O fațadă poate controla interacțiunea dintre clădire și mediu. Progresele în tehnologiile de control și știința materialelor oferă acum posibilitatea utilizării ferestrelor inteligente în fațade de înaltă performanță pentru a îmbunătăți performanța energetică a clădirii și confortul utilizatorilor, după cum demonstrează studiul Performance and Users Comfort Attributes” care i-a avut ca autori pe  Zhina Rashidzadeh și Negar Heidari Matin, de la  Department of Interior Design, Gibbs College of Architecture, University of Oklahoma, care oferă recomandări practice pentru implementarea ferestrelor inteligente pe diverse zonele climatice din întreaga lume.

Pentru a urmări acest obiectiv, au fost colectate date publicate din 2013 până în 2022 din baze de date de arhitectură, inginerie și știința materialelor și au fost analizate mai multe tipuri de ferestre inteligente, inclusiv electrocrome, fotovoltacrome, gazocrome sau termocrome, care au fost identificate ca fiind fotocrome, hidrocrome și Low-E.

Mai mult, proprietățile termice și caracteristicile vizuale ale straturilor inteligente utilizate la ferestre și impactul acestora asupra eficienței energetice și confortul utilizatorilor a fost recunoscut.

Construcțiile, un mare consumator de energie

Industria construcțiilor este responsabilă pentru 40% din consumul global de energie anual, ceea ce duce la aproape 39% din emisiile de carbon la nivel mondial. În consecință, clădiri ar putea explica încălzirea globală și alte dezastre de mediu. Printre diferitele componente ale clădirii, s-a dovedit că fațadele ar putea controla în mod semnificativ consumul de energie și emisiile de carbon.

Progrese recente în tehnologiile de control și știința materialelor au oferit oportunități de dezvoltare a performanțelor înalte pentru fațade. Ca tip de fațadă de înaltă performanță, o fațadă receptivă poate schimba funcțiile, trăsăturile și comportamentul acesteia, ca răspuns la stimulii mediului, nevoile și preferințele ocupanților, pentru a îmbunătăți performanța termică, vizuală și acustică și reducerea consumului de energie în clădiri.

Fațadele receptive pot fi clasificate în diferite tipuri bazate pe tehnologiile de control utilizate în structura lor, inclusiv tehnologii bazate pe mecanic, electromecanic, pe informații și pe materiale. Având în vedere dezavantajele pe bază mecanică, pe bază electromecanică, și tipurile bazate pe informații, designerii și oamenii de știință au extins aplicarea materiale inteligente în proiectarea și dezvoltarea fațadelor receptive.

Ferestrele și materialele inteligente

Materialele inteligente își pot modifica proprietățile inerente prin aplicarea unor stimuli externi, cum ar fi stresul, temperatura, umiditatea, pH-ul, câmpurile electrice și câmpurile magnetice într-un mod controlat.

Straturile inteligente sunt pelicule subțiri aplicate pe suprafețele obiectelor, cum ar fi ferestrele capabilitățile sticlei de a-și ajusta în mod dramatic propria transparență a culorii și, în consecință proprietățile sale reflectorizante la expunerea la diverși stimuli de mediu.

Diferite tipuri de acoperiri inteligente, cum ar fi cele electrocrome, gazocrome, fotovoltacrome, termocrome, Photochromic Hydrochromic și Low-E au fost utilizate pentru a dezvolta ferestre inteligent pentru sisteme de fațadă receptive.

Acest studiu a identificat mai multe geamuri inteligente avansate. O analiză comparativă a fost realizată luând în considerare proprietățile ferestrelor inteligente, inclusiv rata de transmisie termică (valoarea U), coeficientul câștigului de căldură solară (SHGC), raportul câștigului lumină-solar (LSG), umbrirea coeficient (SC), raport de transmisie vizibil (Tvis), raport de transmisie solară (Tsol), vizibil transmitanța (VT) și reflectanța pentru a explora aplicațiile eficiente ale ferestrelor inteligente în diferite zone climatice din întreaga lume.

Hărți codificate cu culori asociate cu Clasificarea climatică Koppen a fost utilizată pentru a descrie tipurile eficiente de ferestre inteligente în fiecare zona climatică luând în considerare proprietățile termice și caracteristicile vizuale ale acoperirilor inteligente. O analiză comparativă a ferestrelor inteligente existente a oferit o resursă utilă pentru educatori, cercetători și profesioniști din industria construcțiilor și oferă beneficii practicilor lor, activități educaționale și de cercetare.

Criterii de analiză

Baze de date de cercetare academică, inclusiv ScienceDirect, Scopus și Web of Science au fost folosite pentru a identifica articolele de cercetare cu tipuri de ferestre inteligente în titluri, rezumate sau cuvinte cheie publicate între 2013–2022.

Trebuie remarcat faptul că explorarea bazelor de date în acest studiu a fost limitat la câteva tipuri de ferestre inteligente, inclusiv cele electrocromatice, fotovoltacrome, gazocromice, termocromice, fotocromice, hidrocromice și Low- E. Criteriile de eligibilitate, texte fără legătură, duplicate, indisponibile sau numai rezumate au fost excluse manual din rezultatele căutării.

Dintre diferitele studii identificate, cercetarea s-a concentrat pe eficacitatea tehnologiilor inteligente de acoperire asupra energieieficiența și/sau confortul utilizatorilor au fost selectate pentru o analiză ulterioară.

O abordare de meta-analiză a fost folosită pentru a analiza articolele incluse. În abordarea meta-analizei, oamenii de știință combină rezultate statistice din studiile anterioare, care se concentrează pe un subiect specific pentru a contura modele, relații, sau contradicții. În plus, au fost verificate proprietățile termice, caracteristicile vizuale ale acoperiri inteligente și zonele climatice.

Sistemul Koppen-Geiger de clasificare a climei

Sistemul Koppen-Geiger este o clasificare care împarte toate climatele în cinci zone semnificative, inclusiv cele tropicale, aride, temperate, reci/continentale și polare. Criteriile de clasificare se bazează pe nivelurile de precipitații, modelele de temperatură, și vegetație.

Fiecare zonă climatică și subgrupurile asociate acesteia sunt prezentate în două sau trei litere. Prima literă reprezintă zonele climatice, inclusiv tropicale (A), aride (B), Temperat (C), rece/continental (D) și polar (E).

În timp ce, a doua literă indică nivelul precipitațiilor și conține f (Af), m (Am), w (Aw), W (BW), S (BS), s (Cs, Ds), w (Cw, Dw), f (Cf, Df), T (ET), F (EF), reprezentând Rainforest, Mussoon, Savannah, Desert, Stepa, Vara uscata, Iarna uscata, si fara sezon uscat, Tundra, respectiv Frost.

A treia literă reprezintă temperatura predominantă ca h (pentru B ca fierbinte), k (pentru B ca rece), a (pentru C și D) ca vară fierbinte, b (pentru C și D) ca vară caldă, c (pentru C și D) ca rece vara și d (pentru D) ca iarnă foarte rece [34–37]. Prin urmare sistemul Koppen-Geiger reprezintă 31 de combinații climatice diferite.

Ce sunt ferestrele inteligente (smart)?

Ferestrele inteligente se referă la geamurile care implementează acoperiri inteligente pentru a reacționa la mediu stimuli prin modificarea radiației solare, a energiei radiante și a luminii vizibile pentru a crește eficiența energetică și confortul uman în clădiri.

Aceste tipuri de ferestre pot reduce foarte mult nevoia de răcire, încălzire și iluminat electric în clădiri și îmbunătățirea performanței ferestrelor din punct de vedere mecanic, chimic și fizic.

Prin urmare, încălzirea, ventilația și aerul condiționat (HVAC) a clădirii și necesarul de energie electrică scădere. Ferestrele inteligente comutabile răspund la modificările de căldură, electricitate, activarea gazului și lumina prin implementarea unor mecanisme inclusiv. Iată câteva exemple.

Ferestre electrocromice

Ferestrele electrocrome (EC) sunt clasificate drept ferestre inteligente active. Performanța lor se bazează pe transferul de sarcină electrică între anod și catod (conductoare electrice). Structura unei ferestre electrocromice este realizată din sticla (poliester), conductori electrici transparenți (anod și catod), acoperiri electrocromice și electroliți.

Astfel, se activează transferul ionilor de la catod la anod material electrocromic care modifică caracteristicile optice ale ferestrei prin utilizarea unei tensiuni joase. O barieră de electroni și un strat conductor ionic (electrolit) sunt situate în centrul structurii, iar cele două acoperiri electrocromice (EC) (oxid de tungsten, WO3) înconjoară electrolitul. Unul dintre straturile EC sunt conectate la anod, iar celălalt este atașat la catod (ion bancar).

Aplicarea unei tensiuni între anod și catod va activa transferul de ioni, și simultan materialul electrocromic echilibrează acest transfer de ioni care este cel motivul modificărilor caracteristicilor optice în ferestrele EC. Inversarea tensiunii și implementarea unui scurtcircuit vor inversa modificarea culorii.

Timpul de tranziție al ferestrelor durează între 7 și 20 de minute, pentru a trece de la stadiul transparent la cel colorat și invers, ceea ce oferă un timp adecvat pentru ca ochii ocupanților să se obișnuiască cu condițiile de iluminat. Ferestrele electrocrome sunt de obicei construite ca geam dublu sau triplu (cu două sau trei panouri), pentru a oferi suficient spațiu pentru materialul electrolit.

Ferestre fotovoltacromice

Unul dintre dezavantajele ferestrelor EC este nevoia lor de o sursă de alimentare externă, pentru a furniza tensiunea de activare. Această tensiune duce la un consum mai mare de energie electrică de către CE ferestre.

Prin urmare, oamenii de știință au propus sisteme fotovoltacromice (PVC) care se integrează în sisteme de geamuri EC cu materiale fotovoltaice, care produc  tensiune pentru partea EC a ferestrelor din PVC.

În structura ferestrelor din PVC, materialul fotovoltaic instalat pe suprafața exterioară a sticlei este conectat la conductorii transparenți ai părții EC a ferestrei. Transferul de protoni între anodul celulei fotovoltaice și catod se face prin absorbția energiei luminii solare și activarea materialelor EC. Ferestrele sunt activate în întregime de celulele fotovoltaice, fiind considerate fereastre inteligente active.

Ferestrele gasocromice

Ferestrele gazocrome (GC) răspund la razele infraroșii (IR) prin implementarea chimiocromei prin acoperiri care vor fi declanșate de hidrogen sau oxigen gazos. Din moment ce alt sistem ar trebui să pompeze gazul și să activeze materialul gazocromic, sunt luate în considerare ferestrele GC ferestre inteligente active.

Majoritatea ferestrelor GC implică trioxid de tungsten poros (WO3), precum și filme chemocromice care pot fi acoperite direct pe partea interioară a exteriorului geam de geam. Cu toate acestea, alte materiale gazocrome, inclusiv oxid de nichel (NiO) și aliajele de magneziu, pot fi acoperite pe ferestrele GC ca materiale alternative.

Similar cu ferestrele EC, ferestrele inteligente GC (SW) reacţionează la căldura solară prin absorbţia luminii solare, nu prin reflexia luminii solare. Această absorbție determină supraîncălzirea ferestrelor și previne supraîncălzirea spațiilor interioare. Ferestrele gazocrome sunt produse ca geam dublu sau triplu unități pentru a oferi un spațiu gol pentru turnarea gazului.

Timpul de reacție al ferestrelor gazocromice la modificările luminii solare este de 20 s până la un minut. Structura de ferestre GC constă din două geamuri de sticlă împărțite printr-un spațiu umplut cu gaze active și stratul gazocromic acoperit pe suprafața interioară a sticlei exterioare.

Hidrogenul (H2) și oxigenul (O2) turnează spațiul umplut cu argon prin sesizarea schimbărilor în nivelul ratei IR. Amestecul de hidrogen cu WO3 poros schimbă culoarea a stratului inteligent la albastru închis. Cu cât trioxidul de wolfram absoarbe mai mult H2, cu atât mai mult a fereastra gazocromă va deveni mai colorată. Expunerea WO3 la oxigen provoacă GC fereastra își recuperează transparența.

Performanța ferestrelor GC poate fi îmbunătățită prin scăderea timpului de răspuns prin injectarea de apă în structura WO3 și făcând filmul chimiocromic mai poros. Echipamentul ferestrelor GC necesită spațiu suplimentar, datorită nevoii lor de o resursă de gaz care poate fi o provocare pentru designeri. În contrast, timpul de reacție scăzut al ferestrelor GC este un avantaj pentru clădiri.

Ferestrele termocrome

Ferestrele termocrome (TC) sunt clasificate drept ferestre inteligente pasive, folosind acoperiri termocrome care conțin oxid de vanadiu (VO2). Geamurile TC modifică intensitatea căldurii și razele solare infraroșii (IR) în interiorul clădirii, atunci când mediul înconjurător temperatura depășește temperatura de tranziție a acoperirii TC, rezultând nuanța de culoare a ferestrei modificări.

Lumina soarelui se ciocnește de moleculele de VO2 și provoacă refracția razelor de lumină care modifică lungimea de undă a razelor solare, ducând la reducerea câștigului de căldură al clădirii. Diversele lungimi de undă luminii prezintă niveluri diferite de energie solară care intră în clădiri. Când refracția luminii prin VO2 extinde lungimea de undă a razelor solare, se reduce nivelul energiei solare care vine prin ferestre. (Foto: Dreamstime)