Los miembros del equipo de investigación de la NTU incluyen al Dr. Long Yi (izquierda), profesor titular de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y al estudiante de doctorado Wang Shancheng (derecha). Crédito: NTU Singapur
Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) han desarrollado un panel de ventana líquido que puede bloquear simultáneamente el sol para regular la transmisión solar, mientras atrapa el calor térmico que se puede liberar durante el día y la noche, lo que ayuda a reducir el consumo de energía en los edificios. .
Los investigadores de NTU desarrollaron su ‘ventana inteligente’ colocando líquido a base de hidrogel dentro de paneles de vidrio y encontraron que puede reducir hasta un 45 por ciento del consumo de energía de calefacción, ventilación y aire acondicionado en edificios en simulaciones, en comparación con las ventanas de vidrio tradicionales. También es alrededor de un 30 por ciento más eficiente en energía que el vidrio de baja emisividad (eficiente en energía) disponible comercialmente, mientras que su fabricación es más barata.
La ‘ventana inteligente’ es el primer caso reportado en una revista científica de ventanas inteligentes de ahorro de energía fabricadas con líquido, y respalda la visión de NTU Smart Campus, que tiene como objetivo desarrollar soluciones tecnológicamente avanzadas para un futuro sostenible.
Las ventanas son un componente clave en el diseño de un edificio, pero también son la parte menos eficiente energéticamente. Debido a la facilidad con la que el calor se puede transferir a través del vidrio, las ventanas tienen un impacto significativo en los costos de calefacción y refrigeración de un edificio. Según un informe de las Naciones Unidas de 2009, los edificios representan el 40 por ciento del uso global de energía y las ventanas son responsables de la mitad de ese consumo de energía.
La ventana inteligente se vuelve opaca cuando se expone al calor, bloqueando así la luz solar y, cuando está fría, vuelve a su estado original «transparente». Crédito: NTU Singapur
Las ventanas convencionales de baja emisividad que ahorran energía están fabricadas con revestimientos costosos que reducen la luz infrarroja que entra o sale de un edificio, lo que ayuda a reducir la demanda de calefacción y refrigeración. Sin embargo, no regulan la luz visible, que es un componente importante de la luz solar que hace que los edificios se calienten.
Para desarrollar una ventana para superar estas limitaciones, los investigadores de NTU recurrieron al agua, que absorbe una gran cantidad de calor antes de que comience a calentarse, un fenómeno conocido como alta capacidad calorífica específica.
Crearon una mezcla de microhidrogel, agua y un estabilizador y, a través de experimentos y simulaciones, descubrieron que puede reducir de manera efectiva el consumo de energía en una variedad de climas, debido a su capacidad para responder a un cambio de temperatura. Gracias al hidrogel, la mezcla líquida se vuelve opaca cuando se expone al calor, bloqueando así la luz solar y, cuando se enfría, vuelve a su estado original «transparente».
‘Ventana líquida’ más adecuada para edificios de oficinas
Al mismo tiempo, la alta capacidad calorífica del agua permite almacenar una gran cantidad de energía térmica en lugar de transferirla a través del vidrio al interior del edificio durante el caluroso día. Luego, el calor se enfriará gradualmente y se liberará por la noche.
La mezcla líquida utilizada para crear la ventana inteligente está hecha de microhidrogel, agua y un estabilizador. Crédito: NTU Singapur
El Dr. Long Yi, autor principal del estudio de investigación publicado en la revista Joule y profesor principal de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, dijo: “Nuestra innovación combina las propiedades únicas de ambos tipos de materiales: hidrogel y agua. Al utilizar un líquido a base de hidrogel, simplificamos el proceso de fabricación al verter la mezcla entre dos paneles de vidrio. Esto le da a la ventana una ventaja única de alta uniformidad, lo que significa que la ventana se puede crear en cualquier forma y tamaño «.
Como resultado de estas características, el equipo de investigación de NTU cree que su innovación es más adecuada para su uso en edificios de oficinas, donde las horas de funcionamiento son principalmente durante el día.
Como prueba de concepto, los científicos realizaron pruebas al aire libre en entornos cálidos (Singapur, Guangzhou) y fríos (Beijing).
La prueba de Singapur reveló que la ventana de líquido inteligente tenía una temperatura más baja (50 ° C) durante el momento más caluroso del día (mediodía) en comparación con una ventana de vidrio normal (84 ° C). Las pruebas de Beijing mostraron que la habitación que usaba la ventana de líquido inteligente consumía un 11 por ciento menos de energía para mantener la misma temperatura en comparación con la habitación con una ventana de vidrio normal.
La ventana inteligente cambia el pico de carga de electricidad y bloquea el ruido
Los científicos también midieron cuándo ocurrió el valor más alto de energía térmica almacenada del día.
Este ‘pico de temperatura’ en la ventana de vidrio normal fue a las 12 pm, y en la ventana de líquido inteligente se cambió a las 2 pm. Si este cambio de temperatura máxima se traduce en un cambio en el tiempo que un edificio necesita para consumir energía eléctrica para enfriar o calentar el edificio, debería resultar en tarifas de energía más bajas para los usuarios.
Las simulaciones que utilizaron un modelo de construcción real y datos meteorológicos de cuatro ciudades (Shanghai, Las Vegas, Riyadh y Singapur) mostraron que la ventana líquida inteligente tenía el mejor rendimiento de ahorro de energía en las cuatro ciudades en comparación con las ventanas de vidrio normales y las ventanas de baja emisividad. .
Las pruebas de insonorización también sugirieron que la ventana líquida inteligente reduce el ruido un 15 por ciento más eficazmente que las ventanas de doble acristalamiento.
El primer autor del estudio Wang Shancheng, quien es Oficial de Proyectos en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, dijo: “Las ventanas de doble acristalamiento que bloquean el sonido están hechas con dos piezas de vidrio que están separadas por un espacio de aire. Nuestra ventana está diseñada de manera similar, pero en lugar de aire, llenamos el espacio con el líquido a base de hidrogel, que aumenta el aislamiento acústico entre los paneles de vidrio, ofreciendo así un beneficio adicional que no se encuentra comúnmente en las ventanas de ahorro de energía actuales «.
El otro primer autor, el Dr. Zhou Yang, era estudiante de doctorado en NTU y actualmente es profesor asociado en la Universidad China de Petróleo-Beijing (CUPB).
Al brindar una visión independiente, el profesor Ronggui Yang, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, China, ganador del Premio Nukiyama Memorial 2020 en Ciencia e Ingeniería Térmica y experto en sistemas térmicos y de energía, dijo: “Esta es la primera instancia de una ventana inteligente líquida a base de hidrogel, y nos aleja de un diseño de vidrio convencional. La innovación disruptiva conduce a la regulación solar y el almacenamiento de calor, que juntos brindan un rendimiento de ahorro de energía excepcional «.
El equipo de investigación ahora busca colaborar con socios de la industria para comercializar la ventana inteligente.
Referencia: «Ventana inteligente de respuesta térmica líquida derivada de hidrogel» por Yang Zhou, Shancheng Wang, Jinqing Peng, Yutong Tan, Chuanchang Li, Freddy Yin Chiang Boey y Yi Long, 23 de septiembre de 2020, Joule.
DOI: 10.1016 / j.joule.2020.09.001
La investigación cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Investigación, la Oficina del Primer Ministro de Singapur, en el marco de su programa Campus para la excelencia en la investigación y la empresa tecnológica (CREATE), y el Instituto Internacional Conjunto de Investigación Sino-Singapur.