Aux États-Unis, des fuites d'énergie d'une valeur d'environ 20 milliards de dollars s'élèvent chaque hiver, et ce, grâce aux fenêtres isolantes à double vitrage installées sur la majorité des bâtiments. Le laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie (Berkeley Lab) travaille maintenant avec les fabricants pour mettre sur le marché une "super fenêtre" qui est au moins deux fois plus isolante que 99% des fenêtres en vente aujourd'hui et qui sera prête à atteindre la masse statut du marché.

La conception de la super fenêtre « triple mince » double les performances thermiques des fenêtres à double vitrage actuelles homologuées Energy Star et est sept fois plus isolante qu'une fenêtre à simple vitrage. Les scientifiques de Berkeley Lab ont construit et testé des prototypes en laboratoire et travaillent maintenant avec Andersen Corporation, le plus grand fabricant de portes et fenêtres du pays, et séparément avec les produits haute performance Alpen, spécialisée dans les portes et fenêtres écoénergétiques. Les deux efforts visent à construire et à tester des prototypes améliorés adaptés à une fabrication à grande échelle.

« Notre approche consiste à attaquer le problème de deux côtés :pour développer à la fois les forces « d'attraction du marché » et de « poussée technologique », " a déclaré Steve Selkowitz, chercheur au Berkeley Lab, l'un des inventeurs du concept de super fenêtre. « Nous travaillons avec les fabricants pour les aider à relever leurs défis technologiques tout en travaillant également avec Energy Star, les entreprises de la chaîne d'approvisionnement, et les services publics, qui peut offrir des rabais et des incitations à l'achat des consommateurs. Notre rôle est d'être un catalyseur pour faciliter l'innovation technologique et un évangéliste dans la promotion de la mission d'efficacité énergétique du DOE. »

Berkeley Lab a une longue histoire d'innovation dans les technologies de construction écologique; par exemple, il a récemment démontré l'utilisation d'un éclairage et d'un ombrage contrôlés pour économiser l'énergie et s'efforce de faire des maisons à consommation énergétique nette zéro une réalité. Ses travaux sur les fenêtres hautes performances remontent à la fin des années 1970, lorsque la crise pétrolière a catalysé de nouvelles façons d'économiser l'énergie. Les chercheurs de Berkeley Lab à l'époque ont fourni le support technique pour un tout nouveau produit - un revêtement de fenêtre à faible émissivité (ou faible émissivité) qui aide à bloquer les rayons infrarouges à ondes longues - pour atteindre le statut de marché de masse. Les revêtements à faible émissivité ont permis au pays d'économiser des milliards de dollars en coûts énergétiques.

Selkowitz pense que la nouvelle fenêtre triple super mince pourrait économiser encore plus. Les fenêtres à double vitrage actuelles se composent de deux couches de verre avec un revêtement à faible émissivité et du gaz argon dans l'espace entre les couches de verre pour réduire davantage le transfert de chaleur. L'innovation de la super fenêtre Berkeley Lab est triple :Elle insère une troisième couche de verre très fin prise en sandwich entre les deux couches d'une fenêtre à double vitrage, ajoute un deuxième revêtement low-e, et remplace le gaz argon par du gaz krypton, ce qui est beaucoup plus isolant que l'argon dans l'espace très étroit entre les vitres.

Bien qu'il existe d'autres fenêtres à triple vitrage sur le marché, la vertu de celle-ci est qu'elle a la même largeur et pratiquement le même poids que les fenêtres à double vitrage existantes. Cela évite d'avoir à redessiner le châssis et le cadre de la fenêtre, ce qui constituerait un obstacle financier important à la pénétration du marché.

Objectif visionnaire :mieux que des murs

Consommation d'énergie associée à tous les aspects de la performance des fenêtres, y compris le chauffage et le refroidissement, coûte aux propriétaires de bâtiments américains environ 50 milliards de dollars par an. Le principal contributeur à la consommation d'énergie des bâtiments est la perte de chaleur dans les climats plus froids. Dans les climats plus chauds, la lumière du soleil incontrôlée transmise par les fenêtres augmente les coûts de climatisation.

Pendant des années, le rêve ultime des chercheurs du Berkeley Lab était d'arriver au point où les fenêtres pourraient surpasser les murs isolés en hiver. Avec leur triple super fenêtre mince, ils croient que cet objectif est peut-être maintenant à portée de main. "Une seule couche de verre a une valeur R, qui est sa résistance à la conduction thermique, de R1; le double vitrage est R2, et le low-e double est R4, " a déclaré le chercheur Charlie Curcija. " Notre triple vitrage mince est de R8 à R10, ou environ deux fois mieux que le meilleur double vitrage à faible émissivité aujourd'hui."

La super fenêtre a en fait été inventée et brevetée par Berkeley Lab il y a plus de 20 ans. Mais à l'époque, il n'y avait pas de sources viables de grandes feuilles de verre très mince, et le coût des matériaux le rendait prohibitif.

"Le verre fin fait 0,7 mm d'épaisseur, " a déclaré Curcija. " Il y a vingt ans, nous ne pouvions trouver aucune entreprise capable de fabriquer des feuilles de verre minces en volume. Maintenant, l'industrie de la télévision à écran plat a poussé l'industrie du verre à créer précisément le verre dont nous avons besoin pour les fenêtres, et à un prix que le marché des fenêtres peut se permettre."

Catherine Graham, Chef d'équipe de compétence en verre d'Andersen, a déclaré :« Andersen Corporation a collaboré avec Berkeley Lab dans les années 1980 pour faire progresser la technologie à faible émissivité, et notre équipe est ravie de l'opportunité de collaborer à nouveau avec Berkeley Lab pour explorer si ce prototype de super fenêtre peut devenir un produit viable sur le marché que nous pouvons offrir à notre clientèle."

L'histoire de l'innovation des fenêtres de Berkeley Lab

Alors que l'objectif principal de la super fenêtre est d'économiser sur les coûts de chauffage en hiver, le revêtement à faible émissivité peut être ajusté pour le rendre plus utile à des fins de refroidissement en été. "Pour les climats nordiques, vous voulez que le revêtement soit le plus transparent possible, " a déclaré le chercheur Robert Hart. " Pour la même fenêtre à Phoenix, vous voulez un revêtement spectralement sélectif qui protège de la chaleur du soleil, mais que vous êtes toujours capable de voir à travers. Berkeley Lab gère une base de données mondiale de 5, 000 vitrages et revêtements sur le marché aujourd'hui; l'une de nos tâches pour le DOE est de proposer la sélection optimale pour une super fenêtre dans chaque climat."

La super fenêtre est différente des "fenêtres intelligentes, " comme les vitres électrochromes, qui se teintent automatiquement en réponse à la lumière du soleil afin d'éviter la surchauffe de l'intérieur des bâtiments et ainsi réduire les coûts de refroidissement. Berkeley Lab a également fait des avancées sur cette technologie, comprenant un matériau nanocristallin qui peut gérer dynamiquement l'intensité de la lumière solaire lorsqu'elle passe à travers une fenêtre, une innovation en cours de développement par une startup, Héliotrope.

Toujours, vitres électrochromes, à environ cinq à huit fois le coût de la super fenêtre, sont considérés comme un article de spécialité haut de gamme et commencent tout juste à entrer sur les marchés. Le revêtement low-e, d'autre part, est maintenant dans près de 90 pour cent de toutes les fenêtres vendues.

Le défi d'y arriver, Hart a dit, n'était pas seulement l'innovation scientifique dans la conception des revêtements, mais aussi le dépassement des barrières du marché. Pour faire le cas, Les chercheurs du Berkeley Lab ont créé des installations d'essais en laboratoire et sur le terrain pour mesurer l'efficacité énergétique des fenêtres, et a également fourni des outils logiciels de conception et de validation utilisés par l'industrie et une organisation à but non lucratif, le National Fenestration Rating Council, pour évaluer les fenêtres. Les revêtements à faible émissivité ont permis au pays d'économiser 150 milliards de dollars en coûts énergétiques dans les maisons, par rapport à un cas de base avec double vitrage conventionnel.

Désormais, les chercheurs du Berkeley Lab espèrent reproduire ou même dépasser cet impact. « Nous avons contribué à créer un marché de plusieurs milliards de dollars par an dans les fenêtres hautes performances avec d'énormes économies d'énergie, " a déclaré Selkowitz. " Maintenant, nous espérons faire un autre bond en avant dans l'efficacité des fenêtres et étendre nos succès passés. "