Un avance que regula la temperatura del hogar sin consumir gas natural ni electricidad
Los científicos han desarrollado un revestimiento de techo inteligente para todas las estaciones que mantiene las casas calientes durante el invierno y las enfría durante el verano sin consumir gas natural ni electricidad. Los resultados de la investigación, publicados en la revista Science, apuntan a una tecnología innovadora que supera a los sistemas comerciales de techos fríos en cuanto a ahorro de energía.
"Nuestro revestimiento de tejado para todas las estaciones pasa automáticamente de mantener el frío a calentar, en función de la temperatura del aire exterior. Se trata de un sistema de aire acondicionado y calefacción sin energía ni emisiones, todo en un solo dispositivo", afirma Junqiao Wu, científico de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley y profesor de Ciencia e Ingeniería de los Materiales de la Universidad de Berkeley que dirigió el estudio.
Los sistemas actuales de techos fríos, como los revestimientos reflectantes, las membranas, las tejas o las baldosas, tienen superficies de color claro o más oscuro que enfrían las casas al reflejar la luz solar. Estos sistemas también emiten parte del calor solar absorbido en forma de radiación térmica infrarroja; en este proceso natural conocido como enfriamiento radiativo, la luz térmica infrarroja se irradia fuera de la superficie.
El problema de muchos de los sistemas de techos fríos que se comercializan actualmente es que siguen irradiando calor en invierno, lo que aumenta los costes de calefacción, explica Wu.
"Nuestro nuevo material -llamado revestimiento radiativo adaptable a la temperatura o TARC- permite ahorrar energía al desactivar automáticamente la refrigeración radiativa en invierno, superando el problema del sobreenfriamiento", dijo.
Un techo para todas las estaciones
Los metales suelen ser buenos conductores de la electricidad y el calor. En 2017, Wu y su equipo de investigación descubrieron que los electrones del dióxido de vanadio se comportan como un metal ante la electricidad pero como un aislante ante el calor, es decir, conducen bien la electricidad sin conducir mucho calor. "Este comportamiento contrasta con la mayoría de los demás metales, en los que los electrones conducen el calor y la electricidad de forma proporcional", explicó Wu.
El dióxido de vanadio por debajo de unos 67 grados Celsius (153 grados Fahrenheit) también es transparente a la luz infrarroja térmica (y por tanto no la absorbe). Pero una vez que el dióxido de vanadio alcanza los 67 grados centígrados, pasa a un estado metálico y absorbe la luz infrarroja térmica. Esta capacidad de pasar de una fase a otra -en este caso, de aislante a metal- es característica de lo que se conoce como material de cambio de fase.
Para ver cómo funcionaría el dióxido de vanadio en un sistema de techo, Wu y su equipo diseñaron un dispositivo de película fina TARC de 2 por 2 centímetros. El TARC "se parece a la cinta adhesiva y puede fijarse a una superficie sólida como un tejado", explica Wu.
En un experimento clave, el coautor principal, Kechao Tang, montó un experimento en el tejado de la casa de Wu en East Bay el verano pasado para demostrar la viabilidad de la tecnología en un entorno real.
Un dispositivo de medición inalámbrico instalado en el balcón de Wu registró continuamente las respuestas a los cambios de la luz solar directa y la temperatura exterior de una muestra de TARC, una muestra de tejado oscuro comercial y una muestra de tejado blanco comercial durante varios días.
Cómo supera el TARC el ahorro de energía
A continuación, los investigadores utilizaron los datos del experimento para simular el rendimiento del TARC durante todo el año en ciudades que representaban 15 zonas climáticas diferentes en todo el territorio continental de Estados Unidos.
Wu recurrió a Ronnen Levinson, coautor del estudio, científico del Grupo de Islas de Calor del Área de Tecnologías Energéticas del Laboratorio de Berkeley, para que les ayudara a perfeccionar su modelo de temperatura de la superficie del tejado. Levinson desarrolló un método para estimar el ahorro energético del TARC a partir de un conjunto de más de 100.000 simulaciones energéticas de edificios que el Grupo de la Isla de Calor realizó previamente para evaluar los beneficios de los tejados y paredes fríos en todo Estados Unidos.
Finnegan Reichertz, un estudiante de 12º curso de la East Bay Innovation Academy de Oakland que trabajó a distancia como becario de verano para Wu el año pasado, ayudó a simular el rendimiento del TARC y de los demás materiales para tejados en momentos y días concretos del año para cada una de las 15 ciudades o zonas climáticas que los investigadores estudiaron para el trabajo.
Los investigadores descubrieron que el TARC supera a los revestimientos de tejado existentes en cuanto a ahorro de energía en 12 de las 15 zonas climáticas, especialmente en regiones con grandes variaciones de temperatura entre el día y la noche, como la zona de la bahía de San Francisco, o entre el invierno y el verano, como la ciudad de Nueva York.
"Con el TARC instalado, el hogar medio de EE.UU. podría ahorrar hasta un 10% de electricidad", dijo Tang, que era investigador postdoctoral en el laboratorio de Wu en el momento del estudio. Ahora es profesor adjunto en la Universidad de Pekín (China).
Los tejados fríos estándar tienen una alta reflectancia solar y una alta emitancia térmica (la capacidad de liberar calor mediante la emisión de radiación térmica-infrarroja) incluso con tiempo frío.
Según las mediciones de los investigadores, el TARC refleja alrededor del 75% de la luz solar durante todo el año, pero su emitancia térmica es alta (alrededor del 90%) cuando la temperatura ambiente es cálida (más de 25 grados Celsius o 77 grados Fahrenheit), lo que favorece la pérdida de calor hacia el cielo. Cuando el tiempo es más frío, la emitancia térmica del TARC pasa automáticamente a ser baja, lo que ayuda a retener el calor de la absorción solar y la calefacción interior, explica Levinson.
Los resultados de los experimentos de espectroscopia infrarroja realizados con herramientas avanzadas en la Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley validaron las simulaciones.
"La física simple predijo que el TARC funcionaría, pero nos sorprendió que funcionara tan bien", dijo Wu. "Al principio pensamos que el cambio de calentamiento a enfriamiento no sería tan drástico. Nuestras simulaciones, experimentos al aire libre y en el laboratorio demostraron lo contrario: es realmente emocionante".
Los investigadores tienen previsto desarrollar prototipos de TARC a mayor escala para seguir probando su rendimiento como revestimiento práctico de tejados. Wu afirma que el TARC también puede tener potencial como revestimiento protector térmico para prolongar la vida de las baterías de los teléfonos inteligentes y los ordenadores portátiles, y proteger a los satélites y los coches de temperaturas extremadamente altas o bajas. También podría utilizarse para fabricar tejidos reguladores de la temperatura para tiendas de campaña, cubiertas de invernaderos e incluso sombreros y chaquetas.
Los coautores del estudio son Kaichen Dong y Jiachen Li.
La Molecular Foundry es una instalación de usuarios de nanociencia del Laboratorio de Berkeley.
Este trabajo fue apoyado principalmente por la Oficina de Ciencia del DOE y una beca Bakar.
La tecnología está disponible para la concesión de licencias y la colaboración. Si está interesado, póngase en contacto con la Oficina de Propiedad Intelectual de Berkeley Lab, ipo@lbl.gov.
More information:
https://newscenter.lbl.gov/2021/12/16/roof-year-round-energy-savings/ [This is automatically translated from English]