STEAM教育｜环保智能家居 打造理想生活｜星岛教室
2024-04-11 12:36 
香港寸金尺土，房屋越来越迷你。为了扩大室内的空间感，建筑商想尽办法，利用2厘米玻璃取代10厘米水泥，让房子看起来更大更时尚。不过，在炎热的夏天，这样的设计亦会让室内温度飙升，这时我们只能依赖冷气大军来帮助我们，降一降室内的温度，但这可是环保的大敌！
热的传递
在探索玻璃外墙为何会令室内温度升高之前，让我们先揭开热传递的神秘面纱。热的传递有3种方式： 热传导、热对流及热辐射。
热传导：物体内部或相互接触的物体表面之间的一个分子向另一个分子传递振动能，使热能从高温部分向低温部分转移。我们把金属的一端放在火上加热，但并未有接触火的另一端也慢慢感到热力，就是因为热传导。
热对流：由于流体物质的运动而引起各部分之间发生的相对位移，冷热流体流动所引起的热量传递过程。在空气或水加热时，因底部较接近火源而温度较热，体积因而膨胀，密度变小而上升。而冷的流体则因密度较大而下降，会形成循环。最终整个流体温度皆上升就是因热对流。
热辐射：是直接通过电磁波辐射向外发散热量，电磁波辐射主要包括无线电波、微波、红外线、可见光等等。「热辐射」与前两者有显著不同，它的传递不需要依靠介质进行传播，在空气也没有的真空环境下亦可以传播热力。太阳与地球之间的浩瀚宇宙正正是一个真空的环境，所以太阳的热力都是以电磁波辐射的形式传到地球，其中的可见光是一个重要的组成部分。因此我们在阳光底下会感觉十分温暖，在没有阳光时又会感觉较凉快。
在了解热力怎样从一个地方传送到另一个地方之后，我们回过头看看玻璃幕墙设计的大厦。地球自然界的热力主要来自太阳。在玻璃幕墙的大厦，太阳的热通过「热辐射」及「热传导」直接穿透玻璃，把热力带进室内，加上室内的空气流通未必足够，热力不容易通过「热对流」散去，便会造成室内的温度上升（温室设计的原理，就是使用透光物料建造，让热辐射进入室内达致提高室内温度的效果，以适合植物生长），这样便需要使用大量的空调降温，不但不环保，还需要支付昂贵电费。
智能玻璃窗
有部分人会在玻璃贴上防晒隔热玻璃薄膜，用以遮挡阳光进入室内。虽然这样可减少进入室内的电磁波辐射，以达致降温效果，但在晚上却因室内与室外环境光暗差距的关系，人们在室内再难以观看户外美丽的夜景，反之室外却可清晰观看屋内情况，造成私隐问题。
智能玻璃窗的使用，可按不同需要，调节透明度的窗户，从而控制热辐射的传递。在夏季，当外部阳光强烈时，可调节窗户的透明度为近乎不透明，以减少阳光的进入并减少热辐射。在冬季，可将窗户调节为较高的透明度，以利用阳光的热辐射来提供额外的加热。
此外，部分智能玻璃窗可使用多层玻璃，并在玻璃间填充气体或利用真空技术，形成热绝缘层。这可以更有效阻止热通过窗户传导。
学生设计︰
智慧节能玻璃窗
早前本校几位同学就曾经因应这个问题，加上AI功能，设计了一个「智慧节能玻璃窗」参加比赛，希望在节能的同时，还可以兼顾保障个人私隐和维持能欣赏窗外景物的环境。
同学设计是将不同深浅色的防晒隔热玻璃薄膜卷起收藏于窗框上下方，进而利用光敏电阻感应室外光线强度的改变，再使用单板电脑编程操控电机马达，因应不同光线强度控制在夹层玻璃中升起不同深浅色的防晒隔热膜，达致在白天室外强光时自动升起深色防晒隔热膜，阻隔阳光以便降温并减少使用空调节省能源。但在晚上或室外黑暗时则自动降下防晒隔热膜，使窗外的美丽夜景仍可清晰观看。而当有需要时又可手动控制升起不透明的相片，窗户变成巨大的相架代替窗帘达致保障私隐效果。
小思考，大智慧
保暖壶有甚麽设计，可以令物件保持温度？
参考答案
保温壶就是针对热传递的3种方式来设计。首先，是针对「热传导」和「热对流」，必须有介质用以传送热力的特性。故保温壶都会设计成有双层中空，夹层中间形成真空。在没有介质情况下，可有效降低热力通过「热传导」和「热对流」2种情况造成的散失。但「热辐射」是不需要介质的，所以这时热还是可以通过「热辐射」，以红外线形式散失（疫情期间常常使用到的红外线体温计，就是通过测量皮肤散发出的红外线，以检测体温），所以保温壶就有另一种设计以针对「热辐射」的流失。若打开保温壶向内观察，会发现保温壶内部都是银色或是镜像的设计（因生产成本问题，部分保温壶可能没有这个设计，因而保温效果会较低），它的作用就像用电筒照向玻璃镜一样，把红外线反射回保温壶内，防止热力以「热辐射」形式散失。保温壶通过这些设计，就能减低内部的热力向外散失，保温壶内的热水就可以长时间保持温度。
本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。
文：中华基督教会基湾小学（爱蝶湾）副校长郭宇田、中华基督教会基湾小学（爱蝶湾）老师余树恒
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