Fuente: https://www.nrel.gov/

Kosol Kiatreungwattana examina los sensores de temperatura en una ventana en el Centro Federal de Denver en Lakewood, Colorado, en un área de prueba para la tecnología emergente de ventanas. Los sensores verifican las temperaturas en múltiples ubicaciones y permiten una comparación de ventanas secundarias de un solo panel y de dos paneles. Foto de Werner Slocum, NREL
Cualquiera que se haya sentado junto a una ventana con corrientes de aire en días fríos conoce la miseria. Cualquiera que haya trabajado alguna vez en una oficina sin ventanas conoce la desesperación.
“Las ventanas son enormemente importantes para la forma en que experimentamos el ambiente interior”, dijo Chioke Harris, investigador del Grupo de Ciencias de la Energía de la Construcción del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL). “Las ventanas tienen un efecto enorme en el bienestar de los ocupantes del edificio. Dada la cantidad de tiempo que la gente pasa en el interior, las ventanas tienen una influencia enorme en la forma en que te sientes”.
Una oficina en la esquina puede hacerte sentir importante, pero no hay garantía de que te sientas cómodo.
“Muchas de esas oficinas de esquina pueden ser más grandes de lo que realmente necesitan porque básicamente estás empujando los muebles hacia el centro del edificio para alejarlos de las ventanas”, dijo Harris, quien trabajó para el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) Building Technologies Office antes de unirse a NREL en 2017. «Podría estar sentado en su escritorio y se congelará o, lo que es peor, estará hirviendo por un lado y congelándose por el otro porque el sol está pegando tú de un lado.
El motivo de la investigación de Windows es claro. En general, según estimaciones del DOE, las ventanas representan el 8,6 % del uso de energía en los edificios. Las ventanas que funcionan mal aumentan los costos de energía, ya que el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) de un edificio intenta superar el exceso de calor que escapa o el exceso de frío que ingresa al espacio. Los problemas con los paneles pueden ser un verdadero dolor.
“Estos edificios de gran altura que son todos de vidrio son una especie de símbolos de la ineficiencia energética”, dijo Lance Wheeler, un científico del NREL que desarrolló una tecnología de ventana fotovoltaica (PV) que funciona como una celda solar . “Lo que una ventana fotovoltaica puede permitirle hacer es dejar entrar algo de luz, pero en lugar de reflejarla de regreso al mundo, simplemente la convierte en electricidad y la usa en el sitio”.
‘A la gente simplemente le gusta Windows’
Los constructores comenzaron a erigir edificios con enormes paredes de ventanas después de la Segunda Guerra Mundial. La tendencia continúa hasta el día de hoy, pero la década de 1970 vio la adopción de ventanas de doble panel para reducir el consumo de energía. Sin embargo, incluso con mejoras, las ventanas carecen del valor aislante de la pared de un edificio.
“Este es el punto más débil del cerramiento”, dijo Alliston Watts, investigadora del NREL con experiencia en aislamiento y durabilidad de ventanas. “Hay margen de mejora”.
Los investigadores de NREL han estado trabajando para mejorar las ventanas desde 1983. Los primeros trabajos formaron la base detrás de la tecnología de ventanas dinámicas en las que el vidrio se oscurece debido a la temperatura o la corriente eléctrica para proteger mejor a los ocupantes del sol. La investigación en curso en la actualidad implica probar la durabilidad de las ventanas, demostrar tecnologías y desarrollar nuevas ideas.
“Mucho de esto es impulsado solo por ese factor humano: a la gente simplemente le gustan las ventanas”, dijo Rob Tenent, investigador principal de los proyectos de ventanas de NREL.
Tenent ha supervisado la investigación de ventanas en NREL durante casi una década. Al encuestar a quienes él llama «cazadores de tecnología» para las principales empresas de vidrio y ventanas, Tenent preguntó qué necesitarían ver para vender un producto a un desarrollador de bienes raíces. Quieren una prueba de que el rendimiento de la ventana es como se anuncia, pero también quieren una demostración de durabilidad.
“Poner estas cosas, no es barato”, dijo. “Es muy perturbador para cualquiera, en particular para un reemplazo, por lo que no quieren tener que volver por ese camino”.
Evaluar la durabilidad de una ventana significa tener en cuenta todo tipo de posibles problemas. El sellador utilizado alrededor del borde del vidrio podría degradarse, permitiendo que el agua se acumule y forme condensación. Los fuertes vientos podrían estresar el vidrio. Incluso la exposición a la luz ultravioleta podría acortar la vida útil esperada de una ventana. Los investigadores utilizan una cámara especializada para proporcionar pruebas de durabilidad aceleradas.
El equipo de NREL desarrolló la base científica y el estándar industrial actual para la evaluación de ventanas electrocrómicas dinámicas. El equipo ahora está repitiendo ese éxito para expandirse a otras tecnologías de ventanas emergentes, incluidas tecnologías de alto rendimiento térmico, como vidrio aislante al vacío, construcciones avanzadas de paneles múltiples y tecnologías fotovoltaicas.
Recientemente, NREL también comenzó a definir métodos mejorados para la evaluación de la durabilidad de las tecnologías de ventanas existentes y está trabajando con socios para ayudar a mejorar las prácticas actuales de la industria en esta área.
Las pruebas se ejecutan en tamaños de muestra de ventanas, generalmente alrededor de 14 pulgadas por 20 pulgadas.
Las buenas ventanas son una inversión, y la durabilidad se considera clave cuando los compradores debaten sobre la adopción de nuevas tecnologías. “Ya sea que realmente obtenga o no el reembolso, y el retorno de la inversión, se define por si esa ventana realmente dura o no”, dijo Tenent.
La industria del vidrio ha adoptado las ventanas de doble panel, que son más aislantes que una sola hoja de vidrio, y ha experimentado con ventanas de triple panel y su eficiencia energética aún mayor. Se están realizando investigaciones sobre lo que se conoce como ventana secundaria, a veces llamada inserción de ventana. Usando uno o dos paneles de vidrio ultrafino, se puede instalar una ventana secundaria en el lado de la habitación de una ventana existente. La idea es proporcionar una mejora rápida y fácil de la eficiencia energética de un edificio a través de esta modernización en lugar de dar el costoso paso de reemplazar cada ventana.
Poniendo Windows a prueba
Los investigadores de NREL se han diversificado en estudios de validación de campo. Usaron edificios en el Centro Federal de Denver en Lakewood, Colorado, como campo de pruebas para varias tecnologías de ventanas. Las estructuras se encuentran en la cartera de la Administración de Servicios Generales de EE. UU., que posee o alquila más de 8.600 edificios en todo el país. De esos, alrededor de 500 se consideran históricos. Eso significa que se debe tener cuidado para evitar alterar su apariencia.
“No se puede hacer ningún cambio arquitectónico desde el exterior. No se puede cambiar la ventana”, dijo Kosol Kiatreungwattana, ingeniero sénior de NREL.
Para una evaluación, supervisó un proyecto que evaluaba la efectividad de las ventanas secundarias de panel simple y doble. La evaluación consideró el rendimiento térmico de las ventanas, las mejoras en el confort y la cantidad de energía gastada en calefacción y refrigeración. Las simulaciones por computadora también permitieron a los investigadores determinar cómo se comportarían las ventanas en otras partes del país. Sus hallazgos determinaron que la ventana secundaria de doble panel funcionó mejor que la versión de un solo panel y consideró que era «una buena opción para futuras implementaciones en la mayoría de los climas».
Los investigadores de NREL ahora reciben ayuda con su trabajo de ventanas a través de una colaboración con la Universidad de Colorado a través de una asociación conjunta a través del Instituto de Energía Renovable y Sostenible (RASEI). Los estudiantes participan en un proyecto centrado en evaluar el rendimiento de las ventanas en el campo para comprender mejor cómo se degrada el rendimiento energético. Otro proyecto se sumerge en la consideración de los efectos de la condensación en los productos de ventanas secundarias.
El uso de ventanas secundarias podría tener el beneficio adicional de incorporar otras tecnologías, como ventanas electrocrómicas o fotovoltaicas conmutables, que tienen el beneficio adicional de producir energía además de teñir. Colocarlos dentro de la ventana del lado de la habitación proporcionaría una capa adicional de protección contra cualquier problema de durabilidad.
Se ha demostrado que la tecnología de ventanas fotovoltaicas reduce la cantidad de calor en un edificio y proporciona un mejor aislamiento térmico.
“No solo estamos agregando generación de energía, sino que también estamos mejorando el rendimiento térmico”, dijo Wheeler, quien desarrolló una ventana fotovoltaica que se basa en la tecnología solar de perovskita para capturar y convertir los rayos del sol. Su examen de varios tipos diferentes de ventanas fotovoltaicas reveló que su uso en rascacielos con fachadas en gran parte acristaladas aumenta la eficiencia energética de un edificio. Las simulaciones por computadora en varios climas revelaron que las ventanas fotovoltaicas eran especialmente importantes para los edificios en las regiones frías del país.
“Eso fue sorprendente”, dijo. “Cuando la gente piensa en ventanas fotovoltaicas, piensa en climas cálidos para mitigar la ganancia de calor solar. Pero la ganancia de calor solar es grande en climas fríos. La energía fotovoltaica transparente que permite el paso de mucha luz es excelente cuando se encuentra en un clima frío porque también obtiene este efecto de calentamiento pasivo que mejorará el rendimiento energético de su edificio”.
Wheeler también ha determinado que el uso de ventanas fotovoltaicas puede hacer que los edificios sean más eficientes desde el punto de vista energético, incluso si la cantidad de electricidad generada no es tanta como la que podrían proporcionar los paneles solares tradicionales.
“Puede hacer grandes cambios en el uso de energía y la huella de carbono de los edificios al cambiar a una ventana fotovoltaica que puede no tener una eficiencia tan alta”, dijo. “Te resistes a una baja eficiencia, pero si tienes un área grande, ahora estás generando electricidad. Eso hace una gran diferencia.»
“Estamos empezando a ser reconocidos como líderes en el desarrollo, la comercialización y la evaluación de la durabilidad de las tecnologías de ventanas en etapa inicial, con nuevas empresas que se acercan a nosotros regularmente para tratar de descubrir cómo trabajar juntos”, dijo Tenent.

NREL ya tiene un historial de trabajo con empresas que desean comercializar sus tecnologías relacionadas con Windows. En colaboración con la Incubadora de Innovación de Wells Fargo (IN 2 ), NREL ha evaluado muchas ideas. NEXT Energy Technologies, una empresa de California que desarrolló un revestimiento que permite que las ventanas aprovechen la energía del sol, pasó por el programa IN 2 . Lo mismo hizo AeroShield Materials, una startup de Massachusetts que utiliza un aislamiento de aerogel entre capas de vidrio para minimizar la pérdida de calor. UbiQD, una empresa de Nuevo México, probó su tecnología en un lugar destacado en NREL. En la cafetería del laboratorio se instalaron cinco de las ventanas de la startup, que utilizan una capa intermedia de puntos cuánticos para capturar el calor solar y convertirlo en electricidad.
Toda esta investigación se suma a un hecho indiscutible: la importancia de las ventanas es clara.
Obtenga más información sobre la investigación de ventanas de NREL .
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