Un gruppo di ricercatori della Pennsylvania State University ha studiato l’efficacia di una copertura per finestre a strato singolo in grado di migliorare il risparmio energetico in inverno.Credito: iStock/@Svetl.Tutti i diritti riservati.
UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Le finestre con doppi vetri inserite con uno strato di aria isolante possono fornire una maggiore efficienza energetica rispetto alle finestre a vetro singolo, ma sostituire le finestre a vetro singolo esistenti può essere costosa o tecnicamente impegnativa.Un'opzione più economica, ma meno efficace, è quella di coprire le finestre a camera singola con una pellicola metallica traslucida, che assorbe parte del calore solare in inverno senza compromettere la trasparenza del vetro.Per migliorare l’efficienza del rivestimento, i ricercatori della Pennsylvania affermano che la nanotecnologia può aiutare a portare le prestazioni termiche al livello delle finestre con doppi vetri in inverno.
Un team del Dipartimento di Ingegneria Architettonica della Pennsylvania ha studiato le proprietà di risparmio energetico dei rivestimenti contenenti componenti su scala nanometrica che riducono la perdita di calore e assorbono meglio il calore.Hanno inoltre completato la prima analisi completa dell'efficienza energetica dei materiali da costruzione.I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in Energy Conversion and Management.
Secondo Julian Wang, professore associato di ingegneria architettonica, la luce del vicino infrarosso – la parte della luce solare che gli esseri umani non possono vedere ma possono sentire il calore – può attivare l’effetto fototermico unico di alcune nanoparticelle metalliche, aumentando il flusso di calore verso l’interno.attraverso la finestra.
"Siamo interessati a capire come questi effetti possano migliorare l'efficienza energetica degli edifici, soprattutto in inverno", ha affermato Wang, che lavora anche presso l'Istituto di Architettura e Materiali della Pennsylvania School of Art and Architecture.
Il team ha innanzitutto sviluppato un modello per stimare la quantità di calore della luce solare che verrebbe riflesso, assorbito o trasmesso attraverso finestre rivestite con nanoparticelle metalliche.Hanno scelto un composto fototermico per la sua capacità di assorbire la luce solare nel vicino infrarosso pur fornendo una sufficiente trasmissione della luce visibile.Il modello prevede che il rivestimento rifletta meno la luce o il calore del vicino infrarosso e assorba di più attraverso la finestra rispetto alla maggior parte degli altri tipi di rivestimenti.
I ricercatori hanno testato finestre di vetro a pannello singolo rivestite con nanoparticelle sotto la luce solare simulata in un laboratorio, confermando le previsioni della simulazione.La temperatura su un lato della finestra rivestita di nanoparticelle è aumentata in modo significativo, suggerendo che il rivestimento può assorbire il calore dalla luce solare dall’interno per compensare la perdita di calore interna attraverso le finestre a vetro singolo.
I ricercatori hanno poi inserito i loro dati in simulazioni su larga scala per analizzare il risparmio energetico dell'edificio in varie condizioni climatiche.Rispetto ai rivestimenti a bassa emissività delle finestre singole disponibili in commercio, i rivestimenti fototermici assorbono la maggior parte della luce nello spettro del vicino infrarosso, mentre le finestre rivestite tradizionalmente la riflettono verso l’esterno.Questo assorbimento del vicino infrarosso comporta una perdita di calore inferiore di circa il 12-20% rispetto ad altri rivestimenti e il potenziale di risparmio energetico complessivo dell'edificio raggiunge circa il 20% rispetto agli edifici non rivestiti con finestre a vetro singolo.
Tuttavia, Wang ha affermato che una migliore conduttività termica, un vantaggio in inverno, diventa uno svantaggio nella stagione calda.Per tenere conto dei cambiamenti stagionali, i ricercatori hanno anche incorporato delle tettoie nei loro modelli di costruzione.Questo design blocca la luce solare più diretta che riscalda l’ambiente in estate, eliminando in gran parte lo scarso trasferimento di calore e tutti i costi di raffreddamento associati.Il team sta ancora lavorando su altri metodi, compresi i sistemi di finestre dinamiche per soddisfare le esigenze stagionali di riscaldamento e raffreddamento.
"Come dimostra questo studio, in questa fase dello studio, possiamo ancora migliorare le prestazioni termiche complessive delle finestre a vetro singolo per renderle simili alle finestre con doppi vetri in inverno", ha affermato Wang.“Questi risultati mettono in discussione le nostre soluzioni tradizionali che prevedono l’utilizzo di più strati o isolamento per aggiornare finestre a camera singola per risparmiare energia”.
"Data l'enorme domanda nel patrimonio edilizio di infrastrutture energetiche e ambientali, è imperativo far progredire le nostre conoscenze per creare edifici efficienti dal punto di vista energetico", hanno affermato Sez Atamtürktur Russcher, professor Harry e Arlene Schell e responsabile dell'ingegneria delle costruzioni.“Dott.Wang e il suo team stanno conducendo una ricerca di base attuabile”.
Altri contributori a questo lavoro includono Enhe Zhang, uno studente laureato in progettazione architettonica;Qiuhua Duan, professore assistente di ingegneria civile presso l'Università dell'Alabama, ha conseguito il dottorato di ricerca in ingegneria architettonica presso la Pennsylvania State University nel dicembre 2021;Yuan Zhao, ricercatore presso Advanced NanoTherapies Inc., che ha contribuito a questo lavoro come ricercatore PhD presso la Pennsylvania State University, Yangxiao Feng, studente PhD in progettazione architettonica.La National Science Foundation e l'USDA Natural Resources Conservation Service hanno sostenuto questo lavoro.
È stato dimostrato che i rivestimenti delle finestre (molecole in primo piano) migliorano il trasferimento del calore dalla luce solare esterna (frecce arancioni) all'interno di un edificio pur fornendo una trasmissione della luce sufficiente (frecce gialle).Fonte: immagine per gentile concessione di Julian Wang.Tutti i diritti riservati.