Prevenir la pérdida de energía en ventanas



Para que los edificios sean más eficientes energéticamente, las ventanas presentan un problema particularmente difícil. Según el Departamento de Energía de EE. UU., El calor que escapa o entra por las ventanas representa aproximadamente el 30% de la energía utilizada para calentar y enfriar edificios. Los investigadores están desarrollando una variedad de tecnologías de ventanas que podrían prevenir esta pérdida masiva de energía.

"La elección de ventanas en un edificio tiene una influencia directa en el consumo de energía", dice Nicholas Fang, profesor de ingeniería mecánica. "Necesitamos una forma efectiva de bloquear la radiación solar".

Fang es parte de una gran colaboración que trabaja en conjunto para desarrollar sistemas inteligentes de control adaptativo y monitoreo para edificios. El equipo de investigación, que incluye investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong y Leon Glicksman, profesor de tecnología de construcción e ingeniería mecánica en el MIT, tiene la tarea de ayudar a Hong Kong alcanzará su ambicioso objetivo de reducir las emisiones de carbono en un 40% para 2025.

"Nuestra idea es adaptar nuevos sensores y nuevas ventanas inteligentes para ayudar a lograr la eficiencia energética y mejorar el confort térmico de las personas dentro de los edificios", explica fang.

Su contribución es el desarrollo de un material inteligente que se puede colocar en una ventana como una película que evita la entrada de calor. La película permanece transparente cuando la temperatura de la superficie es inferior a 32 grados Celsius, pero se vuelve lechosa cuando supera los 32 C. Este cambio en la apariencia se debe a las micropartículas termocrómicas que cambian de fase en respuesta al calor. La apariencia lechosa de la ventana inteligente puede evitar que hasta el 70% de la radiación solar pase a través de la ventana, lo que resulta en una reducción del 30% en la carga de enfriamiento.

Además de este material termocrómico, el equipo de Fang espera integrar ventanas con sensores que controlan la luz solar, la luminosidad y la temperatura. "En general, queremos una solución completa para reducir la carga en los sistemas HVAC", explica.

Al igual que Fang, la estudiante graduada Elise Strobach está trabajando en un material que podría reducir drásticamente la cantidad de calor que escapa o entra por las ventanas. Ha desarrollado un aerogel de sílice de alta claridad que, cuando se coloca entre dos paneles, es un 50% más aislante que las ventanas tradicionales y dura hasta una década más.

"En los últimos dos años, hemos desarrollado un material probado que es lo suficientemente prometedor como para comenzar a comercializar", dijo Strobach, un estudiante de doctorado en el Laboratorio de Investigación de Dispositivos del MIT. Para ayudar con este marketing, Strobach cofundó la startup AeroShield Materials.

Más ligero que un malvavisco, el material AeroShield contiene 95% de aire. El resto del material está hecho de nanopartículas de sílice de solo 1 a 2 nanómetros de ancho. Esta estructura bloquea los tres modos de pérdida de calor: conducción, convección y radiación. Cuando el gas queda atrapado dentro de los pequeños huecos del material, ya no puede colisionar y transferir energía por convección. Mientras tanto, las nanopartículas de sílice absorben la radiación y la reemiten en la dirección de donde proviene.

"La composición del material permite un gradiente de temperatura realmente intenso que mantiene el calor donde lo desea, ya sea que hace calor o frío afuera", dice Strobach, quien, junto con el cofundador de AeroShield Kyle Wilke, ha sido nombrado uno de los 30 Under Forbes 30 en energía.

Strobach también ve oportunidades para combinar las tecnologías AeroShield con otras soluciones de ventanas en desarrollo en el MIT, incluido el trabajo y la investigación de Fang dirigidos por Gang Chen, el profesor Carl Richard Soderberg de ingeniería energética y investigadora científica Svetlana Boriskina.

"Los edificios representan un tercio del consumo de energía en los Estados Unidos, por lo que, en muchos sentidos, las ventanas son fruta que cuelga", dice Chen.

Chen y Boriskina trabajaron previamente con Strobach en la primera iteración del material AeroShield para su proyecto de desarrollar un receptor de aerogel solar térmico. Más recientemente, han desarrollado polímeros que podrían usarse en ventanas o fachadas de edificios para atrapar o reflejar el calor, sin importar el color.

Estos polímeros están parcialmente inspirados en vidrieras. "Tengo experiencia en óptica, por lo que siempre me atraen los aspectos visuales de las aplicaciones de energía", dice Boriskina. "El problema es que cuando introduces el color, afecta la estrategia energética que estás tratando de seguir".

Usando una mezcla de polietileno y un solvente, Chen y Boriskina agregaron varias nanopartículas para dar color. Una vez estirado, el material se vuelve translúcido y su composición cambia. Las cadenas de carbono previamente desorganizadas se transforman en líneas paralelas, que son mucho mejores para conducir el calor.

Aunque estos polímeros requieren un mayor desarrollo para usarse en ventanas transparentes, posiblemente podrían usarse en ventanas coloreadas y translúcidas que reflejan o atrapan el calor, lo que en última instancia conduce al ahorro de energía. "El material no es tan transparente como el vidrio, pero es translúcido. Esto podría ser útil para ventanas en lugares donde no desea que ingrese la luz solar directa, como gimnasios o pasillos. clase ", agrega Boriskina.

Boriskina también usa estos materiales para aplicaciones militares. A través de un proyecto de tres años financiado por el ejército de los EE. UU., Ella está desarrollando ventanas de polímero livianas, personalizadas e irrompibles. Estas ventanas pueden proporcionar control pasivo de temperatura y camuflaje para refugios y vehículos portátiles.

Para que cualquiera de estas tecnologías tenga un impacto significativo en el consumo de energía, los investigadores deben mejorar la escalabilidad y la asequibilidad. "En este momento, la barrera de costos para estas tecnologías es demasiado alta: tenemos que buscar versiones más económicas y escalables", agrega Fang.

Si los investigadores desarrollan con éxito soluciones asequibles y fabricables, sus tecnologías de ventanas podrían mejorar drásticamente la eficiencia de los edificios y conducir a una reducción sustancial en el consumo de energía de los edificios en todo el mundo.

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