Electrochromic devices and dynamic envelope : optimal activation pattern for user's comfort and energy use

Abstract All the components of the envelope should contribute to the achievement of the objectives of sustainability and energy efficiency; therefore, it is necessary to figure out the materials and the integrated systems that allow to improve these performances. Glass is one of the most used material in façade, but it is a product that, except for transparency, do not have remarkable physical and energetic performances and, actually, its utilization results particularly problematic. An answer to the needs of energy savings are the innovative glasses: these glasses are able to stop and modulate a variable percentage of the solar radiation and of its transmission. Surely, the most successful glasses are the dynamic ones, since they are able to modify reversibly their optical characteristics and, for this reason, they are also defined smart glasses. A very promising smart glass is a glass that changes colour and properties on demand or in function of the boundary conditions: the electrochromic glass. The purpose and the aim of this report is to test the performance of an electrochromic glass and how their presence can affect the energy demand of an entire building. After a framework of chemical principles on which these materials are based and an evaluation of the trials involving the characterization, performance and durability of electrochromic devices, the paper analyses the products on the market to understand their degree of development. Then, a base building is analysed in different locations all over the world, with the aim to test which are the countries in which this technology is most promising. The next step is the choice of a case study: an office building, located in Milan, with a curtain wall façade, whose performance is tested with the changing of the electrochromic device’s properties. These simulations show a significant improvement in natural lighting indoors and energy saving, and even in satisfaction of the users.

Tutti i componenti dell’involucro edilizio dovrebbero contribuire al raggiungimento di obiettivi quali la sostenibilità e l’efficienza energetica: per questa ragione, è necessario individuare i materiali e i sistemi integrati che permettono di migliorare le prestazioni dell’edificio. Il vetro è uno dei materiali più utilizzati in facciata: ma si tratta di un prodotto che, ad eccezione per la trasparenza, non ha rilevanti proprietà fisiche o energetiche e, in realtà, il suo utilizzo può essere particolarmente problematico. Una risposta ai bisogni di risparmio energetico sono i vetri innovativi: questi tipi di vetro sono in grado di fermare e modulare una percentuale variabile della radiazione solare e della sua trasmissione. Sicuramente, i più performanti sono quelli dinamici, dal momento che sono in grado di modificare reversibilmente le loro caratteristiche ottiche, e per questa ragione sono definiti vetri intelligenti. Un vetro intelligente molto promettente è quello elettrocromico, in grado di cambiare colore e proprietà su richiesta o in base alle condizioni al contorno. L’obiettivo e lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di valutare le performance di un vetro elettrocromico e come la sua presenza possa influenzare il fabbisogno energetico dell’intero edificio. Dopo un inquadramento del principio chimico che sta alla base di questi materiali e una valutazione delle caratteristiche, delle performance e della durabilità dei dispositivi elettrocromici, il report analizza i prodotti sul mercato per capire il grado di sviluppo raggiunto. In seguito, viene analizzato un edificio base posizionato in diverse location nel mondo, con lo scopo di valutare quali sono i paesi in cui questa tecnologia è più promettente. La fase successiva consiste in un caso di studio: un edificio situato a Milano, interamente con facciata continua, le cui performance sono valutate cambiando le proprietà dei diversi dispositivi elettrocromici. Queste simulazioni dimostrano un significativo miglioramento nell’illuminazione naturale dell’ambiente e nell’efficienza energetica, oltre che nella soddisfazione degli utenti.