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Nanotecnología y ventanas inteligentes: La búsqueda del confort térmico en las edificaciones

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José Luis Ulate Ulate*
Dr. José Roberto Vega Baudrit

P1000885Debido a la creciente población mundial, la demanda de energía a nivel global se incrementa día con día. Con lo anterior, la humanidad se enfrenta a dos posibles opciones: producir más energía o encontrar formas para reducir el consumo. La primera opción implica una mayor quema de combustibles fósiles con las consecuencias negativas que ya se conocen muy bien. La segunda opción puede resultar en el incremento del capital financiero, calidad del medio ambiente, seguridad nacional y confort humano. (1, 2)
Una cantidad importante de la energía producida mundialmente es consumida para mantener el confort térmico en las edificaciones. En países desarrollados, el consumo de energía en los edificios representa del 20 al 40% del uso total de la energía. China es un ejemplo de esto, en donde el uso de aire acondicionado constituye del 40 al 60% del consumo energético total en las construcciones. En el 2010 aproximadamente el 60% de toda la energía usada en las edificaciones fue utilizada para la calefacción de espacios, el enfriamiento de espacios, iluminación y ventilación. (2, 3)
Las ventanas son conocidas como uno de los componentes más ineficientes energéticamente hablando. Sin embargo, la tecnología de este tipo de materiales ha crecido considerablemente en los últimos años. Prevenir las pérdidas de energía, mejorando el rendimiento térmico de las ventanas, por ejemplo, resulta en la reducción de los costos eléctricos y de las emisiones de los gases de efecto invernadero. (3, 4)
En los últimos años se han desarrollado ventanas que bloquean parcialmente la radiación solar indeseada, las cuales pueden ayudar a mantener niveles más altos de rendimiento energético en las edificaciones. A este tipo de materiales se les conoce como ventanas inteligentes. Son esencialmente arreglos cristalinos de “tinte variable”, los cuales hacen uso de tecnologías cromogénicas para cambiar sus propiedades ópticas en respuesta a estímulos externos. (4, 5)
Existen varios tipos de ventanas inteligentes, entre las cuales están: las electrocrómicas, que responden a una diferencia de potencial, termocrómicas, las cuales responden a la temperatura, fotocrómicas (responden a la luz ultravioleta), y gasocrómicas (responden a gases oxidados y reducidos). Entre las anteriores, la tecnología electrocrómica es la más madura con productos comerciales disponibles. Un ejemplo de este tipo de ventanas se muestra en la figura 1. (5)

confort-term-01Figura 1. Secuencia de cambios en una ventana electrocrómica. (4)

De los cuatro tipos de ventanas inteligentes mencionadas anteriormente, en este documento se explicaran, muy brevemente, dos de ellas: las electrocrómicas y las termocrómicas.
El electrocromismo es la propiedad que tienen ciertos dispositivos para cambiar sus propiedades ópticas reversiblemente si se les aplica una diferencia de potencial, asociada con un proceso de oxidación-reducción. Este fenómeno permite la regulación de la transmisividad, la reflectividad, la absorción y la emisividad entre dos valores extremos. El dispositivo electrocrómico básico consiste en cinco capas: vidrio recubierto con un conductor transparente, una capa catódica que usualmente es trióxido de tungsteno (WO3), una capa conductora con un electrolito, una capa anódica y otra capa de vidrio recubierto con un conductor transparente. La figura 2 representa un dispositivo electrocrómico básico. (4, 6)confort-term-02Figura 2. Representación esquemática de un dispositivo electrocrómico que muestra el desplazamiento de electrones debido a la aplicación de un campo eléctrico externo. (6)

Las láminas electrocrómicas mostradas en la figura 2, alteran sus propiedades ópticas cambiando de su forma oxidada a su forma reducida. Los materiales electrocrómicos más importantes son los óxidos metálicos, entre los cuales el más usado es el WO3. El electrocromismo del tungsteno es un fenómeno complejo que no está bien entendido aun por la comunidad científica, sin embargo puede representarse mediante la reacción simple numero 1

donde M+ puede ser H+, Li+, Na+ o K+ y 0 < x < 1. Otros óxidos metálicos tales como el de níquel, iridio y niobio son utilizados para este efecto. Además de las películas inorgánicas mencionadas, también se utilizan películas poliméricas orgánicas tales como polianilina (4, 6)
En el campo de las ventanas con dispositivos electrocrómicos se han hecho muchas investigaciones, variando algunos de los materiales utilizados, con el fin de mejorar sus propiedades. Un ejemplo de esto es la introducción de polímeros electrolíticos funcionalizados mediante la adición de más o menos un 1% de nano partículas de SiO2 o de In2O3:Sn. Las nanopartículas de SiO2 mejoran la dinámica de coloración/decoloración y las de In2O3:Sn inactivaron la transmitancia en el infrarrojo cercano. Estos dos efectos son de suma importancia en las ventanas inteligentes. Otro estudio se llevó a cabo sustituyendo la capa de WO3 por una pila de capas de WO3 densa y porosa. Esto mejoró la transmisión de la luz visible, lo cual es de suma importancia en las ventanas inteligentes porque es deseable mantener la visibilidad hacia los exteriores de las construcciones. (1, 7)
Vale la pena mencionar que muchos investigadores han querido ir más allá, tratando de eliminar el cableado externo de las ventanas electrocrómicas y han desarrollado dispositivos electrocrómicos con celdas fotovoltaicas integradas, de manera que estas últimas son las aportan la diferencia de potencial requerida para cambiar las propiedades ópticas de la ventana. Esta opción ha sido muy viable porque ambas tecnologías tienen características operacionales que son compatibles. (4, 8)
El termocromismo, de manera análoga al electrocromismo, es la capacidad de una sustancia de cambiar de color debido a los cambios de temperatura. En este sentido el dióxido de vanadio (VO2) ha sido de gran interés ya que sufre una transición metal-aislante (MIT por sus siglas en inglés) a una temperatura crítica Tc (68 °C más o menos para la nanocerámica de VO2). Las estructuras cristalinas del VO2 se muestran en la figura 3. (2, 9)

confort-term-03Figura 3. Estructuras cristalinas del VO2 monoclínico (M) (a) y VO2 rutílico (R) (b). Las esferas grises y rojas en las celdas denotan átomos de V y O, respectivamente. (2)

Debido a la MIT, el VO2 puede cambiar entre una fase monoclínica y una tetragonal, acompañado por un cambio drástico en sus propiedades ópticas. El VO2 es transparente a la luz del infrarrojo cercano a temperaturas menores a Tc, pero translucido a esta luz a temperaturas que superan Tc. Este fenómeno de transición ocurre sumamente rápido (en el orden de 10-12 s), lo que lo hace muy conveniente para este tipo de aplicaciones. (2, 9)
De manera similar a lo sucedido con el electrocromismo, en el campo del termocromismo se han dado investigaciones variando algunos parámetros con el fin de mejorar la técnica. Un ejemplo de estos estudios lo constituyen las láminas delgadas de VO2 dopadas con flúor, lo que llevó a un incremento de la transmitancia del espectro visible al mismo tiempo que las propiedades termocrómicas de las láminas permanecieron igual. (10)
Como se ha visto, el campo de las ventanas inteligentes representa un interesante y prometedor campo de investigación, cuyas aplicaciones están completamente direccionadas hacia el ahorro de energía en el planeta. Se han realizado estudios en los cuales se comparan la eficiencia energética de un edificio con y sin ventanas inteligentes. Los resultados arrojados son esperanzadores ya que en una construcción con este tipo de ventanas, en contraste con una que posea ventanas normales, se dan ahorros energéticos iguales o mayores al 45%. El hecho de que las ventanas con esta tecnología no sean muy accesibles en el mercado se debe a que los procesos de fabricación de dispositivos electrocrómicos y termocrómicos son muy costosos, sin embargo, las mayoría de investigaciones en este campo van dirigidas a abaratar los costos de producción. (2, 11)

 

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* Estudiante de la Carrera de Química Industrial
Curso de Nanotecnología
Carrera de Química Industrial
Universidad Nacional


Referencias

1. Baloukas, B; Lamarre, J. M; Martinu, L. Electrochromic interference filters fabricated from dense and porous tungsten oxide films. Solar Energy Materials and Solar Cells [Online] 2011. 95. 807.
2. Gao, Y; Luo, H; Zhang, Z; Kang, L; Chen, Z; Du, J; Kanehira, M; Cao, C. Nanoceramic VO2 thermochromic smart glass: A review on progress in solution processing. SciVerse ScienceDirect [Online] 2012. 1. 222.
3. Kim, S; Kong, X; Taya, M. Electrochromic windows based on anodic electrochromic polymesitylenes containing 9H-carbazole-9-ethanol moieties. Solar Energy Materials and Solar Cells [Online] 2013. 117. 353-354.
4. Baetens, R; Jelle, B. P; Gustavsen, A. Properties, requirements and possibilities of smart windows for dynamic daylight and solar energy control in buildings: A state-of-the-art review. Solar Energy Materials and Solar Cells [Online] 2010. 94. 88-89, 92.
5. Chow, T; Li, C; Lin, Z. Innovative solar windows for cooling-demand climate. Solar Energy Materials and Solar Cells [Online] 2010. 94. 215.

6. Tavares, P.F., et al., Evaluation of electrochromic windows impact in the energy performance of buildings in Mediterranean climates. Energy Policy (2013), http://dx.doi.org/10.1016/j.enpol.2013.07.038i

7. İlknurB. Pehlivan, et al., Electrochromic devices with polymer electrolytes functionalized by SiO2 and..., Solar Energy Materials and Solar Cells (2013), http://dx.doi.org/10.1016/j.solmat.2013.06.010i

8. Huang, L; Hu, C; Liu, H; Hsu, C; Chen, C; Ho, K. Photovoltaic electrochromic device for solar cell module and self-powered smart glass applications. Solar Energy Materials and Solar Cells [Online] 2012. 99. 154.

9. Chen, X; Lv, Q; Yi, X. Smart window coating based on nanostructured VO2 thin film. Optik [Online] 2012. 123. 1187.

10. Kiri, P; Warwick, M; Ridley, I; Binions, R. Fluorine doped vanadium dioxide thin films for smart windows. Thin Solid Films [Online] 2011. 520. 1363.

11. Sbar, N. L; Podbelski, L; Yang, H. M; Pease, B. Electrochromic dynamic windows for office buildings. International Journal of Sustainable Built Enviroment [Online] 2012. 1. 125.

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