Intelligente Glasbeschichtung, um Gebäude kühl zu halten
Fraunhofer-Forscher haben eine intelligente Beschichtung für Fenster entwickelt, die sich in der Sonne verdunkeln. Dabei kommen elektrochrome und thermochrome Materialien zum Einsatz, die elektrisch und thermisch reagieren. In Gebäuden mit großen Glasfassaden kann es eine Überhitzung der Räume durch Sonneneinstrahlung verhindern und so den Bedarf an energieintensiven Klimaanlagen reduzieren.
Die Bauwirtschaft ist einer der größten Emittenten von Treibhausgasen. Nach Angaben des Umweltbundesamtes entfallen etwa 30 % der CO2-Emissionen des Landes und 35 % des Energieverbrauchs auf Gebäude. Gebäude mit großen Vorhangfassaden und Dächern aus Glas sind besonders problematisch, wie beispielsweise Bürogebäude, die moderne Städte dominieren. Besonders im Sommer werden sie in der Sonne heiß. Die Verwendung von Jalousien und Rollläden zur Beschattung ist jedoch im Allgemeinen nicht erwünscht, da sie die Ästhetik des Glases beeinträchtigen und die Sicht nach außen beeinträchtigen. Stattdessen wird intern eine Klimaanlage zur Kühlung verwendet, die viel Strom benötigt und die COXNUMX-Bilanz des Gebäudes erhöht.
Eine komplexe Lösung zur Lösung dieses Problems haben das Fraunhofer Silicate Research Institute (ISC) in Wiltsburg und das Fraunhofer Institut für Organische Elektronen-, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP in Dresden entwickelt. Im Projekt Switch2Save haben Forscher die transparente Beschichtung von Fenstern und Glasfassaden mit elektrochromen und thermochromen Materialien untersucht. Diese verleihen der Außenseite des Fensters einen variablen, transparenten Dunkelton, um den Raum kühl zu halten. Das Fraunhofer-Institut arbeitet mit Universitäten und Industriepartnern in sechs EU-Ländern zusammen, um dieses EU-finanzierte Forschungsprojekt durchzuführen.
Die elektrochrome Beschichtung wird auf einen transparenten leitfähigen Film aufgetragen und kann dann "geöffnet" werden. Das Anlegen von Spannung löst die Übertragung von Ionen und Elektronen aus, wodurch die Beschichtung abgedunkelt und die Scheiben getönt werden. Andererseits spielt die thermochrome Beschichtung eine Rolle. Dr. Marco Schott, Leiter des Teams Elektrochrome Systeme am Fraunhofer ISC, erklärte, dass ab einer bestimmten Umgebungstemperatur die Wärmestrahlung der Sonne reflektiert wird.
Bei elektrochromen Elementen lassen sich mit Sensoren Faktoren wie Helligkeit und Temperatur messen und die Ergebnisse an die Steuerung senden. Dadurch wird der Film dazu gebracht, Strom- oder Spannungsimpulse zu senden, und das Triggerfenster wird dunkel. Wenn die Temperatur oder Helligkeit zu hoch wird, verdunkelt sich die Glasoberfläche allmählich. Dies verhindert eine Überhitzung der Räume und reduziert den Bedarf an Klimaanlagen, was besonders in sonnigen Klimazonen und Gebäuden mit großen Glasfassaden nützlich ist. An sonnigen Tagen kann es auch als Blendschutz dienen. An bewölkten Tagen und nachts bleiben die Fenster hell.
Auch die Alltagstauglichkeit der Technologie wurde von Fraunhofer-Forschern geprüft. Die Fenster verdunkeln sich nicht plötzlich, sondern allmählich innerhalb weniger Minuten. Short erklärte, dass der Energieverbrauch sehr gering sei. Im besten Fall benötigt die elektrochrome Folie nur Strom im Umwandlungsprozess, und eine extrem niedrige Spannung reicht aus, um den Färbeprozess zu starten. Thermochrome Materialien benötigen überhaupt keinen Strom, sondern reagieren passiv auf die von der Sonne erzeugte Wärme. Sie können als Ergänzung zu einem schaltbaren System oder als Alternative verwendet werden, die keine schaltbare Lösung erfordert.
Switch2Save verspricht, in Gegenden mit hoher Außentemperatur (zB im südlichen Bereich) viel Energie einzusparen, indem der Einsatz von Klimaanlagen reduziert oder der Bedarf an Klimaanlagen komplett eliminiert wird. Dr. John Fahlteich, Koordinator des Switch2Save-Projekts und Leiter des Forschungsteams des Fraunhofer FEP, erklärte, dass in den warmen Regionen Europas der Kühl- und Heizenergiebedarf moderner Gebäude um bis zu 70 % reduziert werden kann. In den kälteren nördlichen Regionen ist die Kostenersparnis nicht groß, aber auch hier kann das System als Blendschutz gegen direkte Sonneneinstrahlung eingesetzt werden.
Grundsätzlich bietet die Kombination der elektrochromen Schicht und der thermochromen Schicht im Verbundfenster eine größere Flexibilität. Architekten und Bauherren können damit individuelle Lösungen für unterschiedliche Bereiche und Gebäude anbieten. Wir installieren diese Technologie in der Kinderklinik des zweitgrößten Krankenhauses in Athen, Griechenland, und in einem Bürogebäude in Uppsala, Schweden. In beiden Gebäuden wird der Energieverbrauch vor und nach dem Einbau neuer Fenster ganzjährig überwacht und verglichen. Auf diese Weise können wir die tatsächliche Leistung der Switch2Save-Technologie zeigen und die Technologie für verschiedene Klimaregionen weiter testen und verbessern, sagte Fahlteich.
Die Forscher befassten sich auch mit Herausforderungen bei der Herstellung. Eine elektrochrome Beschichtung wird auf ein Filmsubstrat auf Polymerbasis aufgebracht. Andererseits verwendet die thermochrome Beschichtung ein dünnes Glassubstrat. Nasschemische und Vakuumbeschichtungsverfahren werden in wirtschaftlichen Coil-to-Coil-Fertigungsanlagen eingesetzt. Anschließend werden die schaltbaren Komponenten unter Vakuum auf das 4 mm dicke Fensterglas laminiert und anschließend in die Isolierglaseinheit integriert. Das Beschichtungsverfahren ist auch im industriellen Maßstab wirtschaftlich durchführbar. Elektrochrome und thermochrome schaltbare Komponenten sind nur wenige hundert Mikrometer dick, weniger als 500 Gramm pro Quadratmeter. Dadurch belasten sie die Fenster nahezu nicht und können daher auch nachträglich in bestehende Gebäude eingebaut werden, ohne die Bausubstanz zu verändern.
Derzeit arbeitet der Projektverbund daran, die Technologie weiter zu verbessern. Expertenteams untersuchen beispielsweise, wie sich elektrochrome und thermochrome Elemente in Verbundfenstern kombinieren lassen, um das Potenzial dieser Technologie besser auszuschöpfen. Weitere Forschungsziele sind die Anpassung der Beschichtung an gebogene Glasformen und das Hinzufügen weiterer Farben zu bestehenden blauen und grauen Optionen.
Das Ziel des World Warming and European Green Agreement wird die Nachfrage nach energiesparenden Gebäudetechnologien in den nächsten Jahren deutlich steigern – bis 2050 sollen alle Gebäude in der EU klimaneutral sein. Das EU-Projekt Switch2Save für elektrochrome und thermochrome Fenster kann dazu einen wichtigen Beitrag leisten
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