מאתגרות ביותר מזרחיות, כמו גם עם עלייה נמוכה יותר.

מערכת הבקרה חייבת להיות משולבת עם HVAC של הבניין וההרה אוטומציה. כוס חכמה שמחשיכה באופן עצמאי מדיקור או נקודות סטמנטים עלולה לגרום להתחממות יתר בחורף אם היא חוסמת השמש הרצויה.בדרך כלל, לא להחשיך במהלך גל חום, את מיזוג האוויר לעבוד קשה יותר.לכן, אסטרטגיית בקרת אזורית שמשתמשת בטמפרטורה פנימית, חיישנים, חנק, ויצרנים של זמן רב (בטווח זמן) מומלצת לממשקים ישירים של ממשקי API).

אסטרטגיות בקרה

  • (FLT:0) שליטה מילולית: משתמשים 1FLT להתאים את tint באמצעות מתג קיר או אפליקציה ניידת.פשוט אך נוטה לאי-פעולה אנושית - הכובשים עשויים לשכוח לשחזר את tint לאחר תקופה מעוננת.
  • (FLT:0) אוטומטי Threshold-מבוסס: גרף 1) מדדי חיישן מקרי קרינה סולארית או טמפרטורה; כאשר סף הוא עלה, הזכוכית מספקת חיסכון באנרגיה, אך יכול להוביל להחלפה תכופה בימים מעוננים חלקית.
  • (FLT:0) בקרת הסתגלות מקדימה: FLT:1 השתמש תחזיות מזג האוויר, אלגוריתמים של מיקום השמש ולמידה מכונה כדי בתנאי טרום-תנאי הזכוכית - באופן הדרגתי לפני השמש שיא מגיע וניקוי לפני השקיעה.
  • (FLT:0)Occupancy- Based:FLT:1 הזכוכית מנקה באזורים הכבושים כדי לספק נופים ואור יום, ולאחר מכן משחיתים כאשר לא עסוקים בצמצום הרווח הסולארי.

מקרה מחקרים

המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) בגולדן, קולורדו, שילבה זכוכית אלקטרו-כרומטית על פני השטח הדרומי שלה.פוסט-כיבוש הערכה הראו ירידה של 48% בעומס קירור שיא וירידה של 10% בשימוש הכולל של אנרגיית HVAC בהשוואה לכוס נמוכה קונבנציונלית. בדומה, מסוף נמל התעופה הבינלאומי של סן דייגו משתמש בחלונות אלקטרו-חמיים, תוך השגת ירידה של 20% בצריכת האנרגיה תוך שמירה על שביעות רצון מ-90% מעל ל-90%.

באירופה, בניין צוק (Amsterdam) משתמש בזכוכית SPD כדי לנהל רווח זוהר ושמשי; המעטפה הדינמית תרם לדירוג ה- BREEAM יוצא דופן שלה. פרויקטים אלה מוכיחים כי זכוכית חכמה יכולה לספק ביצועים אמיתיים, מאומתים כאשר משולבים כראוי.

היתרונות של אינטגרציה

אנרגיה מוגברת

על ידי התאמת ה-SHGC בזמן אמת, זכוכית חכמה יכולה להפחית את עומסי הקירור ב-20-30% ועומסי חימום ב- 10-15% באקלים רבים.המעבדה הלאומית של לורנס ברקלי מעריכה כי פריסת זכוכית דינמית בהיקף גדול עשויה לחסוך עד 1.5 ג'גילים בשנה בארה"ב לבדה - שווה ערך לאנרגיה המשמשת 40 מיליון בתים.

שיפור נוחות ומוצריות

גלארו מחלונות לא מזוהים הוא גורם מוביל לאי נוחות חזותית ועיניים אימון במשרדים. זכוכית חכמה יכולה להיות נוטה לשמור על רמות סיכה נוחות תוך שמירה על השקפות - גורם מפתח בעיצוב ביופילרי. מחקרים מראים כי עובדים עם גישה לאור טבעי ודעות מדווחים על 15% יעילות גבוהה יותר ו-20% איכות שינה טובה יותר.

מערכת מכונות מופחתת Reliance

כאשר המעטפה הבניין מטפל בשליטה סולארית, ציוד HVAC פועל לעתים קרובות פחות ועם עומסים קלים יותר.זה לא רק חוסך אנרגיה אלא מרחיב את חיי הציוד ומפחית את תחזוקה.במקרים מסוימים, ניתן להשתמש במערכות קירור קורנות במקום כל מערכות אוויריות, עוד חיתוך אנרגיית מעריצים.

אפשרויות אסתטיות גמישות ואפשרויות אדריכליות

זכוכית חכמה ניתן להשתמש בקירות וילונות, אורכי שמים, ומחלקים פנימיים.היכולת לעבור מברור ל- Opaque (או ל-Tint בוגר) פותחת אפשרויות עיצוב חדשות - משקפיים יכולים להיות בד דינמי. יצרנים מציעים כעת צבעים רבים (כחול, אפור, ברונזה) כדי להתאים את הכוונה האדריכלית ללא הקרבה ביצועים.

אתגרים ומגבלות

עלויות ראשונות גבוהות

העלות המותקנת של זכוכית אלקטרו-כרומית היא בדרך כלל 50 $ $ רגל רבוע, בהשוואה $ 40 $ $ עבור ביצועים גבוהים משולש בוהק.הפרימה היא בשל ייצור מורכב, ניכוי פיל דק, ונדרש בקרת אלקטרוניקה. . . . . . . . â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ¢ ¢ ⁇ ⁇ ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שינויים וביצועים לאורך זמן

חלונות אלקטרו-כרומטיים נבדקו ליותר מ-100,000 מחזורי מעבר ללא השפלה משמעותית, אך נתונים ארוכי טווח (מעבר ל-20 שנים) עדיין מוגבלים. SPD ו-LC מכשירים יכולים לסבול מפירוק חלקיקים או התמוטטות גביש נוזלי בטמפרטורות קיצוניות. תקופות מלחמה הם בדרך כלל 5-10 שנים; בעלי בניין חייבים לגרום בעלויות חלופיות פוטנציאליות.

מורכבות

זכוכית חכמה דורשת כוח wiring ומערכת בקרה.התאוששות מבנים קיימים יכולה להיות מאתגרת, שכן מסגרות החלון עשויות להיות צריכות להכיל תיבות של wiring ו- צומת.בבבבניה חדשה, המציין זכוכית דינמית מוקדם בתהליך העיצוב הוא חיוני.ההההההההההה יכול להיות יותר מעורבת מאשר עבור בוהק סטטי, הדורש קישוט וכוונון.

אנרגיה נקייה למדינה בחורף

במצבה המובהק, זכוכית חכמה לעתים קרובות יש ערך נמוך יותר (גבוה יותר U-factor) מאשר חלון משולש-pane נמוך-e כי השכבות הנוספות להפחית את היכולת להוסיף ציפויים נוספים ותמלאי גז. כמה יצרנים מציעים כעת ציפויים נמוכים על פני השטח הפנימי של זכוכית EC כדי לשפר את ביצועי החורף.

כיוונים עתידיים וחדשנות

ייצור נמוך

טכנולוגיות מתפתחות כגון הדפסה של סרטים אלקטרו-כרומוזומיים, פולימרים אלקטרו-כרומוזומיים אורגניים, וכל-כך-מדינה מבטיחים להפחית עלויות ב-40-60 אחוזים בעשור הבא. סטארט-אפים כמו סולירג ו- eChromics מפתחים חלופות בעלות נמוכה שניתן להפלות על זכוכית קיימת, המאפשרות יישום רטרופיטות.

בקרה הסתגלותית וחיזוי

אלגוריתמי למידת מכונות המשלבים תחזיות מזג אוויר, בניית מודלים תרמיים, והעדפות המשתמשים הופכות ליותר מתוחכמות.לדוגמה, ה- DeepMind של גוגל הראה ירידה של 40% באנרגיה קירור עבור מרכז נתונים באמצעות AI; גישות דומות מוחלות על בקרת זכוכית חכמה. חלק מהמערכות משתמשות כעת בראייה ממוחשבת כדי לזהות תנאים שמיים ולהתאים את הגמישות.

שילוב עם בניית אוטומציה ורשת

זכוכית חכמה יכולה לפעול כמשאב תביעה. במהלך גל חום, תועלת יכולה לסמן בניין כדי לחדד את החלונות שלה כדי להפחית את הביקוש לפסגה, הימנעות מחששות אנרגיה מתחדשת גדל, בוהק דינמי יכול גם לשנות את השימוש באנרגיה על ידי חסימת רווח סולארי כאשר לוחות סולאריים מייצרים מקסימום, אז לאפשר חימום פסיבי כאשר הרשת צריכה פחות כוח.

זכוכית חכמה רב-תכליתית

החוקרים משלבים פוטו-וולטאיקים (תאים מפוזרים) לזכוכית חכמה, ויוצרים חלונות ששניהם מייצרים חשמל ומשתנים tint.מושגים אחרים כוללים חלונות אלקטרו-כרומטיים כפולים כמו מחיצות פרטיות (מכמכים ל- Opaque) ויכולות תצוגה משולבות. בעודם עדיין במעבדה, חידושים אלה מצביעים על חלונות כנכסי אנרגיה פעילים ולא רכיבים מבניים.

מסקנה

טכנולוגיות זכוכית חכמות התבגרו מחידוש לחומר בנייה בר קיימא עבור בידוד דינמי.על ידי שליטה פעילה חום ואור, הם מתייחסים לאחד הקישורים החלשים ביותר במעטפת הבניין - החלון דורש עיצוב זהיר, אסטרטגיות בקרה מתאימות, והשקעות למעלהfront, אבל התשלום בחיסכון באנרגיה, שביעות רצון של הדיירים, והשפעה סביבתית הוא משמעותי.

עם עלויות נופלות ומערכות בקרה להיות חכמות יותר, זכוכית חכמה היא להפוך לתכונה סטנדרטית בבניינים בעלי ביצועים גבוהים. אדריכלים, מהנדסים ובעלי בניין אשר לאמץ טכנולוגיות אלה היום יהיה בחזית של סביבה יותר הסתגלותית, נוחה, ונמוכת פחמן נמוך.

(ב) [ה] [ה]] [ה]]], [ה], [ה], [ה], [ה]], [ה]], [ה]]], [ה]], [ה]], [הה], [ה]]הההההההההההההההההההחוקה] של ה' [ה'] ב'], על פי ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'[ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה']'], [ה'[ה'[ה']']'], [ה']'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'[ה']']']']'[ה']']']']']']']']']'[ה'[ה'[ה'[ה'