verticale

Smart windows elettrocromiche

La trasparenza delle vetrate garantisce una continua interazione visuale tra spazio confinato e ambiente circostante. Ciò rappresenta innegabilmente una peculiarità del materiale vetro, sotto il profilo estetico e funzionale, consentendo di impiegare la luce naturale come fonte di illuminazione; è stato dimostrato che l’interazione visuale con l’ambiente circostante, oltre ad esaltare la qualità architettonica dello spazio confinato, consente l’ulteriore beneficio del contatto con il daylighting, radiazione luminosa ad elevatissima qualità spettrale, con ricadute positive sulla salute (fotosintesi della vitamina D, attivazione degli interruttori ormonali per melatonina e serotonina, riduzione dei tempi di convalescenza nei nosocomi, riduzione insorgenza di patologie quali l’osteoporosi) [1]; nondimeno, la vetratura costituisce, come ben noto a progettisti e utenti, il principale punto debole dell’involucro, dal punto di vista termofisico.

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La Termotecnica, luglio-agosto 2017

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Tecnica 56 LA TERMOTECNICA LUGLIO-AGOSTO 2017 Edilizia & Energia La trasparenza delle vetrate garantisce una continua interazione visuale
tra spazio confinato e ambiente circostante. Ci rappresenta innega-
bilmente una peculiarit del materiale vetro, sotto il profilo estetico e
funzionale, consentendo di impiegare la luce naturale come fonte di
illuminazione; stato dimostrato che l'interazione visuale con l'am-
biente circostante, oltre ad esaltare la qualit architettonica dello spazio
confinato, consente l'ulteriore beneficio del contatto con il daylighting,
radiazione luminosa ad elevatissima qualit spettrale, con ricadute
positive sulla salute (fotosintesi della vitamina D, attivazione degli in-
terruttori ormonali per melatonina e serotonina, riduzione dei tempi di
convalescenza nei nosocomi, riduzione insorgenza di patologie quali
l'osteoporosi) [1]; nondimeno, la vetratura costituisce, come ben noto a
progettisti e utenti, il principale punto debole dell'involucro, dal punto
di vista termofisico.
L'innovazione e la ricerca propongono sempre di pi soluzioni tec-
nologiche atte a rispondere a molteplici esigenze, tra cui quella della
modulazione variabile della radiazione solare, caratteristica che im-
plementabile nell'involucro grazie proprio ai dispositivi elettrocromici.
Questo ambito di ricerca si innesta nella lunga storia dell'integrazione
del vetro nell'involucro edilizio, che ha subito un'accelerazione signi-
ficativa in tempi piuttosto recenti e beneficia significativamente della
disponibilit di materiali e strumenti innovativi provenienti dal campo
delle nanotecnologie.
Nel XIX e nel XX secolo, la vetratura assurta a un ruolo centrale nel
linguaggio espressivo dell'architettura (parallelamente a evoluzioni tec-
nologiche che hanno consentito la diffusione di tempratura, float glass
e la produzione di vetri stratificati). Nel Novecento, si pervenuti alla
codifica del curtain wall, o facciata continua in vetro: uno dei cinque
punti fondamentali dell'architettura di Le Corbusier. Si pensi al progetto
di Mies van der Rohe per il Seagram Building (1958), un edificio a torre,
in cui si concretizzava il sogno di una facciata interamente in vetro. Parte
dei pannelli vetrati, drogata con selenio, consentiva di ottenere elementi
dal colore cangiante sotto la luce solare, dal rosa al blu, fino al bronzo.
Questa ardita sperimentazione architettonica pu considerarsi uno dei
primi design di 'pelle' architettonica, in cui la permeabilit visiva perde
la sua fissit, per acquisire propriet dinamiche, cangianti. L'involucro diventa la 'terza pelle' per il fruitore (sovrapponendosi a derma e ab-
bigliamento) [2]. Nell'ottica del miglioramento delle propriet termiche
delle finestrature sono stati introdotti, pi recentemente, i vetri basso-
emissivi, ossia dotati di rivestimenti superficiali di materiali in grado
di controllare l'emissivit della superficie del pannello e contenere la
dispersione di energia termica per irraggiamento tra le facce del vetro-
camera affacciate sull'intercapedine (evacuate o contenenti gas inerti).
Analoga soluzione, che prevede sempre l'impiego di film sottili, quella
dei vetri a controllo solare, atti a contenere l'aliquota di trasmissione
della radiazione attraverso il vetro. Questi ultimi, con un impiego preva-
lentemente estivo, per la riduzione del cosiddetto greenhouse effect sono
generalmente soft coating ottenuti per magnetron sputtering di un sottile
film di argento, ad esempio. I primi, invece, depositati per pirolisi sul
vetro quando ancora giace sul letto di stagno fuso nel processo di produ-
zione float glass, sono hard coatings di ossido di stagno. L'applicazione
di film sottili di spessore nanometrico mediante tecniche di deposizione
fisica in alto vuoto pu considerarsi una delle prime applicazioni delle
nanotecnologie in edilizia. Il grosso limite di questo approccio risiede
nel fatto che la deposizione dei film sottili sancisce in modo definitivo
il comportamento termofisico di una vetratura con riferimento alla tra-
smissione di radiazione elettromagnetica. In tutti i casi, la trasparenza
del vetro, dopo le opportune deposizioni, assume il carattere di una
propriet fissa e non modificabile del pannello vetrato, definita a priori
in fase di produzione per offrire i requisiti richiesti dai progettisti.
Con lo scopo di reinterpretare dinamicamente la 'trasparenza' del
vetro, mirando a farne una propriet mutevole e in relazione alle
condizioni esterne di illuminamento, nasce l'ambito di ricerca speri-
mentale delle 'smart windows'. Esse hanno l'obiettivo progettuale di
una 'membrana adattiva', in grado di instaurare un continuo dialogo
con l'ambiente circostante e mutare specifiche propriet in risposta al
variare delle condizioni ambientali circostanti, cos da conseguire, con
continuit, condizioni di comfort abitativo indoor in termini termici e
di visual comfort, al contempo. Le smart windows sono principalmente
basate sull'impiego di materiali e dispositivi cromogenici. Si tratta
di una particolare gamma di materiali responsivi, o smart, in grado
di veder mutate delle specifiche caratteristiche cromatiche in ragione di A. Cannavale, F. Martellotta, U. Ayr Smart windows elettrocromiche Una panoramica delle attuali attivit di ricerca relative alle finestre intelligenti, con particolare riferimento alle nuove tendenze e ai potenziali vantaggi
per il risparmio energetico e il comfort visivo derivanti dall'integrazione nell'edificio. ELECTROCHROMISM FOR SMART WINDOWS
An overview of current research activities dealing with smart windows with special reference to new trends and potential energy saving and visual
comfort advantages deriving from their building integration. Alessandro Cannavale, Francesco Martellotta, Ubaldo Ayr
Dipartimento di Scienze dell'Ingegneria Civile e dell'Architettura ' Politecnico di Bari Tecnica LA TERMOTECNICA LUGLIO-AGOSTO 2017 57 Edilizia & Energia della variazione di uno stimolo esterno specifico: elettrico (elettrocromi-
ci), luminoso (fotocromici), termico (termocromici). Queste tecnologie
consentono di modificare dinamicamente e in modalit adattiva le
propriet di trasmissione del vetro. Il quale consente l'attraversamento
a radiazioni elettromagnetiche aventi lunghezze d'onda comprese tra
315 nm e 3000 nm.
Il principale obiettivo dei sistemi elettrocromici infatti il controllo di-
namico del fattore di trasmissione solare g, che esprime il rapporto tra
l'energia termica globalmente trasmessa dalla lastra e quella incidente
su di essa; infatti questi dispositivi consentono una modulazione arbitra-
ria delle propriet spettrali in risposta all'applicazione di una tensione
elettrica esterna ad un preciso valore.
Nelle regioni climatiche in cui si abbiano elevati consumi di energia
elettrica per via delle elevate superfici finestrate, le tecnologie elet-
trocromiche, ormai sul mercato, possono offrire una serie di benefici
significativi in termini di risparmio energetico, attraverso una modifica
del livello di trasmissione visiva.
Giova ricordare che specifici studi apparsi in letteratura scientifica
hanno dimostrato come i benefici derivanti dal controllo solare di una
finestra elettrocromica siano maggiori rispetto alla produzione di ener-
gia che si otterrebbe applicando sulla medesima superficie un sistema
fotovoltaico, di pari area. Circa 170 kWh/m2anno, alle nostre latitudini
[3]. L'entit di tale beneficio pu essere amplificata nel momento in cui
la strategia di utilizzo del sistema cromogenico, anzich essere affidata
all'utenza, risultasse gestita in tempo reale mediante uno spontaneo
adattamento delle propriet spettrali, in base alla variabilit delle con-
dizioni ambientali circostanti, in un continuo dialogo tra le grandezze
fisiche coinvolte (ad esempio, irraggiamento e tensione applicata al
device elettrocromico).
Il risparmio energetico derivante dall'impiego virtuoso di una smart window come sistema vetrato con schermatura integrata deriva es-
senzialmente dalla contemporanea riduzione di energia elettrica per il
raffrescamento in regime estivo e la riduzione dell'impiego di energia
elettrica per l'illuminazione artificiale quando, ad esempio, si fosse co-
stretti ad attivare schermature totali tradizionali in presenza di fenomeni
di discomfort visivo da sovrailluminamento ed abbagliamento. Secondo
C.G. Granqvist [4], tali riduzioni ammonterebbero ad almeno 30 kWh/
m2 anno in termini di riduzione dei costi di raffrescamento e circa 20
kWh/m2 per energia elettrica per usi illuminotecnici [5]. Secondo A.
Azens, in date condizioni di esposizione e climatiche, il risparmio ener-
getico ottenibile impiegando vetri elettrocromici, rispetto allo scenario
in cui venga impiegata un comune vetrocamera potrebbe raggiungere
valori minimi dell'ordine di 170 kWh/m2 per anno [3].
L'elettrocromismo, come gi specificato il fenomeno che permette il
cambiamento di colore di una precisa gamma di materiali, detti elettro-
cromici, attraverso l'applicazione di una tensione esterna. Si osserva sia
in alcuni materiali organici che inorganici. Tra i pi diffusi vi sono alcuni
ossidi di materiali come il tungsteno, il vanadio, il molibdeno, il nichel.
In particolare, uno dei materiali elettrocromici catodici pi utilizzati il
triossido di tungsteno (WO 3) definito in letteratura scientifica come un mixed conductor, ossia un ossido in grado di offrire conduzione ionica
ed elettronica al contempo, in precise condizioni [6]. Il WO 3 un ma- teriale che si organizza sotto forma di ottaedri, con atomi di tungsteno
in posizione centrale, e ossigeno in posizione periferica. Alla mutua
disposizione degli ottaedri, che condividono spigoli o vertici, si deve la
formazione di un gran numero di canali vuoti. La presenza di tali canali,
detti 'tunnel', costituisce la via di accesso per l'intercalazione di piccoli
cationi, come protoni, ioni litio o, anche, sodio.
stato dimostrato che la reazione redox di colorazione e decolorazione
del triossido di tungsteno si innesca a seguito di un'iniezione di elettroni FIGURA 1 - Dispositivo elettrocromico stato solido su singolo substrato flessibile
realizzato presso i laboratori CNR di Lecce
Tecnica 58 LA TERMOTECNICA LUGLIO-AGOSTO 2017 Edilizia & Energia e una contemporanea intercalazione di piccoli cationi, che determina
un'alterazione del bandgap del materiale; il quale, trasparente in con-
dizioni normali, subisce una transizione ottica fino ad assumere una
colorazione blu scuro, per significativi livelli di intercalazione cationica
(espresso dal rapporto x=Li/W). Come anticipato, tale variazione si de-
ve all'iniezione di elettroni sui siti di tungsteno, che variano il proprio stato
di ossidazione, riducendosi da +6 a +5. Cos, il fotone incidente avr
energia sufficiente a consentire una transizione di elettroni localizzati tra
siti di tungsteno vicini, e tale impiego di energia spiega la variazione di
assorbimento ottico anzidetta.
Una tipica architettura di dispositivi elettrocromici prevede l'impiego di
due elettrodi in vetro o materiale plastico (e.g. poliestere, polietilene),
resi conduttivi mediante ossidi conduttivi trasparenti (prevalentemente
In 2O3:Sn o SnO2:F). Su di essi vengono depositati due materiali elet- trocromici dal funzionamento complementare, tipicamente ossido di
tungsteno (a colorazione catodica) e ossido di nichel (a colorazione
anodica). Tra i due elettrodi, cos configurati viene inserito un elettrolita,
liquido o gel, al quale viene affidata la conduzione ionica dei cationi
presenti. Il collegamento elettrico tra i due elettrodi avviene mediante una
circuiteria esterna che consente l'applicazione di una tensione che agisce
da driving force per l'attivazione della colorazione e decolorazione
del device. La formulazione dell'elettrolita pi impiegata in letteratura
scientifica quella che prevede l'impiego di un sale di litio perclorato in
carbonato di propilene. In realt, lo studio della idonea formulazione
della soluzione elettrolitica, di fondamentale importanza per garantire
la durabilit del sistema, specialmente in vista dell'impiego industriale
delle smart windows. Infatti, i pi moderni trend nel design di dispositivi
elettrocromici puntano all'impiego di sistemi completamente a stato
solido. Tra i vari approcci utile citare il tentativo di utilizzare il device
elettrocromico, depositato su supporti trasparenti di poliestere, come
sistema di laminazione tra vetri. [7]. In questo caso il device elettrocro-
mico si configura come idoneo componente per la laminazione dei vetri
stratificati di sicurezza. Aggiungendo la propriet della modulazione
cromatica.
In particolare, tra le attivit in corso presso il Laboratorio Nazionale di
Nanotecnologia (CNR Nanotec), vi proprio la realizzazione di dispo-
sitivi cromogenici a stato completamente solido, in grado di modulare il proprio colore in risposta a uno stimolo esterno, di natura elettrica.
Sono attualmente sperimentati, nel gruppo di ricerca del Prof. Giuseppe
Gigli, device elettrocromici su singolo substrato (Figura 1) contenenti
membrane elettrolitiche solide, ad elevata conduzione ionica, dotate di
elevate performance e stabilit elettrochimica (Figura 2). La stabilit del
sistema e la facile integrazione nella struttura dell'infisso sono due punti
di forza delle attivit di ricerca in corso [8].
Un gruppo di ricercatori del Politecnico di Bari indaga sugli effetti della
building integration di dispositivi elettrocromici innovativi in edifici,
puntando a individuare gli effetti ' a livello edificio - in termini di rispar-
mio energetico, (riduzione dei costi di raffrescamento e illuminazione
artificiale), benefici in termini di ottimizzazione del daylighting e life-
cycle assessment.
Il settore applicativo di elezione per le smart windows elettrocromiche
decisamente quello delle costruzioni. Esistono, tuttavia, interessanti ap-
plicazioni nell'ambito dell'automotive (specchietti retrovisori) e dell'aero-
nautica (sono elettrocromici i finestrini dei nuovi Boeing 787). In ambito
edile occorre citare la SageGlass. Una delle prime applicazioni del vetro
elettrocromico stata realizzata qualche mese fa al Multicomfort Habitat
Lab, inaugurato da Saint-Gobain Italia, a Corsico (MI); il sistema elettro-
cromico stato inserito nei tripli vetri delle facciate e delle porte esterne.
il caso di ricordare che i vantaggi derivanti dall'impiego di un ve-
tro elettrocromico comprendono ' al contempo ' la riduzione di costi
per il raffrescamento estivo e la riduzione del ricorso all'illuminazio-
ne artificiale quando, in condizioni di discomfort visivo derivante da
abbagliamento e sovrailluminamento, si debba ricorrere ai sistemi di
schermatura che impongono il ricorso all'illuminazione artificiale. Gli
attuali costi, ancora elevati, della tecnologia, secondo le previsioni di
Lee [9] possono scendere al di sotto dei 100 dollari al metro quadro, in
un mercato maturo. I vantaggi economici derivanti dall'impiego delle
finestre elettrocromiche nel caso di ristrutturazione in edifici di area
Mediterranea sono stati illustrati in un lavoro di Tavares [10] del 2014.
Sbar et al. [11] hanno dimostrato che i vetri elettrocromici impiegati negli
edifici per uffici possono portare a una riduzione del 35% nelle nuove
costruzioni e fino al 50% nei lavori di ristrutturazione. Spetta, dunque,
ai progettisti, offrire alle committenze una sufficiente consapevolezza dei
vantaggi molteplici ' ambiente, comfort indoor, energy saving ' derivanti FIGURA 2 - Cinetiche di colorazione/bleaching e contrasto ottico del dispositivo presentato in Figura 1 Tecnica LA TERMOTECNICA LUGLIO-AGOSTO 2017 59 Edilizia & Energia dall'impiego delle finestre elettrocromiche. Tali vantaggi possono esser
calcolati con una stima del valore attualizzato netto (VAN) di una serie
di flussi di risparmio energetico, che tengano conto opportunamente di
tutti i risparmi ottenibili e di un realistico scenario di aumento del costo
della fonte energetica impiegata. Inoltre, il processo di fabbricazione di
tali device avviene interamente in condizioni di temperatura ambiente,
lasciando prefigurare bassi costi di produzione e una agevole applica-
zione su qualsiasi tipologia di substrato. Ci consente di ampliare note-
volmente il potenziale raggio di applicazione della tecnologia in corso
di studio presso il Laboratorio, non limitandolo a quello pur rilevante
dell'efficienza energetica in edilizia. RIFERIMENTI
[1] M. Boubekri, Daylighting, Architecture and Health, ISBN-13: 978-
0750667241 ISBN-10: 0750667249.
[2] S. Roaf, D. Crichton, N. Fergus, Adapting Buildings and Cities for
Climate Change: A 21st Century Survival Guide, Paperback, 2005.
[3] A. Azens, C. Granqvist, Electrochromic smart windows: energy
efficiency and device aspects, Journal of Solid State Electrochemistry,
February 2003, Volume 7, Issue 2, pp 64-68
[4] Granqvist et al. Journal of Vacuum Science & Technology B 32,
060801 (2014)
[5] Oxide electrochromics: An introduction to devices and materials Granqvist, C. G.
2012, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 99, April 2012,
Pages 1-13
[6] C.G. Granqvist, P.C.Lansaker, N.R.Mlyuka, G.A.Niklasson,
E.Avendano Progress in chromogenics: New results for electrochromic
and thermochromic materials and devices. Solar Energy Materials &
Solar Cells 93 (2009) 2032'2039.
[7] Claes G. Granqvist, Electrochromics for smart windows: Oxide-
based thin films and devices, Volume 564, 1 August 2014, Pages 1'38.
[8] P. Cossari, A. Cannavale, S. Gambino, G. Gigli, Room temperature
processing for solid-state electrochromic devices on single substrate:
From glass to flexible plastic, Solar Energy Materials and Solar Cells,
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[9] Lee, E. S., and D. L. Di Bartolomeo, Application Issues for Large-
Area Electrochromic Windows for Commercial Buildings, Solar Energy
Materials and Solar Cells, 2000, 71, 465-491.
[10] P.F. Tavares, A.R. Gaspar, A.G. Martins, F. Frontini, Evaluation of
electrochromic windows impact in the energy performance of buildings
in Mediterranean climates, Energy Policy, Volume 67, April 2014, Pages
68'81.
[11] N.L. Sbar, L. Podbelski, H. M. Yang, B. Pease, Electrochromic dyna-
mic windows for office buildings, International Journal of Sustainable
Built Environment, Volume 1, Issue 1, June 2012, Pages 125'139. www.tedom.com 25 anni sul mercato METANO - BIOGAS - LPG | 7 kW ' 10 MW LE TECNOLOGIE DI COGENERAZIONE
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