La tecnologia su scala nanometrica potrebbe elevare le prestazioni termiche delle finestre a vetro singolo e renderle come quelle delle finestre a doppio vetro.
I ricercatori della Penn State University hanno recentemente sviluppato una tecnologia in nanoscala che potrebbe aiutare a elevare le prestazioni termiche delle finestre a vetro singolo, portandole sullo stesso livello di quelle delle finestre a doppio vetro in inverno.
Inserendo uno strato di aria isolante, le finestre a doppio vetro consentono di migliorare l'efficienza energetica rispetto alle finestre a vetro singolo, sebbene la loro sostituzione possa essere costosa o tecnicamente impegnativa. Un'alternativa più economica ma meno efficace sarebbe quella di rivestire le finestre a vetro singolo con pellicole metalliche traslucide in grado di assorbire parte del calore solare in inverno senza compromettere la trasparenza del vetro. Tuttavia, la soluzione sviluppata dai ricercatori potrebbe ora migliorare l'efficacia del rivestimento.
“La luce nel vicino infrarosso – una porzione di luce solare che gli esseri umani non possono vedere ma che possono percepire come calore – può attivare effetti luce-calore unici su alcune nanoparticelle metalliche, migliorando il modo in cui il calore scorre verso l'interno attraverso una finestra. Eravamo interessati a capire come questi effetti potessero essere utili per il risparmio energetico degli edifici, in particolare durante la stagione invernale”, ha affermato Julian Wang, professore associato di ingegneria architettonica e affiliato al Dipartimento di Architettura del College of Art and Architecture e al Materials Research Institute di Penn State.
Lo studio
Il team di ricerca ha prima sviluppato un modello per stimare la quantità di calore della luce solare che verrebbe riflessa, assorbita o trasferita attraverso una finestra ricoperta con nanoparticelle metalliche. Hanno selezionato il composto fototermico per la sua capacità di assorbire la luce nel vicino infrarosso del sole consentendo allo stesso tempo un'ampia trasmissione della luce visibile. Il modello prevedeva che il rivestimento riflettesse meno luce o calore nel vicino infrarosso, assorbendone di più attraverso la finestra rispetto alla maggior parte degli altri rivestimenti.
Quindi, testando in laboratorio una finestra a pannello singolo rivestita con le nanoparticelle sotto la luce solare simulata, i ricercatori hanno confermato le previsioni fatte dalla simulazione: si è verificato un aumento significativo della temperatura sul lato della finestra rivestita con le nanoparticelle, indicando che il rivestimento potrebbe assorbire il calore dalla luce solare all'interno, al fine di compensare il calore interno perso attraverso una finestra a vetro singolo.
I ricercatori hanno quindi implementato i loro dati in una simulazione su larga scala per analizzare i risparmi energetici di un intero edificio con finestre rivestite in climi diversi. Rispetto a un rivestimento a bassa emissività di una finestra a vetro singolo disponibile in commercio, il rivestimento fototermico ha assorbito gran parte della luce nella regione del vicino infrarosso dello spettro mentre la finestra con rivestimento convenzionale la rifletteva all'esterno. Questo assorbimento del vicino infrarosso ha comportato una riduzione di circa il 12-20% della perdita di calore rispetto agli altri rivestimenti e un potenziale di risparmio energetico complessivo dell'edificio fino a circa il 20% rispetto a un edificio senza rivestimenti su finestre a vetro singolo.
Per tenere conto dei cambiamenti stagionali, i ricercatori hanno anche implementato tende da sole nella loro simulazione a scala di edificio, bloccando i raggi solari più diretti che riscaldano l'ambiente in estate, annullando in gran parte il trasferimento di calore indesiderato e qualsiasi costo di raffreddamento associato.
“Come dimostrato da questo studio, in questa fase di ricerca possiamo ancora migliorare le prestazioni termiche complessive delle finestre a vetro singolo, in modo che siano simili alle finestre a doppio vetro nella stagione invernale. Questi risultati sfidano soluzione convenzionale di utilizzare più strati o materiali isolanti per il retrofit di finestre a vetro singolo per il risparmio energetico”, ha aggiunto Wang.
I risultati dello studio sono stati pubblicati qui.