Slimme glascoating koelt glazen gebouwen
De bouwsector is een van de grootste uitstoters van broeikasgassen. Volgens het Duitse Milieuagentschap zijn gebouwen verantwoordelijk voor ongeveer 30 procent van de CO2-uitstoot van het land en 35 procent van het energieverbruik. Vooral gebouwen met grote glazen gevels en daken, zoals de kantoorgebouwen die moderne steden domineren, zijn problematisch. Ze worden warm in de zon, vooral in de zomer. Het gebruik van jaloezieën en jaloezieën om schaduw te bieden is over het algemeen echter ongewenst omdat ze afbreuk doen aan de esthetiek van het glas en het zicht naar buiten belemmeren. In plaats daarvan wordt het interieur gekoeld met airconditioning, wat veel elektriciteit vereist en de ecologische voetafdruk van het gebouw vergroot.
Het Fraunhofer Instituut voor Silicaatonderzoek ISC in Würzburg en het Fraunhofer Instituut voor Organische Elektronen-, Elektronenbundel- en Plasmatechnologie FEP in Dresden hebben een complexe oplossing voor deze vraag ontwikkeld. In het Switch2Save-project hebben onderzoekers gewerkt aan heldere coatings voor ramen en glazen gevels met behulp van elektrochrome en thermochrome materialen. Deze voegen een variabele, transparante donkere tint toe aan de buitenkant van het raam, waardoor de kamer koel blijft. Het Fraunhofer Instituut heeft aan dit door de EU gefinancierde onderzoeksproject samengewerkt met universitaire en industriële partners in zes EU-landen.
De elektrochrome coating wordt aangebracht op een transparante geleidende film, die vervolgens kan worden "aangezet". Het aanleggen van een spanning activeert de overdracht van ionen en elektronen die de coating donkerder maken en de ruit kleuren. Thermochrome coatings daarentegen werken door thermische straling van de zon te reflecteren wanneer een bepaalde omgevingstemperatuur wordt bereikt, legt Dr. Marco Schott, groepsmanager van Fraunhofer ISC Electrochromic Systems, uit.
Met elektrochrome elementen kunnen sensoren worden gebruikt om factoren zoals helderheid en temperatuur te meten en de resultaten naar een regelsysteem te sturen. Dit stuurt een stroom- of spanningspuls naar de geleidende film, waardoor het raam donker wordt. Wanneer de temperatuur of helderheid te hoog wordt, zal het glasoppervlak geleidelijk donkerder worden. Dit voorkomt dat de kamer oververhit raakt en vermindert de behoefte aan airconditioning, wat vooral handig is in zonnige klimaten en gebouwen met grote glazen gevels. Het werkt ook als anti-verblindingsbescherming op zonnige dagen. De ramen blijven helder op bewolkte dagen en 's nachts.
De Fraunhofer-onderzoekers gingen ook na of de technologie geschikt is voor alledaags gebruik. De ramen worden niet plotseling gedimd, maar worden binnen een paar minuten geleidelijk gedimd, met een zeer laag energieverbruik, legt Schott uit. In het geval dat de voorkeur heeft, heeft de elektrochrome film alleen elektriciteit nodig tijdens het schakelproces en zijn zeer lage spanningen voldoende om het kleurproces op gang te brengen. Thermochrome materialen hebben helemaal geen elektriciteit nodig, maar reageren passief op de warmte die door de zon wordt gegenereerd. Ze kunnen worden gebruikt als aanvulling op schakelbare systemen of als alternatief waar schakelbare oplossingen niet nodig zijn.
Switch2Save belooft aanzienlijke energiebesparingen in gebieden met hoge buitentemperaturen (dwz zuidelijke regio's) door het gebruik van airconditioningsystemen te verminderen of helemaal niet meer nodig te hebben. Dr. John Fahlteich, projectcoördinator en onderzoeksgroepleider bij Switch2Save van Fraunhofer FEP, legde uit dat in warmere streken van Europa de energiebehoefte voor koeling en verwarming van moderne gebouwen met wel 70 procent kan worden verminderd. In koelere noordelijke streken zijn de besparingen niet enorm, maar het systeem kan hier ook worden gebruikt als antiverblindingsbescherming tegen direct zonlicht.
De combinatie van elektrochrome en thermochrome lagen in composietramen biedt in principe de grootst mogelijke flexibiliteit. Door het te gebruiken, kunnen architecten en ontwikkelaars individuele oplossingen bieden voor verschillende ruimtes en gebouwen. We installeren de technologie in de kinderkliniek van het op een na grootste ziekenhuis in Athene, Griekenland, en een kantoorgebouw in Uppsala, Zweden. In beide gebouwen wordt het energieverbruik een jaar lang gevolgd en vergeleken voordat en nadat nieuwe ramen zijn geplaatst. Door dit te doen, kunnen we de daadwerkelijke prestaties van de Switch2Save-technologie demonstreren en kunnen we doorgaan met het testen en verbeteren van de technologie voor verschillende klimaatzones, zei Fahlteich.
De onderzoekers pakten ook productie-uitdagingen aan. Elektrochrome coatings worden aangebracht op op polymeer gebaseerde filmsubstraten. Thermochrome coatings gebruiken daarentegen dunne glassubstraten. Natte chemische en vacuümcoatingprocessen worden gebruikt voor economische roll-to-roll productiesystemen. Het schakelbare samenstel wordt vervolgens vacuüm gelamineerd op 4 mm dik vensterglas, dat vervolgens wordt geïntegreerd in de isolatieglaseenheid. Het coatingproces is ook economisch haalbaar op industriële schaal. Elektrochrome en thermochrome schakelbare elementen zijn slechts enkele honderden microns dik en minder dan 500 gram per vierkante meter. Hierdoor voegen ze nauwelijks gewicht toe aan de ramen, waardoor ze achteraf kunnen worden ingebouwd in bestaande gebouwen zonder de bouwstructuur te wijzigen.
Het projectconsortium werkt momenteel aan het verder verbeteren van de technologie. Teams van experts onderzoeken bijvoorbeeld hoe elektrochrome en thermochrome elementen in composietramen kunnen worden gecombineerd om het potentieel van de technologie beter te benutten. Verdere onderzoeksdoelen zijn onder meer het aanpassen van de coating aan gebogen glasvormen en het toevoegen van meer kleur aan de bestaande blauwe en grijze opties.
Door de opwarming van de aarde en de doelstellingen van de Europese Green Deal zal de vraag naar energie-efficiënte bouwtechnologieën de komende jaren aanzienlijk toenemen - alle gebouwen in de EU zullen naar verwachting in 2050 koolstofneutraal zijn. Het Switch2Save-project van de EU voor elektrochrome en thermochrome ramen kan hieraan een belangrijke bijdrage.