Il 40 % del consumo di fonti di energia primaria in Europa dipende dagli edifici, il 20% della quale viene dispersa a causa di un involucro edilizio inadeguato e soprattutto delle finestre. Diminuire drasticamente le perdite di calore delle finestre è diventato quindi un imperativo quando si progettano nuovi edifici a risparmio energetico o in caso di riqualificazioni.
La prima fase dell’evoluzione tecnologica ha visto soprattutto il passaggio dalle vetrate a vetro singolo a quelle a doppio vetro, e da qualche tempo a questa parte a quelle a triplo vetro. Ma benché ciò rappresenti già un cambiamento radicale, la vera rivoluzione è un’altra: le smart windows, una serie di nuove tecnologie che aiutano a controllare o immagazzinare la luce e il calore trasferiti dall’esterno all’interno.

Smart windows, un mercato in forte crescita

Secondo una recente relazione di Research and Markets, il fatturato mondiale del vetro e delle pellicole elettrocromiche (EC) – particolari rivestimenti in vetro controllati da un interruttore manuale in grado di bloccare fino al 98 % delle radiazioni solari – raggiungerà i 580 milioni di euro entro il 2024. Altre soluzioni di finestre intelligenti, come le tecnologie fotocromiche, termocromiche, SPD, PDLC, idrogel, basate su pixel e microtende, aumenterebbero questo valore fino a raggiungere 650 milioni di euro. Ciò solleva una questione fondamentale: l’industria europea è tecnologicamente pronta per rivendicare una parte sostanziale di tale mercato emergente?
 Negli ultimi anni l’UE ha cercato di dare una mano agli operatori del mercato per permettere loro di prepararsi in tempo. A che punto siamo? Su quali tecnologie si sta investendo e con quali risultati?

Results Pack di Cordis: focus sulle smart windows

A fornire un quadro esaustivo della situazione è il Results Pack di Cordis dedicato al segmento delle smart windows, dove vengono presentate alcune delle innovazioni più interessanti sviluppate in questo campo, tra cui le tecnologie EC avanzate, i materiali leggeri, i vetri quadrupli, le soluzioni di raccolta dell’energia e altri approcci innovativi per l’isolamento e il risparmio energetico. Vediamone alcune.

Regolazione solare e controllo della luce

Il progetto SMARTBLIND (Development of an active film for smart windows with inkjet method. Application to a building envelope component: autonomous smart device) propone lo sviluppo di una finestra intelligente ed efficiente sul piano energetico, in grado di garantire la regolazione solare e il controllo della luce. Il nuovo dispositivo prevede un film ibrido formato in parte da cristalli liquidi elettrochimici e in parte da uno strato fotovoltaico, entrambi stampati sullo stesso substrato flessibile a lunga durata. La creazione del film ibrido si basa sull’utilizzo di inchiostri elettrochimici e fotovoltaici appositamente formulati per la stampa a getto d’inchiostro. L’utilizzo di questa tecnologia, unitamente a un adeguato telaio per finestre, garantirà una riduzione del valore U di isolamento termico delle finestre pari a 0,3 W/m² K. Altri aspetti importanti considerati dal progetto sono i componenti correlati, come ad esempio i connettori e il controllo dei film, la sostenibilità, il ciclo di vita e la riciclabilità. Il prodotto SMARTBLIND è destinato sia al mercato delle nuove costruzioni, sia a quello delle ristrutturazioni.

Autoriscaldanti e autoraffreddanti

Il team CLIMAWINDA sta sviluppando una finestra con ventilazione intelligente capace di preriscaldarsi e raffreddarsi da sola per ridurre sensibilmente la dispersione energetica e ottimizzare la ventilazione. L’unità CLIMAWIN funziona come un sistema di ventilazione naturale con recupero del calore nei climi più freddi e come dispositivo di luce naturale (autoraffreddante) in presenza di temperature più calde. È una finestra che include innovazioni che la differenziano da tutti i sistemi di ventilazione esistenti, come prese d’aria integrate per l’ingresso controllato dell’aria e un sistema fotovoltaico integrato ed è dotata inoltre di filtri dell’aria, elettronica integrata e un sistema di comunicazione senza fili tra finestre e stanze.
 L’energia persa per conduzione attraverso la finestra CLIMAWIN viene riottenuta dall’aria in entrata, alzando la temperatura per migliorare il livello di comfort. Le finestre rivolte a sud godono di un netto guadagno di calore, diventando, in effetti, un sistema di ventilazione di recupero di calore passivo. I processi necessari per l’entrata in funzione sono stati automatizzati ed è stata sviluppata un’applicazione con interfaccia web e telefonica per il controllo remoto delle prese di ventilazione e delle tende.

Vetro ultrasottile e fotovoltaico organico

Membrane di vetro ultrasottile e fotovoltaico organico stampato a getto d’inchiostro (OPV). Queste sono solo alcune delle innovazioni di risparmio energetico sviluppate dai ricercatori dell’UE attraverso il progetto MEM4WIN (Ultra thin glass membranes for advanced, adjustable and affordable quadruple glazing windows for zero-energy buildings), che ha fatto progressi significativi nello sviluppo della tecnologia delle finestre intelligenti. Il progetto, avviato nel mese di ottobre 2012, ha messo a punto una nuova unità di vetro isolato a quattro pezzi senza cornici, che contiene membrane di vetro ultra-sottili che possono essere applicate direttamente alle facciate. Grazie all’uso di membrane in vetro ultra-sottile (meno di 0,9 mm) in questo nuovo design di finestre senza cornice, il peso viene ridotto del 50 %.
Sviluppati anche sistemi fotovoltaici a basso costo a getto d’inchiostro (OPV) e collettori solari termici integrati, che consentono la raccolta di energia per la produzione di energia elettrica e acqua calda. Ci si aspetta che la sostituzione di materiali costosi come l’indio, l’ossido di titanio e l’argento con grafene e lo sfruttamento della lavorazione conveniente come la stampa a getto d’inchiostro possa ridurre i costi di fabbricazione di circa il 20%.

Finestre ‘liquide’ per raccogliere il calore

Il progetto LAWIN (Large-Area Fluidic Windows) si propone di migliorare ulteriormente l’efficienza energetica delle finestre sviluppando finestre che permettono la raccolta di energia solare e lo scambio di calore per mezzo di un rivestimento attivo. Al centro della tecnologia c’è un vetro strutturato goffrato con canali microfluidici all’interno dei quali circola un fluido funzionale. Il fluido permette di regolare automaticamente l’incidenza della luce o di raccogliere il calore esterno che viene quindi trasportato a una pompa di calore. L’attuale prototipo usa soluzioni acquose, ma si potrebbe usare qualsiasi fluido che abbia alte proprietà di scambio di calore e che possieda ulteriori funzionalità come il policromatismo (in cui le proprietà ottiche di assorbimento del fluido dipendono dall’ordine di grandezza dell’irradiazione incidente o che possono essere regolate elettricamente). Le finestre e gli elementi della facciata microfluidici a grande superficie di LAWIN si basano su quattro tipi di nuovi materiali: vetro economico e resistente, vetro laminato microstrutturato di qualità architettonica, un composto vetro-vetro che comprende canali microfluidici e un liquido che immagazzina il calore, progettato per essere trasparente e/o avere una funzionalità attiva nella facciata e nelle finestre. Per testare realmente la tecnologia, LAWIN ha in programma di produrre il prototipo finale su scala semi-industriale entro il 2017.

Pellicola elettrochimica

Rinnovare le finestre con una pellicola in plastica che si può oscurare elettronicamente è un sogno che sta finalmente per diventare realtà. Secondo studi di valutazione del ciclo vitale, si può avere un considerevole risparmio di energia con l’integrazione di tali pellicole in vetrate architettoniche, sportelli di elettrodomestici, finestrini della cabina degli aerei e tettucci apribili dei veicoli e in questo modo si migliora anche il comfort degli utenti. Il progetto EELICON (Enhanced Energy Efficiency and Comfort by Smart Light Transmittance Control), finanziato dall’UE, si sta concentrando su un’innovativa tecnologia di trasmissione della luce modificabile che era stata sviluppata nell’ambito di un progetto co-finanziato in precedenza dai programmi quadro dell’UE. Il progetto ha sviluppato pellicole elettrochimiche (EC) leggere e flessibili meccanicamente, basate su una tecnologia di polimeri nanocompositi conduttori, con un profilo di proprietà che va molto oltre l’attuale stato dell’arte. Tali pellicole possono essere utilizzate per creare finestre intelligenti per il controllo della luce del sole e del bagliore in edifici e veicoli. Questa tecnologia è conosciuta per avere le potenzialità di far risparmiare quantità sostanziali di energia per il condizionamento dell’aria. L’oscuramento della pellicola ridurrà il calore assorbito dall’interno mantenendo allo stesso tempo la visibilità attraverso la finestra. Questa pellicola permette di ammodernare finestre esistenti.

Ridurre la CO2

Nell’ambito del progetto WINSMART (Smart, lightweight, cost-effective and energy efficient windows based on novel material combinations), gli scienziati stanno lavorando sull’idea di combinare vetri isolanti sottovuoto (VIG) con schemi di controllo della trasmissione ottica per ridurre i valori di trasmittanza termica (U) di oltre il 60 %. I VIG rappresentano un concetto edilizio relativamente nuovo basato sull’originale vetro a doppio pannello. Lo spazio tra i pannelli è evacuato a meno di un milionesimo di pressione atmosferica e il vuoto impedisce lo scambio di quasi tutto il calore convettivo o conduttivo tra i pannelli. Il progetto si prefigge di ridurre il valore U delle finestre fino a 0,3 W/(m2·K). I prodotti attualmente disponibili neanche si avvicinano a tali valori, a causa delle limitazioni tecniche. Il valore U delle vetrate moderne a triplo vetro, ad esempio, raggiunge massimo 0,7 W/(m2·K), che è comunque più di quello di una parete bene isolata, il cui valore U potrebbe non superare 0,15 W/(m2·K). Nel primo periodo, il team ha convalidato le tecniche di produzione necessarie per la realizzazione di VIG. Gli scienziati stanno inoltre studiando l’energia grigia dei telai, il consumo di energia totale di tutti i processi, dall’acquisizione delle materie prime al riciclaggio e allo smaltimento. L’obiettivo è di ridurre il peso della finestra del 50 % e di ridurre il consumo totale di energia necessaria per la fabbricazione e lo smaltimento/riciclo fino al 50 %. In previsione di una valutazione del ciclo di vita (LCA), i ricercatori hanno definito la metodologia LCA e preparato una bozza dell’inventario LCA del sistema di finestre proposto.