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Jul 23, 2023

Evaluación experimental del rendimiento térmico y de iluminación utilizando doble acristalamiento aislante dinámico

Fecha: 24 de noviembre de 2022 Autores: Abdultawab M. Qahtan y Abdulkarem HM Almawgani Fuente: Buildings 2022, 12(8), 1249; https://doi.org/10.3390/buildings12081249 Diseñar ventanas en climas cálidos que

Fecha: 24 de noviembre de 2022

Autores: Abdultawab M. Qahtan y Abdulkarem HM Almawgani

Fuente:Edificios2022 , 12(8), 1249; https://doi.org/10.3390/buildings12081249

Diseñar ventanas en climas cálidos que permitan a los ocupantes controlar fácilmente sus preferencias en una casa inteligente es de considerable importancia. Este artículo tiene como objetivo contribuir a este tema examinando el potencial de un sistema de ventana inteligente que tiene doble acristalamiento con aislamiento dinámico (DDIG) para prevenir el aumento de calor y maximizar la luz natural en interiores, considerando la protección inteligente de la privacidad tanto durante el día como durante la noche. Se desarrolló un modelo a pequeña escala para examinar el sistema de ventanas propuesto. Se investigaron la temperatura de la celda de prueba, la temperatura de la superficie del vidrio y los lux de iluminación interior.

Los resultados mostraron que el DDIG tenía un alto control del calor solar dentro de la celda de prueba, con una reducción significativa de 2,5 °C en comparación con el acristalamiento común de vidrio translúcido utilizado en la ciudad de Najran, Arabia Saudita. A altas intensidades de irradiación solar, no se encontraron diferencias significativas en el control de la ganancia de calor hacia la celda de prueba entre DDIG coloreado (DDIG-colo) y DDIG transparente (DDIG-trans). Se encontró una reducción gradual entre DDIG-trans y DDIG-colo con una intensidad solar decreciente, que fue del 15%, 10% y 8,7% con intensidades de irradiación de 200, 400 y 600 W/m², respectivamente. Las transparencias DDIG mantuvieron los lux de iluminación con una mayor reducción bajo baja irradiación solar. La DDIG también proporcionó protección de la privacidad y otorgó preferencias a los usuarios para conexiones al aire libre.

El cuidado diseño de las ventanas de los edificios proporciona un ahorro energético suficiente [1] y un confort visual adecuado para sus ocupantes [2]. En climas cálidos, en comparación con las paredes, las ventanas son una fuente importante de ganancia de calor [3,4]. La eficiencia energética de las ventanas se obtiene principalmente diseñando ventanas para controlar la ganancia de calor solar [1]. El control de la ganancia de calor solar a través del acristalamiento de ventanas se puede realizar de dos maneras. El primero es bloquear la radiación solar directa, que atraviesa el acristalamiento como radiación de onda corta y luego forma un efecto invernadero en un entorno cerrado [5]. Este enfoque puede controlarse mediante sombreado de ventanas [6].

La segunda forma es reducir el flujo de calor (IR de onda larga) a través de las ventanas, que está determinado por la diferencia de temperatura del aire entre el interior y el exterior [7]. En este caso, reducir la emisividad de las superficies de vidrio es una opción y se puede lograr mediante recubrimientos reflectantes del calor [8]. Sin embargo, en climas cálidos y áridos, controlar la ganancia de calor mediante acristalamientos convencionales es un desafío. La revisión del mercado de la ciudad de Najran, Arabia Saudita, donde se realizó este estudio, mostró que los acristalamientos de ventanas típicos utilizados en edificios residenciales son vidrio translúcido (vidrio PG con forma de cabeza de alfiler que se utiliza principalmente con fines de privacidad) y vidrio tintado. Lograr privacidad con vidrio translúcido tiene muchos aspectos negativos, como un control mínimo de la ganancia de calor y la inflexibilidad con la vista y la conexión con el exterior.

El vidrio tintado viene en varios colores (bronce, verde y gris) y tiene un valor U menor en comparación con el vidrio translúcido de PG. En climas cálidos y áridos, el principal inconveniente de los vidrios polarizados es que absorbe una gran cantidad de radiación infrarroja (IR). En el clima cálido del verano de Najran, donde la temperatura del aire exterior puede alcanzar un máximo de 43 °C [9], el IR (calor) de onda larga aumenta la temperatura de la superficie del acristalamiento tintado, que eventualmente se transmite al interior [4]. Los acristalamientos tintados también provocan una reducción de la luz visible según el grado de tinte [10,11], la orientación de la ventana y la estación del año [12].

El vidrio reflectante de calor de baja emisividad es la opción preferida para ambientes con alta temperatura del aire exterior debido a su capacidad para reflejar la energía térmica en el espacio circundante [13]. Es decir, si la superficie mira hacia afuera, entonces el calor se libera al exterior del edificio. Para mantener la durabilidad del revestimiento de baja emisividad se debe utilizar un doble acristalamiento con vacío [14]. En climas cálidos, se debe aplicar una capa de baja emisividad en el panel intermedio y exterior del doble acristalamiento para proteger el interior de la radiación térmica [15]. Esta doble capa de baja emisividad también debe integrarse con vidrio tintado para reducir la ganancia óptica directa de calor solar [16].

Sin embargo, este tinte hace que el vidrio de baja emisividad reduzca la iluminación diurna en interiores y no tenga flexibilidad para responder a las diferentes horas del día y al clima. En particular, no puede proporcionar fácilmente protección de la privacidad durante la noche. Por lo tanto, se necesita un tinte (película) inteligente y dinámico integrado con un doble acristalamiento transparente de baja emisividad. Esto es particularmente importante para los edificios residenciales en sociedades conservadoras, donde el acristalamiento de las ventanas requiere una selección cuidadosa para mejorar el bienestar de los inquilinos al proporcionar una vista aceptable del exterior [17] sin disminuir la protección de la privacidad.

Una ventana para la privacidad diurna y nocturna en edificios residenciales es importante para la comodidad. Las soluciones típicas para obtener privacidad incluyen persianas y cortinas; Sin embargo, tienen limitaciones. Por ejemplo, oscurecen un espacio y reducen la conexión con el exterior. Por otro lado, los acristalamientos coloreados y tintados pueden mejorar la privacidad del hogar durante el día, pero no brindan privacidad durante la noche. También reduce la luz natural durante el día [10,11]. Actualmente, no existe en el mercado acristalamientos para ventanas que puedan proporcionar privacidad y conexión al exterior durante el día y la noche.

En este contexto, una solución única es un sistema de ventanas que incorpora vidrio inteligente y dinámico. Los tipos más populares de vidrio inteligente incluyen el cristal líquido electrocrómico (EC) y el cristal líquido disperso en polímeros (PDLC). Estos tipos de vidrios inteligentes con señales eléctricas pueden permitir una mayor transmisión de luz natural tanto en estado transparente como translúcido [18]. También disminuyen la transmitancia de la radiación solar sin necesidad de dispositivos de protección, como persianas [19], y también pueden usarse para proteger la privacidad [20]. Existen algunos inconvenientes en el uso de EC, incluida la velocidad de conmutación lenta y los altos costos de producción [21]. Sin embargo, PDLC es el vidrio inteligente más económico [22] y tiene una velocidad de respuesta rápida con una velocidad de coloración de 1 so menos [23].

Se han realizado varios estudios en relación con los acristalamientos de ventanas con una película PDLC. Hemaida et al. [24] investigaron el efecto de las ventanas PDLC en el rendimiento energético general del edificio de oficinas utilizando un programa de simulación en dos zonas climáticas contrastantes: un clima árido (Riad, Arabia Saudita) y un clima templado (Londres, Reino Unido). Concluyeron que la ventana PDLC era más efectiva con una reducción de enfriamiento del 12,8% (clima árido) que una reducción de calefacción del 4,9% (clima templado). También descubrieron que el PDLC proporcionaba una excelente iluminación interior en ambos climas.

En otro estudio, Hemaida et al. [22] examinaron el rendimiento óptico y térmico de un sistema de acristalamiento PDLC para los estados translúcido y transparente. Una celda de prueba a pequeña escala equipada con acristalamiento PDLC se expuso a irradiaciones solares de 1000, 800, 600 y 40 W/m² durante 3 h. El principal hallazgo fue que el sistema de acristalamiento PDLC mostró un rendimiento térmico efectivo para calentar en un clima frío, con valores de coeficiente de ganancia de calor solar SHGC de 0,68 para los estados transparentes y 0,63 para los translúcidos. Ghosh y Mallick [25] intentaron encontrar las características ópticas del acristalamiento PDLC para aplicaciones de construcción.

Descubrieron que el estado transparente PDLC ofrecía una transmisión de radiación solar (longitudes de onda que oscilaban entre 300 y 2500 nm) del 41%, mientras que la del estado translúcido era del 23%. Ah y otros. [26] evaluaron las propiedades ópticas de cuatro tipos de películas PDLC y concluyeron que la película PDLC reducía el consumo anual de energía del edificio y mejoraba el rendimiento de la luz natural al tiempo que consideraba la prevención del deslumbramiento, que es la función más básica de los dispositivos de sombreado. La Tabla 1 resume los estudios previos realizados sobre las propiedades térmicas y lumínicas del PDLC en los estados transparente y translúcido.

Tabla 1. Propiedades térmicas y lumínicas del acristalamiento PDLC.

En resumen, en el concepto de hogar inteligente, una de las características clave de apoyo es la capacidad de monitorear los cambios dinámicos de la radiación solar y luego usar ventanas inteligentes para operar de manera energéticamente eficiente [27,28]. Este estudio tiene como objetivo investigar el potencial de un sistema de ventanas inteligentes que tiene doble acristalamiento con aislamiento dinámico (DDIG) para prevenir el aumento de calor y maximizar la luz natural en interiores sin sacrificar la protección de la privacidad del hogar durante el día y la noche. Así, el estudio propone un sistema DDIG, es decir, doble acristalamiento con un revestimiento de baja emisividad en la superficie interior del panel de vidrio exterior, combinado con una película intercambiable PDLC en la superficie interior del segundo panel de vidrio. La importancia de este estudio es que el sistema propuesto ayuda a mejorar el rendimiento térmico y visual y proporciona protección de privacidad dinámica para edificios residenciales.

2. Metodología

Los métodos experimentales básicos capaces de evaluar el rendimiento de una edificación son los modelos experimentales a pequeña escala, los modelos a escala real, los modelos analíticos y los modelos de simulación [29]. Sin embargo, el modelo a pequeña escala es una técnica experimental para recopilar datos sobre los efectos de nuevos materiales y elementos de nuevo diseño en la envolvente de los edificios [30]. Aunque el rendimiento térmico y de iluminación puede no ser el mismo que en la habitación real en condiciones exteriores, existen varias ventajas al utilizar este método. Por ejemplo, es mucho más económico [29], fácilmente adaptable y proporciona datos experimentales que pueden utilizarse en modelos y simulaciones por ordenador.

Para investigar el sistema de acristalamiento propuesto para un sistema DDIG, se diseñaron experimentos de laboratorio utilizando un modelo a pequeña escala, así como diversos materiales y equipos. Los siguientes párrafos describen el sistema DDIG, el equipo utilizado para examinar el efecto del sistema DDIG sobre el rendimiento térmico y los lux de iluminación dentro de la celda de prueba y la capacidad del sistema para brindar protección de la privacidad del hogar.

2.1. Célula de prueba, sistema de acristalamiento e instrumentación

Las mediciones se realizaron en una celda de prueba ambiental a pequeña escala que tenía 80 cm de ancho, 80 cm de profundidad y 60 cm de alto, como se muestra en la Figura 1. La celda de prueba se construyó desde el exterior hacia el interior (madera contrachapada de 18 mm + ARNON de 10 mm). aislamiento + contrachapado de 6 mm). La celda de prueba se construyó con paredes dobles con un espacio de 10 cm en las dos paredes laterales y 20 cm en la pared trasera, formando unas dimensiones interiores de 60 L × 60 W × 60 H para una habitación cúbica representativa del modelo a escala ( 1:5). Las paredes dobles proporcionaron más aislamiento y crearon una cavidad segura para un registrador de datos. Todas las paredes internas de la celda estaban pintadas con pintura blanca.

La pared frontal (60 cm de ancho), que tenía una ventana de 30 cm × 30 cm, dio como resultado un WWR del 25%, que es un 5% más que el recomendado por el Código de Construcción Saudita del 20% WWR [31]. Esto se debe a que los vendedores proporcionan muestras de vidriado limitadas a 30 cm × 30 cm. El DDIG fue construido específicamente para este estudio por HUAKE TEK Industry (vidrio transparente de baja emisividad de 5 mm + espacio de aire de 12 mm + película PDLC + vidrio templado transparente de 5 mm), como se muestra en la Figura 1. La película PDLC integrada en un doble El vidrio de baja emisividad puede ser controlado por el usuario o automáticamente por el entorno externo (temperatura del aire exterior, radiación solar externa, iluminancia externa). Las propiedades ópticas del PDLC se discutieron anteriormente como un resumen de varios estudios previos (Tabla 1).

La celda de prueba estaba equipada con sensores de temperatura de la superficie, temperatura del aire y lux para medir su desempeño a través del DDIG. Se utilizó un registrador de datos LSI R-Log para medir la temperatura del aire dentro de la celda de prueba y la temperatura ambiente (sala de laboratorio), la temperatura interior y exterior de la superficie de vidrio y los lux de iluminación dentro de la celda de prueba. Se utilizó un termómetro infrarrojo Extech al comienzo de la prueba para reducir la incertidumbre de la medición. Se colocó un sensor BH1750FVI en la pared frontal de la ventana y se conectó a un Arduino para un control inteligente de las transparencias DDIG. La Tabla 2 incluye información sobre los sensores y sus precisiones.

Tabla 2. Caracterización técnica de los sensores y sus precisiones.

2.2. Simulador solar

Los simuladores solares se utilizan en experimentos de laboratorio con un espacio de construcción reducido para probar los factores que afectan a los edificios en condiciones controladas. Los sistemas de simulación solar son costosos, pero se puede diseñar un simulador solar de bajo costo utilizando varios tipos de lámparas que cubran todo el rango de longitud de onda de irradiación. Dado que este estudio investiga el rendimiento térmico y de iluminación de un sistema de ventanas, se beneficia de los avances de las lámparas de halogenuros metálicos con una buena coincidencia espectral con la salida solar que oscila entre 200 nm y más allá de 2500 nm, y temperaturas que oscilan entre 5000 K y 6000 K (casi similar a los 5800 K de la superficie del sol) [32,33,34]. En el presente estudio se diseñó un simulador solar utilizando una lámpara Osram de halogenuros metálicos de color blanco cálido con una potencia de 150 W y una temperatura de 4000 K.

Las mediciones utilizaron un Arduino para encender y apagar la lámpara del simulador. La irradiación solar se simuló variando el brillo de la lámpara de halogenuros metálicos ajustando la distancia desde el sistema de ventanas. El valor de la irradiación solar se confirmó utilizando un medidor de lux Extech HD 450 que mide de 0,0 a 400 Klux, con una precisión básica de ±5%. El factor de conversión de iluminancia lux a irradiación solar fue de 1 W/m², lo que equivale a 116 para la luz artificial de los simuladores solares y 120 para la luz solar natural exterior [35]. Se adjuntó un sensor de luz digital BH1750FVI a un lado de la piel exterior del sistema de acristalamiento y se conectó al Arduino para controlar la transparencia DDIG de acuerdo con el cronograma del experimento, que comprendía 60 o 120 minutos de exposición en cada una de las ocho transparencias diferentes y 120 Descanso mínimo entre cada caso.

2.3. Operación de control dinámico del punto de ajuste

El Arduino ajustó el porcentaje de transparencia del vidrio PDLC de acuerdo con la operación de control dinámico del punto de ajuste. Cada caso de operación duró 60 min (en algunos casos, 120 min), seguidos de 120 min de apagado para enfriar el sistema. La Figura 2 muestra el diagrama del circuito propuesto, que aclara todos los componentes del circuito eléctrico.

La Tabla 3 muestra el cálculo de las resistencias (Rcase y RL) en varios casos de transparencia. Las resistencias proporcionan el voltaje apropiado para el gradiente apropiado de la siguiente manera:

Tabla 3. Medición de resistencia en diferentes casos de transparencia.

El voltaje varió de 2 V a 14 V, con siete casos para proporcionar las siete transparencias necesarias del sistema PDLC propuesto.

Se midió la resistencia de PDLC, donde RPDLC = 120 kΩ y se supuso que Rs era 10 kΩ.

La resistencia de la carga consta de dos resistencias paralelas.

El valor de la resistencia del estado se puede derivar de la Ecuación (1) y el resultado es el siguiente:

El voltaje en el PDLC según el divisor de voltaje viene dado:

Las diversas resistencias de carga en diferentes casos de la Ecuación (3) se pueden derivar de la siguiente manera:

Se utilizó la ecuación (1) para calcular las resistencias en cada caso. Supusimos que los siete escenarios de la Tabla 3 con siete voltajes que oscilaban entre 2 y 14 voltios produjeron distintas gradaciones en la película PDLC. En cada situación, se puede calcular la resistencia de carga total y se puede sustituir un valor en la ecuación (2) para calcular Rcase.

La Tabla 3 no muestra ninguna diferencia entre la resistencia de carga y la resistencia de la caja. La razón de este resultado es que la resistencia de carga comprendía dos resistencias paralelas, una de las cuales era la resistencia de la película, que tenía un valor muy alto en comparación con la resistencia de la caja. Según las leyes matemáticas, la suma de dos resistencias paralelas, en las que la primera es muy pequeña y la segunda muy grande, es igual a una aproximación de la pequeña.

La Figura 3 muestra el diagrama de flujo del sistema DDIG propuesto para el flujo de trabajo:

2.4. Sistema de doble acristalamiento aislante dinámico, DDIG

Para formar un sistema de acristalamiento con aislamiento dinámico único para edificios residenciales en climas cálidos, se aplicó doble acristalamiento con película intercambiable PDLC en la superficie interior frente al entorno de la celda de prueba, combinado con un panel exterior con una capa de baja emisividad aplicada en el interior. superficie que mira a la cavidad. Se eligieron transparencias dinámicas para hacer frente a la radiación solar dinámica durante el día. Esta tecnología también proporcionó la flexibilidad de cambiar a un estado transparente para proporcionar una conexión exterior durante el día y de cambiar a un estado de color para proteger la privacidad durante la noche.

Para lograr diferentes transparencias de DDIG, se podría aplicar un voltaje diferente a la piel interna del sistema, que tenía una película PDLC usando un Arduino con un voltaje escalonado de 2 V a 14 V para obtener diferentes niveles de transparencia. La Tabla 4 muestra el DDIG con diferentes transparencias de película PDLC, comenzando con el estado coloreado (t1-colo), seguido de t2 a t7 y terminando con el estado transparente (t8-trans). Las fotografías de la Tabla 4 se tomaron cuando los dos lados del DDIG estuvieron expuestos a la misma intensidad de luz.

Tabla 4. Fotografías de diferentes transparencias DDIG en comparación con cabeza de alfiler de 6 mm y vidrio transparente. Ambos lados estuvieron expuestos a la misma iluminación.

La Tabla 5 resume el diseño de experimentos con los dos parámetros de diseño, a saber, la transparencia DDIG y la intensidad de la radiación solar que involucran 6 × 8 = 48 pruebas. La transparencia dinámica de DDIG fue controlada por un Arduino, proporcionando ocho transparencias de gradiente. Estos dos parámetros de diseño se investigaron para tres parámetros de respuesta, a saber, la temperatura de la superficie del acristalamiento, la temperatura del aire de la celda de prueba y los lux de iluminación en la celda de prueba. La Figura 4 muestra una fotografía de la configuración experimental utilizada para evaluar el sistema DDIG propuesto.

Tabla 5. Diseño de los experimentos, 48 ​​casos.

3.1. Evaluaciones comparativas-línea de base

Los experimentos en este estudio comenzaron con una investigación preliminar para comparar el acristalamiento de ventanas PG simple comúnmente utilizado en edificios residenciales de Najran con el sistema DIG de acristalamiento de doble aislamiento (baja emisividad). Comenzar los experimentos comparando Clear Glass CG y PG con DIG (es decir, la línea de base del sistema DDIG propuesto) proporcionó una imagen más clara de la confiabilidad de los experimentos y las mediciones debido a las grandes diferencias en los valores. Las comparaciones se realizaron en función de las diferencias en la temperatura del aire exterior/interior y las superficies de vidrio, además de los lux dentro de la celda de prueba.

La Figura 5 muestra que la celda de prueba estuvo expuesta a una irradiancia solar de 800 W/m2, y la temperatura ambiente (sala de laboratorio) se mantuvo entre 28,1 y 28,8 °C mientras el aire acondicionado se mantuvo apagado durante el período de experimentos. Otros factores, como la velocidad del aire y la humedad relativa en la sala del laboratorio, se consideraron constantes e insignificantes, ya que no se produjeron cambios en el ambiente de la sala del laboratorio durante el período del experimento.

La Figura 5 compara la temperatura del aire y la temperatura de la superficie del vidrio de CG, PG, DIG y DDIG-trans bajo una irradiación solar de 800 W/m2, que corresponde al valor máximo en superficies horizontales para días soleados en verano en Arabia Saudita [36]. La comparación de la temperatura dentro de la celda de prueba mostró que PG funcionó mejor que CG, con una pequeña diferencia de 0,5 °C después de una exposición de 60 minutos a la lámpara del simulador solar. Durante esta corta duración de la prueba, DIG contribuyó significativamente a controlar la ganancia de calor en interiores, con una reducción de 2,2 °C en comparación con PG. La aplicación de una película PDLC en su estado transparente a la piel interna de DIG (DDIG-trans) dio como resultado una ligera mejora (menos de 0,5 °C) en el control de la ganancia de calor solar hacia el interior en comparación con la línea de base de DIG.

La Figura 5 también muestra que la temperatura de la superficie interna de DIG alcanzó los 38 °C con una reducción de aproximadamente 17 °C en comparación con el PG común, que tiene una temperatura de la superficie interna de aproximadamente 55 °C. Un aumento en la temperatura de la superficie interna de aproximadamente 3,3 °C en el gráfico de DDIG-trans en comparación con el vidrio interno de DIG se puede atribuir a los datos espectrales de la película PDLC en la piel interna de DDIG, que tiene una mayor absorción de energía solar. en comparación con el cristal transparente del DIG.

Se realizó una investigación preliminar sobre el desempeño del sistema de acristalamiento propuesto (DDIG) en su estado transparente (DDIG-trans) en comparación con el PG y DIG, que se utilizan en edificios residenciales con diferentes porcentajes de uso. Se encontró que DIG era el menos utilizado debido a su alto costo. Sin embargo, el uso de DIG también tiene desventajas debido al uso de color (vidrio tintado), que reduce la transmisión de luz y limita la conexión clara con el exterior y la privacidad de los residentes, especialmente de noche. Sin embargo, después de explorar el rendimiento térmico y lumínico del sistema DDIG propuesto, las siguientes secciones proporcionan experimentos extensos y discusión sobre las transparencias dinámicas del DDIG para igualar la radiación solar dinámica y el día/noche.

3.2. Transparencia dinámica de DDIG de acuerdo con la dinámica de la radiación solar

La radiación solar varía durante el día y en diferentes fachadas y orientaciones de los edificios. Estas variaciones requieren el diseño de ventanas dinámicas que proporcionen sombra en épocas de alta intensidad solar en verano, permitan la opción de mayor iluminación natural y conexión exterior en épocas de menor radiación solar y consideren la protección inteligente de la privacidad de los usuarios frente a la exposición al exterior. El sistema de ventana DDIG propuesto, que incorpora un revestimiento de baja emisividad y sombreado dinámico de película PDLC, se examinó bajo diferentes intensidades de irradiación solar con diferentes transparencias.

3.2.1. Rendimiento Térmico de Varias Transparencias del Sistema DDIG

Los extensos experimentos realizaron 48 casos (Tabla 5). Se expusieron ocho transparencias diferentes de DDIG (t1-t8) a un simulador solar interior constante a diferentes intensidades de irradiación (a saber, 1000, 800, 600, 400 y 200 W/m2) durante tiempos de exposición de 60 minutos. La temperatura fuera de la celda de prueba, es decir, la temperatura del laboratorio, se mantuvo entre 28,1 y 28,8 °C. Los resultados se trazan y demuestran en la Tabla 6 y se analizan de la siguiente manera:

Tabla 6. Transparencia dinámica del DDIG en función de varias intensidades de irradiación solar.

La Figura 6 resume los resultados, comparando las diferencias de temperatura entre la celda de prueba y el ambiente. Los valores proporcionados son un promedio de tiempos de exposición de 60 min a la lámpara del simulador solar para los 48 casos. Se encontró una pequeña diferencia en la temperatura del aire interior (menor control de ganancia de calor) con todas las transparencias de DDIG bajo altas irradiaciones solares de 1000 y 800 W/m².

Se encontró que una mejora en la capacidad del DDIG para reducir la ganancia de calor era inversamente proporcional a la intensidad de la radiación solar, donde la eficiencia del DDIG aumentaba a medida que disminuía la radiación solar. Además, las transparencias examinadas (particularmente t4, t5 y t6) no tuvieron una variación significativa en el control de la ganancia de calor en el espacio de la celda de prueba bajo todas las intensidades de radiación solar. Los gráficos lineales en la Figura 6 muestran que el DDIG coloreado tuvo un mejor control del calor bajo baja irradiación solar que bajo alta irradiación solar.

3.2.2. Validación del rendimiento térmico DDIG de ambos casos: coloreado y transparente

Los resultados anteriores mostraron que con una alta irradiación solar (por ejemplo, 800 W/m²), no se encontraron diferencias significativas entre los estados t1-colo y t8-trans en el control de la transmisión de calor hacia el interior. Para una mayor discusión y para confirmar estos resultados, el estudio repitió el experimento aumentando el tiempo de exposición a 120 min para cada caso. La Figura 7 compara el caso de referencia del DIG (doble vidrio con capa de baja emisividad aplicada al vidrio interior del panel exterior) con el sistema DDIG propuesto en sus dos estados: el estado transparente (DDIG_t8-trans.) y el estado coloreado (DDIG_t1). -colo.).

El lado izquierdo de la Figura 7 compara las diferencias de temperatura del aire entre el ambiente (sala de laboratorio) y el interior de la celda de prueba. Con una intensidad de irradiación de 800 W/m², las diferencias de temperatura del aire entre el DIG, el DDIG transparente y el DDIG de color fueron de 3,8, 3,7 y 3,4 °C, respectivamente. Una diferencia más baja indica un mejor rendimiento y un mayor control de la ganancia de calor. Por lo tanto, no se produjeron diferencias importantes entre estos casos en el control de la ganancia de calor, con una pequeña preferencia por el DDIG coloreado (t1-colo.) que confirma los resultados de la Figura 6 y la Tabla 6. Estos resultados concuerdan con los registrados por los autores de [ 26], quien realizó un análisis de espectro PDLC y encontró que la transmitancia solar se redujo en un 15,8% en el estado coloreado en comparación con el estado transparente.

Además, nuestros resultados concuerdan con los informados por los autores de [24], donde el estado coloreado de PDLC logró una reducción anual de energía del 12,8% en el clima cálido y árido de Riad, Arabia Saudita. Por el contrario, el resultado encontrado por los autores de [22] concluye que el PDLC coloreado aplicado a un acristalamiento simple aumenta la ganancia de calor en comparación con su estado transparente. Sin embargo, la mejora en el control de la transferencia de calor en el presente estudio se puede atribuir a la integración de la película PDLC con acristalamiento aislante de baja emisividad en una ventana doble que formó el sistema DDIG propuesto.

En términos de temperatura de la superficie del vidrio con 120 minutos de exposición a la lámpara del simulador solar, la Figura 7 muestra un rápido aumento en las diferencias de temperatura de las superficies acristaladas del DDIG. Después de 75 minutos, las diferencias de temperatura comenzaron a estabilizarse y se mantuvieron en valores aproximadamente iguales en ambos estados, es decir, los estados transparente y coloreado. La línea de base del DIG mostró una respuesta diferente, donde la temperatura de la superficie del vidrio continuó aumentando a medida que el sistema de ventanas estaba expuesto a la lámpara del simulador solar. Esto indicó la ventaja del DDIG en el control de la ganancia de calor en comparación con la ventana de referencia del DIG.

La Figura 7 también muestra que las diferencias entre las temperaturas de la superficie exterior e interior del vidrio de DIG, DDIG transparente y DDIG coloreado fueron 19,6, 16,5 y 17,9 °C, respectivamente. En particular, se encontró una diferencia menor en el DDIG transparente bajo la irradiación de 800 W/m². Después de 120 minutos de exposición, el vidrio exterior de DDIG transparente y DDIG coloreado tenía una temperatura superficial de aproximadamente 60,3 y 60,9 °C, respectivamente, mientras que la temperatura de la superficie interior era de 43,8 °C y 43,0 °C, respectivamente.

Sin embargo, la temperatura de la superficie del vidrio interior del DDIG permaneció más baja que la del exterior, lo que provocó una menor transmisión de energía térmica hacia el interior. Este hallazgo no está de acuerdo con los resultados encontrados por los autores de [22], donde la temperatura de la superficie interior del vidrio era mayor que la de la superficie exterior del vidrio, lo que provocaba que el calor fluyera hacia adentro. La mejora del DDIG propuesto se puede atribuir a su doble acristalamiento, que utiliza vidrio aislado de baja emisividad como primera piel y PDLC como segunda.

3.3. Transmisión de Iluminación y Lux de Iluminación con el Sistema DDIG

Se examinaron la transmisión de luz y la iluminación de las celdas de prueba para comprender cómo funciona cada caso en comparación. En relación con la iluminancia interior, el estudio tuvo como objetivo determinar qué tan bien un sistema DDIG con una variedad de transparencias podría transmitir luz a la celda de prueba bajo diferentes irradiancias del simulador solar de 100 W/m² a 1000 W/m².

La transmisión de luz se midió en la celda de prueba (medida de campo) usando dos luxómetros que estaban conectados a ambos lados del sistema DDIG. Uno de los luxómetros estaba fijado verticalmente a la piel exterior del panel de vidrio exterior, de cara a la lámpara del simulador solar. Al mismo tiempo, el segundo luxómetro se ubicó verticalmente en la parte posterior de la superficie de vidrio interior que daba al interior de la celda de prueba para medir la cantidad de luz que pasa a través del DDIG. Debido a la neblina del DDIG-colo, la luz se transmite en más ángulos que una muestra que no es nebulosa. Sin embargo, para una lectura precisa, el luxómetro se colocó 5 cm más allá de la piel interior.

Se utilizó un vidrio flotado transparente de 6 mm para validar los resultados de las pruebas de transmisión de luz. Por tanto, la transmisión de luz se calculó para el sistema DDIG utilizando la siguiente ecuación.

donde I = luz transmitida medida en el vidrio interior del DDIG e Io = luz incidente en el vidrio exterior del DDIG.

La Figura 8 muestra las transmisiones de luz del sistema DDIG. La transmisión de luz promedio para toda la irradiancia solar fue del 58%, 24% y 13% para el estado de vidrio transparente de 6 mm, transparente (t8-trans) y coloreado (t1-colo), respectivamente. Durante la baja irradiancia solar de 100 a 200 W/m², el DDIG ofreció una mayor transmisión de luz del 32,5 % en t8-trans en comparación con el 17 % en t1-colo. Esta variación indica que bajo baja irradiancia solar, DDIG-t1-colo pudo proporcionar luz en interiores además de controlar el deslumbramiento.

Bajo la alta irradiancia solar de 600 a 1000 W/m², la transmisión de luz varió entre el 18% y el 11% en t8-trans y t1-colo, respectivamente. Con observación directa, se puede lograr la protección de la privacidad interior con el rango de t1-colo a t4, con una transmisión de luz promedio que varía entre 13 y 16%, respectivamente. Sin embargo, estudios previos informaron que el coeficiente de turbidez PDLC de t1-colo fue del 71,4% y el de t8 fue del 6,4% [22].

En términos del rendimiento de la iluminación dentro de la celda de prueba con el sistema DDIG propuesto, las mediciones se tomaron a 150 mm de altura en el centro de la celda de prueba. Los resultados son función de diferentes irradiaciones solares y diferentes transparencias DDIG. La Figura 9 muestra que los lux de iluminación aumentaron gradualmente con el incremento de la transparencia DDIG. Por ejemplo, la iluminación dentro de la celda de prueba a 800 W/m² aumentó de 1430 lux en t1-colo a 1605 lux en t8-trans, un aumento de aproximadamente el 10%. Asimismo, bajo la baja irradiación solar de 200 W/m², se encontró un aumento de aproximadamente el 15 % en los lux de iluminación de 690 lux con t1-colo a 795 lux con t8-trans. Las transparencias dinámicas del DDIG mostraron un mayor control de los lux de iluminación dentro de la celda de prueba bajo baja irradiación solar que bajo alta irradiación solar.

Por lo tanto, las transparencias dinámicas del DDIG mantuvieron mejor los lux de iluminación interior (iluminación natural) bajo iluminación natural difusa que bajo luz solar directa. Sin embargo, el DDIG aún proporciona protección de la privacidad y puede proporcionar control del deslumbramiento de la luz del día (controlando la luz solar directa). Al comparar el estado de color del DDIG (t1-colo) con el PG común, se produjo una alta reducción del lux de iluminación, con un promedio de aproximadamente un 60 % menos bajo el DDIG con irradiaciones solares entre 400 W/m² y W/m². Bajo el estado coloreado del DDIG, un sombreado de luz más visible contribuyó a una mayor protección de la privacidad, además de su efecto en el control de la transmitancia térmica. La transparencia dinámica de la película PDLC integrada con acristalamiento de baja emisividad como doble acristalamiento (sistema DDIG) proporcionó la flexibilidad para responder a los deseos de los inquilinos de acuerdo con la radiación solar dinámica y la protección de la privacidad del hogar durante el día y la noche.

3.4. Óptima transparencia del sistema DDIG para viviendas en clima cálido

La importancia de las transparencias dinámicas del sistema DDIG propuesto para edificios residenciales en climas cálidos de la ciudad de Najran se debe a su capacidad de responder a la radiación solar dinámica que contribuye al control del deslumbramiento de la luz del día y a reducir la ganancia de calor, particularmente en comparación con el acristalamiento convencional PG. que se utiliza principalmente en edificios residenciales de Najran. El DDIG también proporciona protección de privacidad dinámica y garantiza una conexión exterior dependiendo de las condiciones exteriores.

El concepto responde a puntos de ajuste solares seleccionados (de 100 W/m² a 1000 W/m²) combinados con diferentes transparencias del DDIG (t1-colo a t8-trans). Funciona mediante la integración entre dos sensores de lux ubicados en el exterior y el interior de los espacios, además de un sensor de radiación solar exterior. Con base en los resultados discutidos anteriormente, la Tabla 7 resume las transparencias óptimas del DDIG en relación con la radiación solar dinámica, los lux de iluminación y la protección de la privacidad. Las transparencias óptimas de la DDIG se concluyeron de la siguiente manera.

Tabla 7. Transparencias propuestas de la DDIG según la irradiancia solar externa.

3.5. limitaciones del estudio

El sistema DDIG fue examinado con una variedad de transparencias bajo diferentes irradiancias solares. Sin embargo, fue difícil mantener una irradiancia solar exterior particular de 100 W/m² a 1000 W/m² para examinar los ocho casos de DDIG (t1-colo a t8-trans) en cada sol individual. Para reducir los efectos de las condiciones ambientales exteriores, se utilizó un modelo a pequeña escala para obtener mediciones precisas de la ganancia de calor solar, el rendimiento térmico y la transmisión de luz del sistema DDIG en un ambiente interior considerando sólo el sistema de vidrio propuesto. Esto ayudó a generar transparencia dinámica que coincidía con los puntos de ajuste de control para optimizar el rendimiento del sistema DDIG. Además, un modelo a pequeña escala requería bajos costos y espacio.

Además, en el presente experimento se utilizó un simulador solar para investigar variables en condiciones controladas y repetibles. Se utilizó una lámpara de halogenuros metálicos porque proporciona una buena correspondencia espectral con la salida solar, particularmente para aplicaciones térmicas. Sus fuentes de luz están disponibles comercialmente y no requieren una fuente de alimentación compleja y costosa [32,37]. Las lámparas de halogenuros metálicos tienen limitaciones para proporcionar un rendimiento estable, provocando la aparición de algunas fluctuaciones en los resultados de este estudio, especialmente al inicio y al final de cada caso. Para superar esta debilidad, los experimentos se repitieron aumentando el tiempo de exposición de 60 min a 120 min (como se muestra en la Figura 7). El análisis excluyó 5 minutos desde el inicio y el final de las mediciones en los que la lámpara era inestable.

4.1. Rendimiento térmico del sistema de ventanas DDIG propuesto

4.2. Transparencias óptimas con puntos de ajuste solares

El concepto fue la respuesta de diferentes transparencias de DDIG (t1-colo a t8-trans) a puntos de ajuste solares seleccionados (100 W/m² a 1000 W/m²). En general, las transparencias dinámicas del DDIG no tuvieron una diferencia significativa en el control de la ganancia de calor dentro de la celda de prueba.

4.3. En términos de iluminación interior

El estado coloreado de DDIG (t1-colo) redujo el lux de iluminación en el plano de trabajo de la celda de prueba con un promedio de aproximadamente un 60% en comparación con el PG translúcido bajo todas las intensidades de irradiación solar de 400 W/m2 a 800 W/m2. Las transparencias dinámicas del DDIG mostraron un mayor control de los lux de iluminación dentro de la celda de prueba bajo intensidades de radiación solar bajas que bajo intensidades de radiación solar altas. La transmisión de luz promedio (los luxómetros estaban conectados verticalmente a ambos lados del DDIG) fue del 58 %, 24 % y 13 % para el CG de 6 mm, el DDIG-t8-trans y el DDIG-t1-colo, respectivamente.

Para más estudio : En el clima cálido de Arabia Saudita, el diseño de ventanas implica una ganancia de calor solar en verano que es mucho más crítica que la pérdida de calor en invierno. Sin embargo, los estudios futuros se centrarán en un sistema de ventana reversible de DDIG que tiene un panel de baja emisividad hacia adentro y un panel PDLC hacia afuera en invierno, en comparación con el orden inverso en verano.

El sistema DDIG podría mejorarse integrando triple acristalamiento con capas dobles de película PDLC intermedias para aumentar la capacidad del sistema de protección solar y evitar que la radiación solar absorbida entre al interior. Los resultados de este trabajo serán beneficiosos para que los ingenieros de construcción los incorporen en la modernización o el diseño de un nuevo edificio de bajo consumo energético con doble acristalamiento intercambiable PDLC.

Contribuciones de autor

Conceptualización, AMQ y AHMA; Investigación, AMQ y AHMA; Metodología, AMQ y AHMA; Software, AHMA; Redacción del primer borrador, AMQ; Visualización, AMQ Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Fondos

Los autores agradecen al Decanato de Investigación Científica de la Universidad de Najran por financiar este trabajo bajo el código de subvención del programa de Financiamiento General de Investigación (NU/-/SERC/10/562).

Declaración de la Junta de Revisión Institucional

No aplica.

Declaración de consentimiento informado

No aplica.

Declaración de disponibilidad de datos

Los datos utilizados para respaldar los hallazgos de este estudio están disponibles a pedido de los autores.

Conflictos de interés

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia ni relaciones personales conocidas que pudieran haber influido en el trabajo presentado en este artículo.