Ogni inverno negli Stati Uniti fuoriescono dalle finestre circa 20 miliardi di dollari di energia, e questo avviene con finestre isolanti a doppio vetro installate sulla maggior parte degli edifici. Il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia sta ora lavorando con i produttori per portare sul mercato una "super finestra" che sia almeno due volte più isolante del 99 percento delle finestre in vendita oggi e sarà pronta per raggiungere la massa. stato di mercato.

Il design della super finestra "tripla sottile" raddoppia le prestazioni termiche delle attuali finestre a doppi vetri classificate Energy Star ed è sette volte più isolante di una finestra a vetro singolo. Gli scienziati del Berkeley Lab hanno costruito e testato prototipi in laboratorio e ora stanno lavorando con Andersen Corporation, il più grande produttore di porte e finestre del paese, e separatamente con i prodotti Alpen High Performance, specializzata in serramenti ad alta efficienza energetica. Entrambi gli sforzi stanno cercando di costruire e testare prototipi avanzati adatti alla produzione su larga scala.

"Il nostro approccio è quello di attaccare il problema da due lati:sviluppare sia le forze 'market pull' che 'technology push', ", ha affermato il ricercatore del Berkeley Lab Steve Selkowitz, uno degli inventori del concetto di super finestra. "Stiamo lavorando con i produttori per aiutarli con le loro sfide tecnologiche, lavorando anche con Energy Star, aziende della filiera, e utenze, che possono offrire sconti e incentivi per l'acquisto dei consumatori. Il nostro ruolo è quello di essere un catalizzatore nel facilitare l'innovazione tecnologica e un evangelista nel promuovere la missione di efficienza energetica del DOE".

Berkeley Lab ha una lunga storia di innovazione nelle tecnologie di bioedilizia; Per esempio, ha recentemente dimostrato l'uso dell'illuminazione e dell'ombreggiamento controllati per risparmiare energia e sta lavorando per rendere le case a energia zero una realtà. Il suo lavoro sulle finestre ad alte prestazioni risale alla fine degli anni '70, quando la crisi petrolifera ha catalizzato nuovi modi per risparmiare energia. I ricercatori del Berkeley Lab all'epoca fornivano il supporto tecnico per un prodotto nuovo di zecca, un rivestimento per finestre a bassa emissività (o basso emissivo) che aiuta a bloccare i raggi infrarossi a onde lunghe, per raggiungere lo status di mercato di massa. I rivestimenti basso emissivi hanno continuato a far risparmiare al paese miliardi di dollari in costi energetici.

Selkowitz crede che la nuova super finestra sottile tripla potrebbe risparmiare ancora di più. Le attuali finestre con doppi vetri sono costituite da due strati di vetro con un rivestimento basso emissivo e gas argon nell'intercapedine tra gli strati di vetro per ridurre ulteriormente il trasferimento di calore. L'innovazione della super finestra Berkeley Lab è triplice:inserisce un terzo strato di vetro sottilissimo interposto tra i due strati di una finestra con doppio vetro, aggiunge un secondo rivestimento basso emissivo, e sostituisce il gas argon con il gas krypton, che è molto più isolante dell'argon nello spazio molto stretto tra i vetri.

Mentre ci sono altre finestre con triplo vetro sul mercato, la virtù di questo è che ha la stessa larghezza e praticamente lo stesso peso delle finestre con doppi vetri esistenti. Questo evita di dover riprogettare l'anta e il telaio della finestra, che rappresenterebbe un notevole ostacolo in termini di costi alla penetrazione del mercato.

Obiettivo visionario:meglio dei muri

Consumo energetico associato a tutti gli aspetti delle prestazioni delle finestre, compreso riscaldamento e raffrescamento, costa ai proprietari di edifici statunitensi circa $ 50 miliardi all'anno. Il singolo più grande contributo al consumo energetico degli edifici è la perdita di calore nei climi più freddi. Nei climi più caldi, la luce solare incontrollata trasmessa attraverso le finestre si aggiunge ai costi dell'aria condizionata.

Per anni, l'ultimo sogno per i ricercatori del Berkeley Lab era quello di arrivare al punto in cui le finestre potessero superare le pareti coibentate in inverno. Con la loro sottile tripla super finestra, credono che l'obiettivo possa ora essere a portata di mano. "Un singolo strato di vetro ha un valore R, che è la sua resistenza alla conduzione del calore, di R1; doppi vetri è R2, e il doppio basso-e è R4, " ha affermato il ricercatore Charlie Curcija. "Il nostro triplo vetro sottile va da R8 a R10, o circa il doppio rispetto ai migliori doppi vetri basso emissivi di oggi."

La super finestra è stata infatti inventata e brevettata da Berkeley Lab più di 20 anni fa. Ma all'epoca, non c'erano fonti vitali di grandi lastre di vetro molto sottile, e il costo dei materiali lo rendeva proibitivo.

"Il vetro sottile ha uno spessore di 0,7 mm, " Ha detto Curcija. "Vent'anni fa non riuscivamo a trovare nessuna azienda che potesse produrre lastre di vetro sottili in volume. Ora l'industria della TV a schermo piatto ha spinto l'industria del vetro a creare esattamente il vetro di cui abbiamo bisogno per le finestre, e ad un prezzo che il mercato delle finestre può permettersi."

Katherine Graham, Leader del team di competenza del vetro di Andersen, ha dichiarato:"Andersen Corporation ha collaborato con Berkeley Lab negli anni '80 per far progredire la tecnologia low-e, e il nostro team è entusiasta dell'opportunità di collaborare nuovamente con Berkeley Lab per esplorare se questo prototipo di super finestra può diventare un prodotto redditizio per il mercato che possiamo offrire alla nostra base di clienti".

La storia dell'innovazione delle finestre di Berkeley Lab

Mentre l'obiettivo principale della super finestra è quello di risparmiare sui costi di riscaldamento invernale, il rivestimento low-e può essere regolato per renderlo più utile per il raffreddamento estivo. "Per i climi nordici vuoi che il rivestimento sia il più trasparente possibile, " ha detto il ricercatore Robert Hart. "Per la stessa finestra a Phoenix, vuoi un rivestimento spettrale selettivo che tenga fuori il calore dalla luce solare, ma che sei ancora in grado di vedere attraverso. Berkeley Lab gestisce un database globale di 5, 000 vetri e rivestimenti oggi sul mercato; uno dei nostri compiti per il DOE è trovare la selezione ottimale per una super finestra in ogni clima."

La super finestra è diversa da "finestre intelligenti, "come le finestre elettrocromiche, che si colorano automaticamente in risposta alla luce solare per evitare il surriscaldamento degli interni degli edifici e ridurre così i costi di raffreddamento. Berkeley Lab ha anche fatto progressi su questa tecnologia, compreso un materiale nanocristallino in grado di gestire dinamicamente l'intensità della luce solare mentre passa attraverso una finestra, un'innovazione ora in fase di sviluppo da parte di una startup, Eliotropio.

Ancora, finestre elettrocromiche, a circa cinque-otto volte il costo della super finestra, sono considerati un articolo di specialità di fascia alta e stanno appena iniziando ad entrare nei mercati. Il rivestimento basso emissivo, d'altra parte, è ora in quasi il 90% di tutte le finestre vendute.

La sfida per arrivarci, Hart ha detto, non è stata solo l'innovazione scientifica nella progettazione del rivestimento, ma anche il superamento delle barriere del mercato. Per fare il caso, I ricercatori del Berkeley Lab hanno creato strutture di prova in laboratorio e sul campo per misurare l'efficienza energetica delle finestre, e ha anche fornito strumenti software di progettazione e convalida utilizzati dall'industria e da un'organizzazione senza scopo di lucro, il Consiglio nazionale di valutazione della finestratura, per valutare le finestre. I rivestimenti low-e hanno fatto risparmiare al paese 150 miliardi di dollari in costi energetici nelle case, rispetto a un caso base con doppi vetri convenzionali.

Ora i ricercatori del Berkeley Lab sperano di replicare o addirittura superare questo impatto. "Abbiamo contribuito a creare un mercato multimiliardario all'anno di finestre ad alte prestazioni con enormi risparmi energetici, " Selkowitz ha detto. "Ora speriamo di fare un altro balzo in avanti nell'efficienza delle finestre e di estendere il nostro successo passato".