L’Università Nazionale di Seoul ha sviluppato finestre intelligenti che abbassano la temperatura senza consumi e generano elettricità dalle gocce di pioggia.
Le finestre a risparmio energetico stanno perciò emergendo come una soluzione pratica all’aumento delle temperature dovuto ai cambiamenti climatici. Queste finestre intelligenti non solo forniscono un comfort termico ottimale agli occupanti, ma contribuiscono anche alla riduzione della dipendenza dai sistemi di raffreddamento convenzionali.
Con il significativo aumento della domanda di raffrescamento dovuto al riscaldamento globale, una sempre più grande quantità di energia viene consumata per diminuire le temperature all’interno degli edifici. Le finestre, che hanno un alto tasso di assorbimento solare e una bassa riflettanza, rappresentano uno dei principali ponti termici, fanno entrare calore dall’esterno e comportano quindi una notevole perdita di energia. Ecco perché un team di ricercatori dell’Università Nazionale di Seoul ha sviluppato finestre intelligenti che abbassano la temperatura senza consumi e generano elettricità dalle gocce di pioggia.
Le finestre intelligenti multifunzionali
Affinché le finestre possano effettivamente risparmiare energia negli edifici, è necessario adottare tecnologie di raffreddamento ad alta efficienza energetica, a dispendio energetico zero, e garantire inoltre metodi di raccolta di energia che garantiscano un’alimentazione elettrica sostenibile. Inoltre, le finestre devono comunque mantenere un’elevata trasparenza, che garantisce la loro funzione fondamentale di apertura sull’esterno, anche nelle giornate fredde o nebbiose. Le finestre che regolano la temperatura interna cambiando colore per controllare la luce solare hanno infatti evidenti limiti, perché diventano opache durante il processo di raffreddamento.
Le finestre intelligenti multifunzionali sviluppate nell’ambito della ricerca condotta dai ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Seoul National University dimostrano la loro efficacia come dispositivi di risparmio energetico di prossima generazione implementando tre funzioni principali:
- forniscono un raffreddamento radiativo che abbassa la temperatura interna nelle giornate soleggiate senza apporto di energia
- nei giorni piovosi generano elettricità utilizzando l’attrito delle gocce di pioggia
- implementano una funzione di riscaldamento trasparente per rimuovere rapidamente la brina dalle finestre nelle giornate fredde
Questa ricerca è significativa in quanto apre la strada a nuove possibilità per la tecnologia Plus Energy, superando la Zero Energy, per contribuire a migliorare l’autosufficienza energetica in risposta al riscaldamento globale.
Smart windows per i Plus Energy Buildings
Gli edifici consumano intrinsecamente un’enorme quantità di energia per la gestione del calore e, con l’aumento della domanda di raffreddamento dovuto al riscaldamento globale, il consumo di energia è aumentato drasticamente. Inoltre, le finestre esistenti con elevato assorbimento solare e bassa riflettività comportano notevoli perdite di energia durante il raffreddamento.
Recentemente, l’implementazione di Plus Energy Buildings (PEB), che superano i net Zero Energy Buildings, è diventata un compito chiave per raggiungere l’autosufficienza energetica negli edifici. I PEB di prossima generazione sono edifici che vanno oltre la minimizzazione dei carichi energetici e possono produrre energia in modo autonomo. Per realizzarli è necessario sviluppare soluzioni intelligenti per migliorare le prestazioni delle finestre.
Le finestre intelligenti multifunzionali dotate di tecnologia di raffreddamento trasparente, basata su Zero Energy, e di un’ulteriore tecnologia di raccolta di energia, basata su Plus Energy, che garantisca un’alimentazione elettrica sostenibile, rispondono a questo bisogno.
Come sono fatte le finestre intelligenti?
Le finestre hanno una struttura stratificata di argento e ITO (ossido di indio e stagno), materiali con eccellente conduttività elettrica e proprietà ottiche uniche. Innanzitutto, la “tecnologia di raffreddamento radiativo trasparente” riduce al minimo l’assorbimento della luce solare che entra all’interno, emettendo calore radiante all’esterno per abbassare la temperatura. A differenza dei sistemi di condizionamento convenzionali che utilizzano refrigeranti, questa tecnologia di raffreddamento radiativo offre prestazioni di raffreddamento senza consumare energia elettrica. Il team di ricerca si è concentrato sul consentire solo allo spettro della luce visibile della luce solare di passare attraverso la finestra, riflettendo selettivamente la luce solare nel vicino infrarosso per abbassare la temperatura interna e massimizzare il raffreddamento.
In secondo luogo, la tecnologia di generazione di energia basata sull’elettricità per attrito genera elettricità quando le gocce di pioggia entrano in contatto con la superficie della finestra. A questo scopo è necessario un materiale elettrodico che copra la superficie della finestra e, grazie all’eccellente conduttività elettrica dell’argento stratificato e della struttura ITO, la finestra intelligente può generare elettricità per attrito.
Infine, attraverso il riscaldamento Joule, gli elettrodi trasparenti fungono anche da riscaldatore che rimuove rapidamente brina o ghiaccio dalla finestra, garantendo una chiara visibilità nelle giornate fredde. Le finestre intelligenti multifunzionali sviluppate dal team di ricerca possono perciò fornire un raffreddamento radiativo trasparente nelle giornate soleggiate, generare energia nei giorni di pioggia e rimuovere brina o ghiaccio nelle giornate fredde.
I risultati dimostrati
Il gruppo di ricerca guidato dal professor Seung Hwan Ko ha confermato che le finestre intelligenti sviluppate mantenevano una temperatura di circa 7 gradi inferiore rispetto alle finestre normali in ambienti caldi esposti alla luce solare diretta. In un esperimento che simulava condizioni di pioggia, le finestre intelligenti hanno generato 8,3 W m-2 di potenza con una sola goccia di pioggia, eliminando al tempo stesso il gelo dalla finestra due volte più velocemente delle finestre normali attraverso il riscaldamento Joule, dimostrando sia prestazioni elevate che multifunzionalità.
Il professor Seung Hwan Ko ha dichiarato che «si prevede che le finestre intelligenti verranno applicate in vari settori perché combattono l’inquinamento ambientale, riducono l’energia necessaria per il raffreddamento e superano i limiti delle tecnologie a batterie convenzionali attraverso l’auto-produzione di energia».
