Water-based windows for hot climates: optical and thermal assessment

Abstract

As janelas com água (do inglês \"water-based windows\", WBWs) são uma tecnologia inovadora que incorpora camadas de líquidos entre as folhas de vidro para melhorar o desempenho das janelas e promover edifícios de baixo consumo energético. Esta solução é possibilitada pelas propriedades espectrosselectivas da água, que é transparente no espetro visível, mas altamente opaca no infravermelho próximo (NIR), e também devido à elevada massa térmica da água. Este estudo teve como objetivo investigar os processos óticos e térmicos envolvidos nas WBWs e avaliar o seu potencial para reduzir a demanda de ar condicionado, com especial atenção para as WBWs sem troca de fluidos. Esta tese está dividida em três partes: 1) Uma revisão sistemática de janelas com água; 2) O desenvolvimento de um modelo numérico para avaliar o comportamento ótico das WBW e realizar uma avaliação de desempenho paramétrico, em conjunto com medições espectrofotométricas em laboratório e 3) A análise térmica de uma WBW de vidro triplo com experimentos de campo iniciais e uma abordagem de co-simulação combinando um Método de Diferenças Finitas (FDM) e EnergyPlus para avaliar o desempenho térmico de WBWs durante todo o ano em uma sala de escritório simulada em Florianópolis-SC, Brasil. Os resultados óticos mostram que as WBWs podem transmitir mais luz do que a mesma janela sem água, enquanto reduzem o ganho solar da janela. Além disso, os resultados de simulação térmica para um WBW de vidro triplo com uma lâmina de água de 9 mm geraram uma redução de até 23% na carga térmica do ar-condicionado para a sala simulada.

Abstract: Water-Based Windows (WBWs) is an innovative technology that incorporates layers of liquids between glazing panes to improve the thermal and optical performance of windows and promote low-energy buildings. This solution is enabled by the spectroselective properties of water, which is transparent in the visible spectrum but highly opaque in the near-infrared (NIR), so as to water's high thermal mass. This study investigates the optical and thermal processes involved in WBWs and evaluate their potential for reducing air conditioning demand with special attention to WBWs without fluid exchange. This thesis is divided in three main parts: 1) A comprehensive review of water-based windows; 2) The development of a numerical model for evaluating the optical behavior of WBW prototypes and conducting a parametric performance assessment, in conjunction with laboratory spectrophotometric measurements and 3) The thermal analysis of a triple-glazed WBW with initial field experiments and a co-simulation approach combining a Finite Difference Method (FDM) and EnergyPlus to evaluate the full year thermal performance of WBWs in an office room simulated in Florianópolis-SC, Brazil. The results show that WBWs can transmit more light than the same glazing without water while reducing the solar gain of the window. In addition, the results for a triple-glazed WBW with a 9 mm water layer caused a reduction of up to 23% in the air conditioning thermal load for the simulated room.