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Aug 30, 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

Fecha: 24 de noviembre de 2022

Autores: Abdultawab M. Qahtan y Abdulkarem HM Almawgani

Fuente:Edificios2022 , 12(8), 1249; https://doi.org/10.3390/edificios12081249

Diseñar ventanas en climas cálidos que permitan a los ocupantes controlar fácilmente sus preferencias en una casa inteligente es de considerable importancia. Este documento tiene como objetivo contribuir a este tema al examinar el potencial de un sistema de ventana inteligente que tiene doble acristalamiento con aislamiento dinámico (DDIG) para evitar la ganancia de calor y maximizar la luz del día en el interior, considerando la protección inteligente de la privacidad durante el día y 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 el 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 radiación solar, no se encontraron diferencias significativas en el control de la ganancia de calor en la celda de prueba entre el DDIG coloreado (DDIG-colo) y el DDIG transparente (DDIG-trans). Se encontró una reducción gradual entre DDIG-trans y DDIG-colo con la disminución de la intensidad solar, 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 mayor reducción bajo baja irradiación solar. La DDIG también proporcionó protección de privacidad y otorgó preferencias de usuario 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 los 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 mediante el diseño de ventanas para controlar la ganancia de calor solar [1]. El control de la ganancia de calor solar a través del acristalamiento de las ventanas se puede hacer de dos maneras. El primero es bloquear la radiación solar directa, que atraviesa el acristalamiento de la ventana como radiación de onda corta y luego forma un efecto invernadero en el entorno cerrado [5]. Este enfoque se puede controlar mediante el 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]. Aquí, la reducción de la emisividad de las superficies de vidrio es una opción y se puede obtener mediante recubrimientos reflectantes del calor [8]. Sin embargo, en climas cálidos y áridos, controlar la ganancia de calor mediante el acristalamiento de ventanas convencional es un desafío. La revisión del mercado de la ciudad de Najran, Arabia Saudita, donde se realizó este estudio, mostró que los acristalamientos típicos de las ventanas que se usan en los edificios residenciales son el vidrio translúcido (vidrio de cabeza de alfiler PG que se usa principalmente con fines de privacidad) y el vidrio polarizado. 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 al exterior.

El vidrio tintado viene en varios colores (bronce, verde y gris) y tiene menos valor U en comparación con el translúcido de PG. En climas cálidos y áridos, el principal inconveniente del vidrio polarizado es que absorbe una gran cantidad de radiación infrarroja (IR). En el caluroso clima de 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 polarizado, que finalmente se transmite al interior [4]. El acristalamiento tintado también provoca una reducción de la luz visible según el grado de tinte [10,11], la orientación de la ventana y la estación [12].

El vidrio de baja emisividad que refleja el calor es la opción preferida para entornos de 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, el calor se libera hacia el exterior del edificio. Para mantener la durabilidad del revestimiento de baja emisividad, se debe utilizar un doble acristalamiento con vacío [14]. En clima cálido, 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 polarizado para reducir la ganancia de calor solar óptico directo [16].

Sin embargo, este tinte hace que el vidrio de baja emisividad reduzca la iluminación de la luz del día en el interior y no tiene flexibilidad para responder a las diferentes horas del día y el clima. En particular, no puede proporcionar fácilmente protección de la privacidad durante la noche. Por lo tanto, se necesita un tinte inteligente y dinámico (película) 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 al exterior. Por otro lado, los vidrios coloreados y tintados pueden mejorar la privacidad del hogar durante el día pero no brindan privacidad durante la noche. También reduce la iluminación natural durante el día [10,11]. Actualmente, no existe en el mercado un acristalamiento de ventana que pueda proporcionar tanto privacidad como conexión con el exterior durante el día y la noche.

En este contexto, una solución única es un sistema de ventanas que incorpora un vidrio inteligente y dinámico. Los tipos más populares de vidrio inteligente incluyen electrocrómico (EC) y cristal líquido disperso de polímero (PDLC). Estos tipos de vidrio inteligente con señales eléctricas pueden permitir una mayor transmisión de la luz del día en ambos estados, transparente y translúcido [18]. También disminuyen la transmisión de la radiación solar sin necesidad de dispositivos de sombra, como persianas [19], y también se pueden utilizar para la protección de 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 tasa de coloración de 1 segundo o menos [23].

Se han realizado varios estudios en relación con los acristalamientos de ventanas con una película de PDLC. Hemaida et al. [24] investigó 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). Llegaron a la conclusión de que la ventana PDLC fue más eficaz con una reducción de refrigeración del 12,8 % (clima árido) que una reducción de calefacción del 4,9 % (clima templado). También encontraron que el PDLC proporcionó una excelente iluminación interior en ambos climas.

En otro estudio, Hemaida et al. [22] examinó 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 eficaz para la calefacción en un clima frío, con valores del 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 de 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 et al. [26] evaluó las propiedades ópticas de cuatro tipos de películas PDLC y concluyó que la película PDLC redujo el consumo anual de energía del edificio y mejoró el rendimiento de la luz del día al considerar la prevención del deslumbramiento, que es la función más básica de los dispositivos de protección solar. La Tabla 1 resume los estudios previos realizados sobre las propiedades térmicas y de iluminación de PDLC en los estados transparente y translúcido.

Tabla 1. Propiedades térmicas y de iluminación del acristalamiento PDLC.

En resumen, en el concepto de hogar inteligente, una de las características de soporte clave es la capacidad de monitorear los cambios dinámicos de la radiación solar y luego usar ventanas inteligentes para operar de manera eficiente en energía [27,28]. Este estudio tiene como objetivo investigar el potencial de un sistema de ventana inteligente que tiene doble acristalamiento con aislamiento dinámico (DDIG) para evitar el aumento de calor y maximizar la luz natural en el interior sin sacrificar la protección de la privacidad del hogar durante el día y la noche. Por lo tanto, el estudio propone un sistema DDIG, a saber, doble acristalamiento con un revestimiento de baja emisividad en la superficie interior del panel de vidrio exterior, combinado con una película conmutable 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 brinda protección de privacidad dinámica para edificios residenciales.

2. Metodología

Los métodos experimentales básicos capaces de evaluar el rendimiento de los edificios 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 las envolventes de los edificios [30]. Aunque el rendimiento térmico y de iluminación puede no ser el mismo que el de 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 de 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 en el rendimiento térmico y los lux de iluminación dentro de la celda de prueba y la capacidad del sistema para brindar protección de privacidad en el hogar.

2.1. Celda de prueba, sistema de acristalamiento e instrumentación

Las mediciones se realizaron en una celda de prueba ambiental a pequeña escala de 80 cm de ancho, 80 cm de profundidad y 60 cm de altura, 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 +6 mm contrachapado). La celda de prueba se construyó en paredes dobles con un espacio de 10 cm en las dos paredes laterales y 20 cm en la pared trasera, formando dimensiones interiores de 60 L × 60 W × 60 H en una habitación cúbica sin amueblar 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 fueron coloreadas con pintura blanca.

La pared frontal (60 cm de ancho), que tenía una ventana de 30 cm × 30 cm, resultó en un WWR del 25 %, que es un 5 % más que el recomendado por el Código de Construcción de Arabia Saudita del 20 % WWR [31]. Esto se debe a que los vendedores proporcionan muestras de acristalamiento 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, iluminación 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 superficial, temperatura del aire y lux para medir su desempeño a través del DDIG. Se usó un registrador de datos LSI R-Log para medir la temperatura del aire dentro de la celda de prueba y el ambiente (sala de laboratorio), la temperatura interior y exterior de la superficie de vidrio y el lux de iluminación dentro de la celda de prueba. Se utilizó un termómetro infrarrojo de Extech al comienzo de la prueba para reducir la incertidumbre de la medición. Se adjuntó un sensor BH1750FVI al lado de 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 cubren todo el rango de longitud de onda de la 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 va desde 200 nm hasta mucho más allá de 2500 nm, y temperaturas que van desde 5000 K a 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 de halogenuros metálicos blanco cálido Osram 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 luxómetro Extech HD 450 que mide de 0,0 a 400 Klux, con una precisión básica de ±5%. El factor de conversión de lux de iluminancia a radiación solar fue de 1 W/m², equivalente a 116 para la luz artificial de los simuladores solares y 120 para la luz solar natural al aire libre [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 programa 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 de punto de ajuste dinámico

El Arduino ajustó el porcentaje de transparencia del vidrio PDLC de acuerdo con la operación de control de punto de ajuste dinámico. 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 de 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. Medida de resistencia en diferentes casos de transparencia.

El voltaje varió de 2 V a 14 V, con siete cajas 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 sobre la carga consta de dos resistencias paralelas.

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

Se da el voltaje en el PDLC según el divisor de voltaje:

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. Asumimos que los siete escenarios en la Tabla 3 con siete voltajes que van de 2 a 14 voltios produjeron gradaciones distintas 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 del flujo de trabajo:

2.4. Sistema de Acristalamiento Aislante Doble Dinámico, DDIG

Para formar un sistema de acristalamiento aislante dinámico único para edificios residenciales en climas cálidos, se aplicó el doble acristalamiento con película intercambiable PDLC en la superficie interior que da al entorno de la celda de prueba, combinado con un panel exterior con una capa de baja emisividad aplicada en el interior. superficie que da a la cavidad. Se eligieron transparencias dinámicas para hacer frente a la radiación solar dinámica durante el día. Esta tecnología también brindó la flexibilidad de cambiar a un estado transparente para proporcionar una conexión exterior durante el día y 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 utilizando un Arduino con un voltaje de paso de 2 V a 14 V para obtener diferentes niveles de transparencia. La Tabla 4 demuestra 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 se expusieron a la misma intensidad de luz.

Tabla 4. Fotografías de diferentes transparencias DDIG comparadas con cabeza de alfiler de 6 mm y vidrio transparente. Ambos lados estaban 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 degradadas. 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 el 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 ventana PG simple de uso común en edificios residenciales de Najran con el sistema DIG de acristalamiento con doble aislamiento (baja emisividad). Comenzar los experimentos comparando Clear Glass CG y PG contra 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 del lux dentro de la celda de prueba.

La figura 5 muestra que la celda de prueba se expuso a una radiación solar de 800 W/m2 y la temperatura ambiente (sala de laboratorio) se mantuvo entre 28,1 y 28,8 °C ya que 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 ocurrieron cambios en el ambiente de la sala de 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 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. Dentro de 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 de PDLC en su estado transparente a la piel interior 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 alrededor de 17 °C en comparación con el PG común, que tiene una temperatura de la superficie interna de alrededor de 55 °C. Un aumento en la temperatura de la superficie interna de aproximadamente 3,3 °C en la trama 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 más 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 los PG y DIG, que se utilizan en edificios residenciales con diferentes porcentajes de uso. DIG resultó ser el menos utilizado debido a su alto costo. Sin embargo, el uso de DIG también tiene desventajas por el uso de color (vidrio polarizado), que reduce la transmisión de luz y limita la conexión clara al exterior y la privacidad de los residentes, particularmente de noche. Sin embargo, después de explorar el rendimiento térmico y lumínico del sistema DDIG propuesto, las siguientes secciones brindan extensos experimentos y discusiones sobre las transparencias dinámicas de DDIG para que coincidan con la radiación solar dinámica y el día/noche.

3.2. Transparencia Dinámica de DDIG con Acuerdo a la Dinámica de la Radiación Solar

La radiación solar varía durante el día y en las diferentes fachadas y orientaciones de los edificios. Estas variaciones requieren el diseño de ventanas dinámicas que brinden sombra en momentos de alta intensidad solar en verano, permitan la elección de una mayor iluminación natural y conexión al exterior en momentos 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. Desempeño Térmico de Varias Transparencias del Sistema DDIG

Los extensos experimentos corrieron 48 casos (Tabla 5). Se expusieron ocho transparencias diferentes de DDIG (t1–t8) a un simulador solar interior constante a diferentes intensidades de irradiación (es decir, 1000, 800, 600, 400 y 200 W/m2) durante tiempos de exposición de 60 min. 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 grafican y demuestran en la Tabla 6 y se discuten de la siguiente manera:

Tabla 6. Transparencia dinámica de la DDIG en función de diversas intensidades de irradiación solar.

La Figura 6 resume los resultados, comparando las diferencias de temperatura entre la celda de prueba y el entorno ambiental. Los valores proporcionados son un promedio de 60 minutos de exposición a la lámpara del simulador solar para los 48 casos. Se encontró una diferencia menor 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 de la Figura 6 muestran que el DDIG coloreado tenía un mejor control del calor con baja irradiación solar que con alta irradiación solar.

3.2.2. Validación del Desempeño Térmico DDIG de Ambas Cajas: Coloreada y Transparente

Los resultados anteriores mostraron que con alta irradiación solar (p. ej., 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 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 coloreado 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.), lo que confirma los resultados de la Figura 6 y la Tabla 6. Estos resultados concuerdan con los registrados por los autores de [ 26], que 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 Riyadh, Arabia Saudita. Por el contrario, el resultado encontrado por los autores de [22] concluye que el PDLC coloreado aplicado a un solo acristalamiento 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 cuanto a la temperatura de la superficie del vidrio con 120 min de exposición a la lámpara del simulador solar, la Figura 7 muestra un rápido aumento en las diferencias de temperatura de las superficies vidriadas del DDIG. Después de 75 min, las diferencias de temperatura comenzaron a estabilizarse y se mantuvieron en valores aproximadamente iguales en ambos estados, a saber, los estados transparente y coloreado. La línea de base del DIG mostró una respuesta diferente, donde la temperatura de la superficie del vidrio siguió aumentando a medida que el sistema de ventanas se exponía 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 del vidrio exterior e interior 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 min de exposición, el vidrio exterior de DDIG transparente y DDIG de color tenía una temperatura superficial de aproximadamente 60,3 y 60,9 °C, respectivamente, mientras que la temperatura de la superficie interna era de 43,8 °C y 43,0 °C, respectivamente.

Sin embargo, la temperatura de la superficie del vidrio interior del DDIG se mantuvo más baja que la del exterior, lo que provocó una menor transmisión de energía térmica hacia el interior. Este hallazgo está en desacuerdo con los resultados encontrados por los autores de [22], donde la temperatura de la superficie del vidrio interior era más alta que la de la superficie del vidrio exterior, lo que provocaba que el calor fluyera hacia el interior. 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 e Iluminación Lux con el Sistema DDIG

Se examinaron la transmisión de luz y la iluminación de la celda de prueba para comprender cómo se comporta cada caso en comparación. En relación con la iluminación 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 irradiaciones de simulador solar de 100 W/m² a 1000 W/m².

La transmisión de luz se midió en la celda de prueba (medida de campo) utilizando dos luxómetros que se conectaron a ambos lados del sistema DDIG. Uno de los luxómetros estaba unido 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 miraba hacia el interior de la celda de prueba para medir la cantidad de luz que pasa a través del DDIG. Debido a la turbidez del DDIG-colo, la luz se transmite en más ángulos que una muestra que no está turbia. 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 lo tanto, la transmisión de luz se calculó para el sistema DDIG usando la siguiente ecuación.

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

La figura 8 muestra las transmisiones de luz del sistema DDIG. La transmisión de luz promedio para toda la irradiación solar fue de 58%, 24% y 13% para el estado de vidrio claro, transparente (t8-trans) y coloreado (t1-colo) de 6 mm, respectivamente. Durante la irradiancia solar baja 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 radiación solar, DDIG-t1-colo pudo proporcionar luz en interiores además de controlar el deslumbramiento.

Bajo la alta irradiación solar de 600 a 1000 W/m², la transmisión de luz varió entre 18% y 11% en t8-trans y t1-colo, respectivamente. Con la observación directa, la protección de la privacidad en interiores se puede lograr 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 de PDLC de t1-colo fue del 71,4 % y el de t8 fue del 6,4 % [22].

En cuanto al rendimiento de iluminación dentro de la celda de prueba con el sistema DDIG propuesto, las mediciones se tomaron a una altura de 150 mm 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 alrededor del 10 %. Asimismo, bajo la baja irradiación solar de 200 W/m², se encontró un aumento de alrededor del 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 del 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 la iluminación interior lux (luz natural) bajo luz diurna difusa que bajo luz solar directa. Sin embargo, el DDIG aún brinda protección de privacidad y puede proporcionar control del deslumbramiento de la luz del día (al controlar la luz solar directa). Al comparar el estado coloreado del DDIG (t1-colo) con el PG común, se produjo una gran reducción del lux de iluminación, con un promedio de aproximadamente un 60 % más bajo bajo el DDIG con irradiaciones solares entre 400 W/m² y W/m². Bajo el estado de color 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 transmisión 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. Transparencia Óptima 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 para responder a la radiación solar dinámica que contribuye al control del deslumbramiento de la luz del día y a la reducción de la ganancia de calor, en particular cuando se compara con el acristalamiento convencional PG que se utiliza principalmente en edificios residenciales de Najran. El DDIG también proporciona protección de privacidad dinámica y otorga una conexión exterior dependiendo de las condiciones exteriores.

El concepto responde a consignas solares seleccionadas (100 W/m² a 1000 W/m²) combinadas con diferentes transparencias de la DDIG (t1-colo a t8-trans). Funciona por 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 en función de la irradiancia solar externa.

3.5. limitaciones del estudio

El sistema DDIG se examinó con una variedad de transparencias bajo diferentes irradiaciones solares. Sin embargo, fue difícil mantener una radiación 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 solo el sistema de vidrio propuesto. Esto ayudó a dibujar una 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 coincidencia espectral con la salida solar, especialmente 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 son limitadas y proporcionan una salida estable, lo que provoca la aparición de algunas fluctuaciones en los resultados de este estudio, particularmente 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 las 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 iluminancia interior

El estado coloreado de DDIG (t1-colo) redujo el lux de iluminación en el plano de trabajo de la celda de prueba en un promedio de alrededor del 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 del 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 se conectaron 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 involucra la ganancia de calor solar en verano que es mucho más crítica que la pérdida de calor en invierno. Sin embargo, el estudio futuro se centrará en un sistema de ventanas reversibles de DDIG que tiene un panel de baja emisividad hacia adentro y un panel de PDLC hacia afuera en invierno, en comparación con el orden inverso en verano.

El sistema DDIG podría mejorarse mediante la integración de triple acristalamiento con capas dobles de película PDLC en el medio para aumentar la capacidad del sistema de protección solar y evitar que la radiación solar absorbida ingrese 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 con doble acristalamiento conmutable 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 de Investigación General (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 los autores previa solicitud.

Conflictos de interés

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