Mit smartem Fensterglas Gebäudeenergie einsparen

Fraunhofer

greenBUILDING
Top-News 3
Gebäudetechnik
Forschung
Green Engeneering: Umwelt, Energie, Mensch
Energie, Klima und Dämmung
Digitalisierung

Fraunhofer-Forschende haben eine intelligente Beschichtung für Glasfenster entwickelt, die sich bei Sonneneinstrahlung verdunkelt. Bei Gebäuden mit großen Glasfassaden wird so verhindert, dass sich die Räume extrem aufheizen. Ermöglicht wird dies durch elektro- und thermochrome Materialien, die auf Strom bzw. Wärme reagieren. Die energieintensive Klimaanlage kann abgeschaltet bleiben.

CO2-neutrale Gebäude dank elektro- und thermochromer Fenster

Der Gebäudesektor zählt zu den größten Verursachern von Treibhausgas-Emissionen. Nach Angaben des Umweltbundesamts sind Gebäude in Deutschland für etwa 30 Prozent der gesamten CO2-Emissionen und 35 Prozent des Endenergieverbrauchs verantwortlich. Besonders problematisch sind Gebäude mit großen Glasflächen, beispielsweise die für Großstädte typischen Bürohochhäuser. Besonders im Sommer heizen sie sich durch die Sonneneinstrahlung auf. Der Einsatz von schützenden Jalousien oder Vorhängen ist oftmals unerwünscht. Die Temperatur in den Räumen muss deshalb durch Klimaanlagen heruntergekühlt werden. Das benötigt viel Strom und verschlechtert die Klimabilanz des Gebäudes.

Eine elegante Lösung für dieses Problem haben das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg und das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP in Dresden vorgestellt. Im Projekt Switch2Save setzen Forscherinnen und Forscher auf eine transparente Beschichtung der Fenster oder Glasfassaden mit elektro- bzw. thermochromen Materialien. Diese sorgen für eine stufenlose transparente Abdunkelung der Fensterfronten und verhindern damit das Aufheizen der Räume. Bei dem EU-geförderten Forschungsvorhaben arbeiten die Fraunhofer-Institute mit Universitäten und Industriepartnern aus sechs EU-Staaten zusammen.

Elektrochrome und thermochrome Beschichtung

»Die elektrochrome Beschichtung wird auf einer transparenten, stromleitfähigen Folie aufgebracht und ist aktiv schaltbar. Wird Spannung bzw. Strom angelegt, findet ein Ladungs- und Ionenaustausch statt, und die Beschichtung dunkelt ein, was zu einer Verschattung im Fenster führt. Die thermochrome Variante hingegen arbeitet rein passiv und reflektiert ab einer bestimmten Umgebungstemperatur die Wärmestrahlung der Sonne«, erklärt Dr. Marco Schott, Gruppenleiter Elektrochrome Systeme am Fraunhofer ISC.

Bei den elektrochromen Elementen könnten Sensoren Werte wie Helligkeit oder Temperatur messen und an die Steuerelektronik schicken. Diese sendet einen Strom- oder Spannungsimpuls in die leitfähige Folie und löst damit die Verschattung des Fensters aus. Je nach Wärme oder Sonneneinstrahlung verdunkelt sich die Glasfläche stufenlos. Gerade in südlichen Breitengraden oder bei Gebäuden mit großen Fensterflächen, die nach Süden weisen, verhindert die Einfärbung, dass sich der Raum aufheizt und die Klimaanlage anspringen muss. Zudem dient sie als Blendschutz, wenn die Sonne in den Raum scheint. An einem bewölkten Tag oder am Abend bleiben die Fenster hell. Die wegen der Beschichtung unvermeidliche Resteinfärbung ist für das Auge nicht störend.

Die Fraunhofer-Forschenden haben dabei auch an die Alltagstauglichkeit von Switch2Save gedacht. »Die Einfärbung vollzieht sich nicht schlagartig, sondern sanft innerhalb einiger Minuten«, erklärt Schott. Der Stromverbrauch ist dabei sehr gering. Zum einen benötigt die elektrochrome Folie im Idealfall nur bei Schaltvorgängen Strom, zum anderen genügen wenige Volt, um den Verdunklungsprozess anzustoßen. Gar keinen Strom benötigen die thermochromen Materialien, da sie rein passiv auf die durch Sonneneinstrahlung erzeugte Wärme reagieren. Diese dienen entweder als Ergänzung zu einem aktiv schaltbaren System oder als Alternative in Szenarien, bei denen keine aktive Schaltbarkeit erforderlich ist.

Demonstrator-Gebäude in Athen und Uppsala

Besonders große Energieeinsparungen durch niedriger gestellte oder gar nicht eingeschaltete Klimaanlagen verspricht Switch2Save überall da, wo hohe Außentemperaturen herrschen, also in südlichen Regionen. Dr. John Fahlteich, Switch2Save-Verbundkooordinator und Forschungsgruppenleiter am Fraunhofer FEP, stellt fest: »In warmen Regionen Europas lässt sich so der Kühl- und Heizenergiebedarf von modernen Gebäuden um bis zu 70 Prozent reduzieren.« In den kälteren Regionen des Nordens sind die Einsparungen geringer. Doch auch hier könnten die Systeme genutzt werden, um bei direkter Sonneneinstrahlung einen Blendschutz zu gewährleisten.
 

Prinzipiell bietet die Kombination aus elektro- und thermochrom in einem Verbundfenster die größtmögliche Flexibilität. Auf diese Weise können Architekten und Bauherren für ganz unterschiedliche Regionen und Gebäude jeweils individuelle Lösungen umsetzen. »Wir statten gerade die Kinderklinik des zweitgrößten Krankenhauses Griechenlands in Athen und ein Bürogebäude in Uppsala mit der Technik aus. In beiden Gebäuden wird der Energiebedarf sowohl vor als auch nach Installation der neuen Fenster für ein ganzes Jahr überwacht und verglichen. So demonstrieren wir die Leistungsfähigkeit von Switch2Save und können die Technologie für unterschiedliche Klimazonen weiter erproben und verfeinern«, sagt Fahlteich.

Fertigung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren

Auch die Probleme bei der Fertigung haben die Forschenden gelöst. Die elektrochrome Beschichtung wird auf einem Foliensubstrat auf Polymer-Basis aufgebracht. Die thermochrome Version hingegen arbeitet mit einem Dünnglas-Substrat. Es werden nasschemische Beschichtungsverfahren sowie Vakuumbeschichtungsverfahren im kosteneffizienten Rolle-zu-Rolle-Betrieb eingesetzt. Die schaltbaren Bauelemente werden anschließend im Vakuum auf ein 4 mm dickes Fensterglas laminiert. Dieses wird schließlich Teil des Verbundfensters. Das Beschichtungsverfahren ist auch im industriellen Maßstab wirtschaftlich realisierbar. Die elektro- und thermochrom-schaltbaren Elemente sind nur wenige 100 µm dick und weniger als 500 g pro Quadratmeter leicht. Sie verändern damit das Gewicht der Verbundfenster kaum, sodass diese ohne Nachbesserungen an der Gebäudekonstruktion oder Statik in Bestandsgebäuden nachgerüstet werden können.

Geschwungenes Glas und bunte Fenster

Derzeit arbeitet das Projektkonsortium daran, die Technologie weiterzuentwickeln. So erforscht das Expertenteam, wie sich die elektro- und die thermochromen Elemente in einem Verbundfenster miteinander kombinieren lassen, um das Potenzial der Technologie noch besser auszuschöpfen. Weitere Forschungsziele bestehen darin, die Beschichtung auf geschwungenen Glasformen aufzubringen und zu den bestehenden Farbtönen Blau und Grau weitere Farben zu ergänzen.

Die Klimaerwärmung und die Ziele des europäischen Green Deal werden die Nachfrage nach energieeffizienter Gebäudetechnik in den nächsten Jahren deutlich steigen lassen. Noch vor 2050 sollen alle Gebäude in der EU CO2-neutral sein. Dazu können die elektro- und thermochromen Fenster des EU-Projekts Switch2Save einen wichtigen Beitrag leisten.

Mitten im Architekturstudium stellt Thomas Rosmüller fest: „Gestalten ist nicht so mein Ding“. Sein  Studium schließt er dennoch ab und findet schnell einen Job: als Baumanager! Ein Beruf, den er heute, mehr als 30 Jahre später, noch genau so liebt wie am Anfang. Thomas Rosmüller organisiert, überwacht, plant und koordiniert die unterschiedlichsten Projekte.  Baumanagement ist seine berufliche Heimat geworden, sein Weg. 

Welchen Weg wollen Sie gehen?
YOU DECIDE!

Arbeiten Sie bei Drees & Sommer mit Kolleginnen und Kollegen zusammen, die sich genauso für ihr Projekt einsetzen wie Sie.

Hier erfahren Sie mehr: Baumanagement (dreso.com)
 

Anzeige

Die AVA-Software für den BIM-Prozess

avanti_final_deutsches_ingenieurblatt_erw_.jpg
Gisela_Schwarz_72dpi.jpg

„Wir ha­ben zu je­dem Zeit­punkt den Über­blick, wo wir mit den Kos­ten ste­hen. Er­ste In­for­ma­tio­nen aus un­se­ren Lei­stungs­ver­zeich­nis­sen nu­tzen wir auch für Bie­ter-An­ge­bo­te, Be­auf­tra­gun­gen und Rech­nungs­prü­fung.“
Gisela Schwarz, Architektin bei Schwarz Architekten

 
Elisabeth_Nuernberger.jpg

„Wir er­hal­ten auf Knopf­druck Kos­ten­pro­gno­sen und Kos­ten­fest­stel­lun­gen. Der Ver­gleich des Bud­gets mit den tat­säch­lichen Kos­ten ist je­der­zeit mög­lich.“ 
Elisabeth Nürnberger, Bau­tech­ni­ker­in bei PH2 Ar­chi­tek­ten

 
_MG_4952_1a.jpg

„Die Bau­kos­ten sind im­mer nach­voll­zieh­bar, denn Nach­trags­po­si­tio­nen las­sen sich nach Ur­sache klas­si­fi­zieren und aus­wer­ten. Bau­leiter kön­nen die Kos­ten­ver­laufs­kur­ve so je­der­zeit be­grün­den.“
Karsten Krause, AVA-Spezialist und Sup­por­ter bei SOFTTECH

 

Anzeige

Qualifikation mit Abschluss - jetzt weiterbilden!

Anzeige_im_Advertorial_hoeher.jpg
8_Erhaltung_Sanierung.png

Erhaltung & Sanierung
In unseren Wei­ter­bil­dung­en er­wer­ben Sie bau­tech­nisches Fach­wissen. Bau­dia­gnos­tische Prak­tika sowie Gut­acht­er­trai­nings ver­mit­teln Ihnen da­rüber hin­aus das prak­tische Hand­werks­zeug zur Be­wert­ung von Bau­schäden so­wie zur Be­ra­tung für die er­folg­reiche Sa­nie­rung zum Er­halt von Ge­bäuden aller Art. 
Sachverständiger oder Fachplaner werden

 
2_Energieeffizienz.png

Energieeffizienz
Er­­ler­­nen Sie, wie man in­­no­­va­­ti­­ve Bau- und Ge­­bäu­­de­­tech­­nik­­kon­­zep­­te für Wohn- und Nicht­­wohn­­ge­­bäu­de so­­wie Bau­­denk­­ma­le  ent­­wickelt und um­­setzt. Ex­­per­­ten da­­für wer­­den in einer bun­­de­s­ein­­heit­­li­chen En­­er­­gie­­ef­­fi­­zienz-Lis­te für För­­der­­pro­­gram­­me des Bun­­des ge­­führt. Ihre er­­folg­­reich ab­­sol­­vier­­te Fach­­fort­­bil­­dung gilt als Nach­­weis der da­­für not­­wen­­di­­gen Zu­­satz­­qua­li­­f­i­ka­­tion.
En­er­gie­ef­fi­zienz-Ex­per­te wer­den

 
3_Ingenieurbau.png

Ingenieurbau
Un­se­re Qua­li­fi­zie­run­gen im In­ge­nieur­bau be­fäh­igen Sie, als Sach­ver­stän­di­ger Bau­zu­stän­de zu er­fas­sen, Bauch­werks­prü­fun­gen durch­zu­füh­ren, Scha­dens­pro­ble­ma­ti­ken zu be­wer­ten und Sa­nie­rungs­emp­feh­lun­gen aus­zu­spre­chen. Sie er­wer­ben um­fang­rei­ches Fach­wis­sen zur Be­ur­tei­lung der Ge­samt­kon­struk­tion im Hin­blick auf die Stand­sich­er­heit, Ver­kehrs­sich­er­heit und Dau­er­haf­tig­keit.
Sach­ver­stän­di­ger im kon­struk­ti­ven In­ge­nieur­bau wer­den