Finestres intel·ligents
Actualment, els edificis són responsables d’un 33% del consum energètic global i d’un 20% de les emissions de gasos d’efecte hivernacle relacionades. D’aquestes xifres, gairebé la meitat són degudes als sistemes d’il·luminació, calefacció, ventilació i refrigeració i, per tant, estan associades als fluxos de llum i calor que es produeixen a través de les finestres. Per aquest motiu, una de les principals estratègies proposades per tal de millorar l’eficiència energètica als edificis és l’ús de finestres intel·ligents que modulen la transmissió de radiació solar en funció de les condicions climàtiques – és a dir, que presenten una elevada transparència en dies freds i ennuvolats per tal d’afavorir el pas de la llum solar i el corresponent escalfament, però que bloquegen la radiació solar quan fa calor per tal de reduir el consum en aire condicionat. De fet, l’aplicació de finestres intel·ligents en edificis d’apartaments permetria disminuir en un 5-10% el consum energètic privat.
Les finestres intel·ligents es poden classificar en dos grups principals: a) les finestres intel·ligents cròmiques que funcionen absorbint la radiació solar, les quals passen entre un estat incolor i un acolorit en aplicar un estímul extern com la llum (fotocròmiques), la temperatura (termocròmiques) o l’electricitat (electrocròmiques); i b) les finestres intel·ligents no cròmiques que funcionen dispersant la radiació solar, les quals s’interconverteixen entre un estat transparent i un d’opac com ara les finestres intel·ligents basades en cristalls líquids. Tot i que algunes d’aquestes tecnologies ja es troben al mercat, encara pateixen de diversos inconvenients que n’ha impedit la generalització del seu ús – per exemple, un elevat cost, la dificultat de fabricar-les i instal·lar-les, o una baixa fotoestabilitat. Per superar aquestes limitacions, als grups d'”Electroquímica, Fotoquímica i Reactivitat Orgànica” del Departament de Química de la Universitat Autònoma de Barcelona (GEFRO, UAB) i de “Materials Functionals Nanoestructurats” de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (Nansofun, ICN2) treballem en el desenvolupament de nous tipus de finestres intel·ligents amb propietats millorades, per a la qual cosa col·laborem conjuntament amb l’empresa de base tecnològica Futurechromes SL.
En aquest “Vagó de la Ciència” es mostren dos casos de finestres intel·ligents que hem desenvolupat en forma de pel·lícules polimèriques adhesives:
- Un recobriment de finestra intel·ligent fotocròmica que passa d’un estat incolor a un de gris-blau en ser exposada a suficient radiació solar. Gràcies a l’ús d’una nova metodologia de fabricació basada en nanotecnologia, aquest material presenta diversos avantatges respecte dels dispositius fotocròmics tradicionals: una major velocitat de canvis de color, i una vida útil més llarga degut a la incorporació de components que en retarden la fotodegradació [1-2].
- Un recobriment de finestra intel·ligent no cròmica que passa de transparent a opac en ser exposat a temperatures o intensitats d’irradiació solar prou elevades. Aquest material està basat en una nova tecnologia desenvolupada als nostres grups que permet assolir una ample ventall d’avantatges: fabricació senzilla a partir de materials de baix cost, que permetria reduir-ne el preu entre 10 i 100 vegades respecte als sistemes actuals; elevada fotoestabilitat, flexibilitat i escalabilitat; fàcil adaptació de les seves prestacions a diverses zones climàtiques; i capacitat de respondre tant de manera espontània a les condicions ambientals com sota el control extern d’un usuari [3-4].
[1] H. Torres-Pierna, D. Ruiz-Molina, C. Roscini, Highly transparent photochromic films with a tunable and fast solution-like response, Mater. Horizon. 2020, 7, 2749-2759.
[2] C. Roscini, H. Torres-Pierna, D. Ruiz-Molina, Nanoemulsion optical materials, WO2017105666A1 (2015).
[3] J. R. Otaegui, D. Ruiz-Molina, J. Hernando, C. Roscini, Multistimuli-responsive smart windows based on paraffin-polymer composites, Chem. Eng. J. 2023, 463, 142390.
[4] J. Hernando, J. R. Otaegui, C. Roscini, D. Ruiz-Molina, A thermoresponsive composition with tunable light transmittance, EP22383094.4 (2022).
Smart windows
Buildings currently account for about 33% of the global energy use as well as 20% of the energy-related emissions of greenhouse gases. Nearly half of these figures are due to lighting, heating, ventilation and air conditioning systems and, therefore, they are related with light and heat fluxes through windows. Accordingly, one of the principal strategies proposed to improve energy efficiency in buildings are smart windows, which are stimuli-responsive fenestration elements that adapt their sunlight transmission to outdoor conditions – i.e., they exhibit high transparency in cold and cloudy days to favor solar illumination and heating, while blocking sunlight when warm to reduce air conditioning use. Actually, when applied to apartment buildings, smart windows should allow private energy consume to decrease about 5-10%.
Smart windows can be divided into two main groups: a) chromic smart windows operating through sunlight absorption, which turn from colorless to colored upon application of external stimuli such light (photochromic), temperature (thermochromic) or electricity (electrochromic); and b) non-chromic smart windows operating through sunlight scattering, which toggle between transparent and opaques states such as liquid crystal based smart windows. Although some of these thecnologies have already reached the market, they suffer from several drawbacks that prevent their general use – e.g., high cost, difficult preparation and installation, and low photostability. To overcome these limitations, the “Electrochemistry, Photochemistry and Organic Reactivity” group at the Department of Chemistry of the Universitat Autònoma de Barcelona (GEFRO, UAB) and the “Nanostructured Functional Materials” group from the Catalan Institute for Nanoscience and Nanotechnology (Nansofun, ICN2) collaborate together with the spin-off company Futurechromes SL to the development of novel smart windows with optimized properties.
Two of these systems fabricated as adhesive plastic films are showcased in the “Vagó de la Ciència”:
- A photochromic smart window coating that turns from colorless to blue-grey colored upon sunlight irradiation. Using a novel fabrication method developed by us, this material shows several advantages over traditional photochromic devices: it shows faster color changing rates, while extending the lifetime of the product by facilitating the incorporation of stabilizing components [1-2].
- A non-chromic smart window coating that transforms from light transparent to light opaque by both thermal heating and sunlight irradiation. It is based on a novel technology developed by us that exhibits a variety of advantages: facile fabrication from low-cost materials, which should allow reducing their price between 10- to 100-fold relative to current commercial systems; high photostability, flexibility and scalability; fine tuning of their response to make it suitable for distinct climate areas; and capacity of enabling sunlight transmittance modulation both spontaneously depending on outdoor conditions and under user’s control [3-4].
[1] H. Torres-Pierna, D. Ruiz-Molina, C. Roscini, Highly transparent photochromic films with a tunable and fast solution-like response, Mater. Horizon. 2020, 7, 2749-2759.
[2] C. Roscini, H. Torres-Pierna, D. Ruiz-Molina, Nanoemulsion optical materials, WO2017105666A1 (2015).
[3] J. R. Otaegui, D. Ruiz-Molina, J. Hernando, C. Roscini, Multistimuli-responsive smart windows based on paraffin-polymer composites, Chem. Eng. J. 2023, 463, 142390.
[4] J. Hernando, J. R. Otaegui, C. Roscini, D. Ruiz-Molina, A thermoresponsive composition with tunable light transmittance, EP22383094.4 (2022).
Ventanas inteligentes
Actualmente, los edificios son responsables de un 33% del consumo energético global y un 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas. Alrededor de la mitad de esas cifras son debidas a los sistemas de iluminación, calefacción, ventilación y refrigeración y, por lo tanto, están relacionadas con los flujos de luz y calor a través de las ventanas. Por este motivo, una de las principales estrategias propuestas para mejorar la eficiencia energética en los edificios es el uso de ventanas inteligentes que modulan la transmisión de radiación solar en función de las condiciones climáticas – es decir, que presentan una elevada transparencia en días fríos y nublados para favorecer el paso de luz y el calentamiento solar, pero que se oscurecen y bloquean a la radiación solar cuando hace calor para reducir el consumo de aire acondicionado. De hecho, la utilización de ventanas inteligentes en edificios de apartamentos permitiría disminuir en un 5-10% el consumo energético privado.
Las ventanas inteligentes se pueden clasificar en dos grupos principales: a) las ventanas inteligentes crómicas que funcionan absorbiendo la radiación solar, las cuales pasan entre un estado incoloro y uno coloreado al aplicar un estímulo externo como la luz (fotocrómicas), la temperatura (termocrómicas) o la electricidad (electrocrómicas); y b) las ventanas inteligentes no crómicas que funcionan dispersando la radiación solar, las cuales se interconvierten entre un estado transparente y uno opaco como es el caso de las ventanas inteligentes basadas en cristales líquidos. Aunque algunas de estas tecnologías ya se comercializan, aún padecen de diversos inconvenientes que han impedido la generalización de su uso – por ejemplo, elevado coste, dificultat de fabricación e instalación, o baja fotoestabilidad. Para superar estas limitaciones, los grupos de “Electroquímica, Fotoquímica y Reactividad Orgánica” del Departamento de Química de la Universitat Autònoma de Barcelona (GEFRO, UAB) y de “Materiales Funcionales Nanoestructurados” del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (Nansofun, ICN2) trabajamos conjuntament en el desarrollo de nuevos tipos de ventanas inteligentes con propietades mejoradas, para lo que colaboramos con la empresa de base tecnológica Futurechromes SL.
En este “Vagó de la Ciència” se exhiben dos casos de ventanas inteligentes que hemos desarrollado en forma de películas polimèricas adhesivas:
- Un recubrimiento de ventana inteligente fotocrómica que pasa de un estado incoloro a otro gris-azul al ser expuesta a suficiente radiación solar. Gracias al uso de una nueva metodología de fabricación basada en nanotecnología, este material presenta diversas ventajas en relación a los dispositivos fotocrómicos tradicionales: mayor velocidad de cambio de color, y una vida útil más larga debido a la incorporación de componentes que retrasan la fotodegradación [1-2].
- Un recubrimento de ventana inteligente no crómica que pasa de transparente a opaco al ser expuesto a temperatures o intensidades de irradiación solar suficientemente elevadas. Este material está basado en una nueva tecnología desarrollada en nuestros grupos con la que se puede alcanzar un amplio abanico de ventajas: fabricación sencilla a partir de materiales de bajo coste, lo que permitiría reducir su precio entre 10 y 100 veces respecto a los sistemas actuales; elevada fotoestabilidad, flexibilidad y escalabilidad; fácil adaptación de sus prestaciones a diversas zonas climáticas; y capacidad de responder tanto de manera espontánea a las condiciones ambientales como bajo el control externo de un usuario [3-4].
[1] H. Torres-Pierna, D. Ruiz-Molina, C. Roscini, Highly transparent photochromic films with a tunable and fast solution-like response, Mater. Horizon. 2020, 7, 2749-2759.
[2] C. Roscini, H. Torres-Pierna, D. Ruiz-Molina, Nanoemulsion optical materials, WO2017105666A1 (2015).
[3] J. R. Otaegui, D. Ruiz-Molina, J. Hernando, C. Roscini, Multistimuli-responsive smart windows based on paraffin-polymer composites, Chem. Eng. J. 2023, 463, 142390.
[4] J. Hernando, J. R. Otaegui, C. Roscini, D. Ruiz-Molina, A thermoresponsive composition with tunable light transmittance, EP22383094.4 (2022).