Elke winter lekt er in de Verenigde Staten voor ongeveer $ 20 miljard aan energie uit ramen - en dat is met isolerende ramen met dubbele beglazing die op de meeste gebouwen zijn geïnstalleerd. Het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy werkt nu samen met fabrikanten om een ​​"supervenster" op de markt te brengen dat minstens twee keer zo isolerend is als 99 procent van de ramen die vandaag te koop zijn en klaar zal zijn om massa- marktstatus.

Het "dunne drievoudige" superraamontwerp verdubbelt de thermische prestaties van de huidige Energy Star-geclassificeerde ramen met dubbele beglazing en is zeven keer beter isolerend dan een raam met enkel glas. Wetenschappers van Berkeley Lab hebben prototypes gebouwd en getest in het laboratorium en werken nu samen met Andersen Corporation, de grootste raam- en deurfabrikant van het land, en afzonderlijk met Alpen High Performance Products, gespecialiseerd in energiezuinige deuren en ramen. Beide inspanningen zijn gericht op het bouwen en testen van verbeterde prototypes die geschikt zijn voor grootschalige productie.

"Onze benadering is om het probleem van twee kanten aan te pakken:om zowel 'market pull' als 'technology push'-krachten te ontwikkelen, " zei Berkeley Lab-onderzoeker Steve Selkowitz, een van de uitvinders van het superraamconcept. "We werken samen met fabrikanten om hen te helpen met hun technologische uitdagingen, terwijl we ook werken met Energy Star, bedrijven in de toeleveringsketen, en nutsvoorzieningen, die kortingen en stimulansen voor consumentenaankopen kunnen bieden. Onze rol is om een ​​katalysator te zijn bij het faciliteren van technologische innovatie en een evangelist bij het promoten van DOE's energie-efficiëntiemissie."

Berkeley Lab heeft een lange geschiedenis van innovatie in groene bouwtechnologieën; bijvoorbeeld, het heeft onlangs het gebruik van gecontroleerde verlichting en zonwering gedemonstreerd om energie te besparen en werkt eraan om energieneutrale woningen te realiseren. Het werk aan high-performance ramen dateert uit de late jaren 1970, toen de oliecrisis nieuwe manieren om energie te besparen katalyseerde. Onderzoekers van Berkeley Lab leverden destijds de technische ondersteuning voor een gloednieuw product - een laag-emissiviteit (of low-e) raamcoating die helpt om langegolf-infraroodstralen te blokkeren - om de status van de massamarkt te bereiken. Low-e coatings hebben het land miljarden dollars aan energiekosten bespaard.

Selkowitz gelooft dat het nieuwe dunne drievoudige supervenster nog meer kan besparen. De huidige ramen met dubbele beglazing bestaan ​​uit twee glaslagen met een low-e coating en argongas in de spleet tussen de glaslagen om de warmteoverdracht verder te verminderen. De innovatie van het superraam van Berkeley Lab is drieledig:het voegt een derde laag zeer dun glas in tussen de twee lagen van een raam met dubbele beglazing, voegt een tweede low-e coating toe, en vervangt het argongas door kryptongas, dat is veel beter isolerend dan argon in de zeer nauwe ruimte tussen de ruiten.

Hoewel er andere ramen met driedubbele beglazing op de markt zijn, het voordeel hiervan is dat het dezelfde breedte en vrijwel hetzelfde gewicht heeft als bestaande ramen met dubbele beglazing. Dit voorkomt dat de raamvleugel en het kozijn opnieuw moeten worden ontworpen, die een aanzienlijke kostenbelemmering voor marktpenetratie zouden vormen.

Visionair doel:beter dan muren

Energieverbruik in verband met alle aspecten van raamprestaties, inclusief verwarming en koeling, kost eigenaren van gebouwen in de VS ongeveer $ 50 miljard per jaar. De grootste bijdrage aan het energieverbruik van gebouwen is warmteverlies in koudere klimaten. In warmere klimaten, ongecontroleerd zonlicht dat door ramen wordt doorgelaten, draagt ​​​​bij aan de kosten van airconditioning.

Voor jaren, de ultieme droom voor onderzoekers van Berkeley Lab was om het punt te bereiken waarop ramen in de winter beter zouden presteren dan geïsoleerde muren. Met hun dunne driedubbele supervenster, ze geloven dat dat doel nu binnen bereik kan zijn. "Een enkele laag glas heeft een R-waarde, dat is de weerstand tegen warmtegeleiding, van R1; dubbele beglazing is R2, en de lage-e dubbel is R4, " zei onderzoeker Charlie Curcija. "Onze dunne driedubbele beglazing is R8 tot R10, of ongeveer twee keer zo goed als de beste low-e dubbele beglazing van vandaag."

Het superraam is namelijk meer dan 20 jaar geleden uitgevonden en gepatenteerd door Berkeley Lab. Maar destijds, er waren geen levensvatbare bronnen van grote platen van zeer dun glas, en de kosten van de materialen maakten het onbetaalbaar.

"Het dunne glas is 0,7 mm dik, Curcija zei. "Twintig jaar geleden konden we geen bedrijven vinden die dunne glasplaten in volume konden maken. Nu heeft de flatscreen-tv-industrie de glasindustrie ertoe aangezet om precies het glas te maken dat we nodig hebben voor ramen, en tegen een prijs die de raammarkt zich kan veroorloven."

Katherine Graham, Andersen's Glass Competency Team Leader, zei:"Andersen Corporation werkte in de jaren tachtig samen met Berkeley Lab om low-e-technologie te bevorderen, en ons team is enthousiast over de mogelijkheid om opnieuw samen te werken met Berkeley Lab om te onderzoeken of dit prototype van een superraam een ​​marktconform product kan worden dat we aan onze klanten kunnen aanbieden."

Berkeley Lab's geschiedenis van raaminnovatie

Terwijl de belangrijkste focus van het superraam is om te besparen op de verwarmingskosten in de winter, de low-e-coating kan worden afgesteld om hem nuttiger te maken voor zomerkoelingsdoeleinden. "Voor noordelijke klimaten wil je dat de coating zo transparant mogelijk is, " zei onderzoeker Robert Hart. "Voor hetzelfde raam in Phoenix, u een spectraal selectieve coating wilt die de warmte van het zonlicht buiten houdt, maar dat je er nog steeds doorheen kunt kijken. Berkeley Lab beheert een wereldwijde database van 5, 000 beglazingen en coatings die momenteel op de markt zijn; een van onze taken voor DOE is om in elk klimaat de optimale selectie voor een superraam te bedenken."

Het supervenster is anders dan "slimme vensters, " zoals elektrochrome ramen, die automatisch kleuren als reactie op zonlicht om oververhitting van het interieur van gebouwen te voorkomen en zo de koelkosten te verlagen. Berkeley Lab heeft ook vooruitgang geboekt met deze technologie, inclusief een nanokristalmateriaal dat de intensiteit van zonlicht dynamisch kan beheren als het door een raam gaat, een innovatie die nu wordt ontwikkeld door een startup, Heliotroop.

Nog altijd, elektrochrome vensters, tegen ongeveer vijf tot acht keer de kosten van het supervenster, worden beschouwd als een high-end specialiteitsartikel en beginnen net markten te betreden. De low-e-coating, anderzijds, zit nu in bijna 90 procent van alle verkochte ramen.

De uitdaging om daar te komen, Hart zei, was niet alleen de wetenschappelijke innovatie in coatingontwerp, maar ook het overwinnen van marktbarrières. Om de zaak te maken, Berkeley Lab-onderzoekers creëerden laboratorium- en veldtestfaciliteiten om de energie-efficiëntie van ramen te meten, en leverde ook ontwerp- en validatiesoftwaretools die worden gebruikt door de industrie en een non-profitorganisatie, de National Fenestration Rating Council, ramen te beoordelen. Low-e-coatings hebben het land $ 150 miljard bespaard aan energiekosten in huizen, vergeleken met een basiskast met conventionele dubbele beglazing.

Nu hopen Berkeley Lab-onderzoekers die impact te repliceren of zelfs te overtreffen. "We hebben geholpen bij het creëren van een markt van miljarden dollars per jaar in hoogwaardige ramen met enorme energiebesparingen, "Zei Selkowitz. "Nu hopen we nog een sprong te maken in de efficiëntie van ramen en ons succes uit het verleden voort te zetten."