Energi för cirka 20 miljarder dollar läcker ut ur fönstren i USA varje vinter – och det är med dubbelglasade isolerande fönster installerade på de flesta byggnader. Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) arbetar nu med tillverkare för att lansera ett "superfönster" som är minst dubbelt så isolerande som 99 procent av fönstren till salu idag och som kommer att vara redo att uppnå mass- marknadsstatus.

Den "tunna trippel" superfönsterdesignen fördubblar den termiska prestandan hos nuvarande Energy Star-klassade dubbelglasfönster och är sju gånger mer isolerande än ett enkelglasfönster. Berkeley Lab-forskare har byggt och testat prototyper i labbet och arbetar nu med Andersen Corporation, den största fönster- och dörrtillverkaren i landet, och separat med Alpen High Performance Products, som är specialiserade på energieffektiva dörrar och fönster. Båda försöken försöker bygga och testa förbättrade prototyper som är lämpliga för storskalig tillverkning.

"Vårt tillvägagångssätt är att angripa problemet från två sidor:att utveckla både "marknadskrafter" och "teknikpådrivande krafter", " sa Berkeley Lab-forskaren Steve Selkowitz, en av uppfinnarna av superfönsterkonceptet. "Vi arbetar med tillverkare för att hjälpa dem med deras tekniska utmaningar samtidigt som vi arbetar med Energy Star, leveranskedjan företag, och verktyg, som kan erbjuda rabatter och incitament för konsumentköp. Vår roll är att vara en katalysator för att underlätta teknisk innovation och en evangelist för att främja DOE:s energieffektivitetsuppdrag."

Berkeley Lab har en lång historia av innovation inom grön byggnadsteknik; till exempel, den demonstrerade nyligen användningen av kontrollerad belysning och skuggning för att spara energi och arbetar för att förverkliga hus med nollenergi. Dess arbete med högpresterande fönster går tillbaka till slutet av 1970-talet när oljekrisen katalyserade nya sätt att spara energi. Berkeley Labs forskare vid den tiden gav tekniskt stöd för en helt ny produkt - en fönsterbeläggning med låg emissivitet (eller låg e) som hjälper till att blockera långvågiga infraröda strålar - för att nå massmarknadsstatus. Låg-e beläggningar har fortsatt att spara landet miljarder dollar i energikostnader.

Selkowitz tror att det nya tunna trippel superfönstret kan spara ännu mer. Nuvarande tvåglasfönster består av två lager glas med låg e-beläggning och argongas i springan mellan glasskikten för att ytterligare minska värmeöverföringen. Innovationen med Berkeley Lab superfönster är trefaldig:Det infogar ett tredje lager av mycket tunt glas inklämt mellan de två lagren av ett dubbelglasfönster, lägger till en andra låg-e beläggning, och ersätter argongasen med kryptongas, som är mycket mer isolerande än argon i det mycket trånga utrymmet mellan rutorna.

Medan det finns andra treglasfönster på marknaden, fördelen med denna är att den har samma bredd och praktiskt taget samma vikt som befintliga tvåglasfönster. Detta undviker att behöva designa om fönsterbågen och karmen, vilket skulle utgöra ett betydande kostnadshinder för marknadspenetration.

Visionärt mål:bättre än väggar

Energianvändning förknippad med alla aspekter av fönsterprestanda, inklusive uppvärmning och kylning, kostar amerikanska byggnadsägare cirka 50 miljarder dollar årligen. Den enskilt största bidragsgivaren till byggnaders energianvändning är värmeförlust i kallare klimat. I varmare klimat, okontrollerat solljus som överförs genom fönstren ökar luftkonditioneringskostnaderna.

I åratal, den ultimata drömmen för Berkeley Labs forskare var att komma till den punkt där fönster kunde överträffa isolerade väggar på vintern. Med sitt tunna trippel superfönster, de tror att målet nu kan vara inom räckhåll. "Ett enda lager glas har ett R-värde, vilket är dess motstånd mot värmeledning, av Rl; dubbla glasrutor är R2, och låg-e dubbel är R4, " sa forskaren Charlie Curcija. "Vårt tunna treglasglas är R8 till R10, eller ungefär dubbelt så bra som det bästa låg-e dubbelglaset idag."

Superfönstret uppfanns och patenterades faktiskt av Berkeley Lab för mer än 20 år sedan. Men på den tiden, det fanns inga livskraftiga källor till stora skivor av mycket tunt glas, och kostnaden för materialen gjorde det oöverkomligt dyrt.

"Det tunna glaset är 0,7 mm tjockt, " sade Curcija. "För tjugo år sedan kunde vi inte hitta några företag som kunde göra tunna glasskivor i volym. Nu har platt-tv-branschen drivit glasindustrin att skapa just det glas vi behöver för fönster, och till ett pris som fönstermarknaden har råd med."

Katherine Graham, Andersens Glaskompetensteamledare, sa:"Andersen Corporation arbetade tillsammans med Berkeley Lab på 1980-talet för att utveckla låg-e-teknologi, och vårt team är glada över möjligheten att samarbeta igen med Berkeley Lab för att undersöka om denna superfönsterprototyp kan bli en marknadsmässig produkt som vi kan erbjuda vår kundbas."

Berkeley Labs historia av fönsterinnovation

Medan huvudfokus för superfönstret är att spara på vinteruppvärmningskostnaderna, låg-e-beläggningen kan ställas in för att göra den mer användbar för sommarkyla ändamål. "För nordliga klimat vill du att beläggningen ska vara så transparent som möjligt, " sa forskaren Robert Hart. "För samma fönster i Phoenix, du vill ha en spektralt selektiv beläggning som håller värmen borta från solljus, men att du fortfarande kan se igenom. Berkeley Lab hanterar en global databas med 5, 000 glasrutor och beläggningar på marknaden idag; en av våra uppgifter för DOE är att komma fram till det optimala urvalet för ett superfönster i varje klimat."

Superfönstret skiljer sig från "smarta fönster, " som elektrokroma fönster, som automatiskt nyanser som svar på solljus för att förhindra att byggnadens interiörer överhettas och därmed minska kylkostnaderna. Berkeley Lab har också gjort framsteg inom denna teknik, inklusive ett nanokristallmaterial som dynamiskt kan hantera solljusintensiteten när det passerar genom ett fönster, en innovation som nu utvecklas av en startup, Heliotrop.

Fortfarande, elektrokroma fönster, till ungefär fem till åtta gånger kostnaden för superfönstret, anses vara en exklusiv specialitet och har precis börjat komma in på marknader. Den låga beläggningen, å andra sidan, finns nu i nästan 90 procent av alla sålda fönster.

Utmaningen att ta sig dit, Hart sa, var inte bara den vetenskapliga innovationen inom beläggningsdesign utan också att övervinna marknadsbarriärer. För att göra fallet, Berkeley Lab-forskare skapade laboratorie- och fälttestanläggningar för att mäta fönsterenergieffektivitet, och tillhandahållit också design- och valideringsverktyg som används av industrin och en ideell organisation, National Fenestration Rating Council, för att betygsätta fönster. Låg-e-beläggningar har sparat landet 150 miljarder dollar i energikostnader i hemmen, jämfört med en baslåda med konventionella dubbelglas.

Nu hoppas forskare från Berkeley Lab kunna replikera eller till och med överträffa den effekten. "Vi hjälpte till att skapa en marknad för flera miljarder dollar per år för högpresterande fönster med enorma energibesparingar, ", sa Selkowitz. "Nu hoppas vi kunna ta ytterligare ett steg i fönstereffektivitet och utöka vår tidigare framgång."