Solaranlagen und Produkte der Vormonate:

Licht und Wärme per Knopfdruck: schalt- und regelbare Verglasungen zur dynamischen Anpassung von solarer Strahlungsenergie und Lichtfluss

Fenster sind eine wichtige Komponente des (solaren) Bauens: Indem sie die Sonnenstrahlung in den Raum lassen, senken sie den Heizwärmebedarf von Gebäuden und ermöglichen im Winter passiv-solare Energiegewinne. Außerdem bewirken sie eine ganzjährige natürliche Beleuchtung und reduzieren den Energieaufwand für elektrisches Licht. Die hohe Licht- und Energiedurchlässigkeit großer Fensterflächen bringt aber auch Nachteile mit sich: hohe Raumtemperaturen im Sommer machen oft eine aktive Klimatisierung erforderlich, zumindest aber einen wirksamen Sonnenschutz. Die Beschäftigten in Büros müssen zusätzlich vor unerwünschter Blendung geschützt werden. Dabei soll der psychologisch wichtige Blick nach draußen möglichst nicht eingeschränkt werden.

Schaltvorgang einer mit thermotropen Verbundscheiben ausgestatteten Bürofassade Schaltvorgang einer mit thermotropen Verbundscheiben ausgestatteten Bürofassade
Fotos: Schaltvorgang einer mit thermotropen Verbundscheiben ausgestatteten Bürofassade (Modell). Links: klare Scheibe, der Schaltvorgang beginnt, rechts: Verglasung geschaltet, das Licht wird stark gestreut. Quelle: H. Hartwig, TU München. Thermotrope Gläser: Affinity Co. Ltd., Japan

Schalt- und regelbare Verglasungen sollen in Zukunft diese, teilweise gegensätzlichen, Anforderungen besser bewältigen. Lösungen für den Einsatz in der Architektur werden seit Jahren entwickelt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) gefördert. In Zusammenarbeit mit dem BINE Informationsdienst geben wir einen ersten Einblick in Anwendungsbereiche, Typen und Systeme der innovativen Technik. Dabei handelt es sich nicht um Komponenten für den Endverbraucher, wie bei dem "Produkt des Monats" üblich. Es sind vielmehr Labormuster oder Pilotprodukte, die zeigen, was Forschung und Entwicklung an Hochschulen, Instituten und in Unternehmen in Deutschland leisten.

Tageslicht und Energiebilanz

Besonders in Niedrigenergie-Bürogebäuden kann der Energiebedarf für Kühlung/Klimatisierung und Beleuchtung eine ähnliche Größenordnung erreichen wie der Heizwärmebedarf. Im Gegensatz zu Wohngebäuden und Passivhäusern, bei denen solare Energiegewinne in der Heizperiode erwünscht beziehungsweise unerlässlich sind, können solare Gewinne in Bürogebäuden nur geringfügig zu Heizzwecken genutzt werden. Der positive Anteil großer Glasflächen auf die Energiebilanz von Büro- und Verwaltungsgebäuden wird im Allgemeinen überschätzt. Weit bedeutender ist der Einfluss der verglasten Fläche auf den Kühlenergiebedarf. Das geforderte hohe Beleuchtungsniveau erweist sich ebenfalls als wichtiger Faktor. Mit einer konsequenten Tageslichtplanung kann der Bedarf an Kunstlicht - und damit der Strombedarf für die Beleuchtung - um über 50% gesenkt werden. Gleichzeitig sinken auch deren Wärmelasten, die ebenfalls mit elektrischer Energie abgeführt werden müssten.

Sonnenschutz contra Tageslichtnutzung

Große Glasfronten müssen über die Verglasungseigenschaften und zusätzliche Sonnenschutzmaßnahmen kontrolliert werden. Allerdings gehen hoch wirksame konventionelle Sonnenschutzgläser mit einem g-wert (Gesamtenergiedurchlassgrad) unter 20% deutlich zu Lasten der Tageslichtnutzung und es gibt praktisch keine solaren Wärmegewinne mehr. Auch die üblichen, außen liegenden Sonnenschutzsyteme (Lamellen) schränken das nutzbare Tageslicht und vor allem die Aussicht ein. Jalousien, Raffstores oder Markisen erlauben eine wirksame Regelung von Licht und Wärmeeintrag - ihre beweglichen Teile sind jedoch anfällig gegen Störungen, was mit erhöhtem Wartungsaufwand verbunden sein kann. Die Nachteile statischer und beweglicher Sonnenschutzsysteme sollen durch schaltbare Verglasungen mittel- oder langfristig wegfallen.

Bedarfsgerechte Regelung des Energie- und Lichteintrags - neue Möglichkeiten in der Architektur

Forschungseinrichtungen und Unternehmen arbeiten seit langem an den schaltbaren Verglasungen und untersuchen die Ergebnisse an Pilot- und Demonstrationsfassaden. Forschung und Entwicklung zeigen, dass diese Lösung in der Regel sowohl einen ausreichenden alleinigen Sonnenschutz für viele Anwendungsfälle garantiert als auch genügend Tageslicht für typische Büroräume durchlässt. Schaltbare Verglasungen bieten dem Architekten einen größeren gestalterischen Spielraum für verglaste Flächen, ohne bewegte Teile vor oder in der Fassade und ohne dass der Kühlenergiebedarf des Gebäudes steigt.

Primärenergiekennwerte von Bürogebäuden mit unterschiedlichen Energiestandards
Grafik: Primärenergiekennwerte von Bürogebäuden mit unterschiedlichen Energiestandards. Quelle: IWU.

Damit entsprechen die Verglasungen, die ihre optischen Eigenschaften auf Knopfdruck oder selbstständig verändern, der großen Nachfrage nach flexiblen Lösungen. Wann und wie die neuen Verglasungen eingesetzt werden, wird von den Systemkosten, Einsparpotenzialen und Komfortgewinnen anhängen. Und von den Architekten und Planern: Sie werden nach der Markteinführung in den nächsten Jahren entscheiden, ob der Einsatz in konkreten Objekten lohnt.

Schaltbare Schichten: Glas mit eingebauter Licht- und Energiesteuerung

Gläser, die sich bei Sonneneinstrahlung verdunkeln, sind bekannt, beispielsweise in Form selbst tönender Sonnenbrillen. Deren "photoelektrochrome" Schichten färben sich bei Sonnenschein grau oder braun, bleiben jedoch durchsichtig. Die schaltbaren Schichten werden je nach Aktivierung und Aufbau unterschieden. Eine Abdunklung (z.B. Blaufärbung) kann erfolgen durch elektrischen Strom (elektrochrome Schichten), Kontakt mit einem Gas (gaschrome Schichten), Bestrahlung (Sonnenstrahlung) oder durch Wärme. Bei den so genannten thermochromen oder thermotropen Schichten bewirkt die Überschreitung einer bestimmten Schwelltemperatur des Materials einen Farbwechsel oder eine weiße Eintrübung.

Pilotprojekt "Laterne" der TU München Pilotprojekt "Laterne" der TU München

Fotos: Pilotprojekt "Laterne" der TU München. Thermotrope Wärmeschutzverglasungen im Oberlichtbereich an vertikaler Fassade, hoher Verglasungsanteil (75%, davon die Hälfte thermotrop belegt). Selbsttätige Sonnenschutzmaßnahme mit Einschränkung des Außenbezuges nur wenn thermisch erforderlich. Quelle: TU München.

Bei schaltbaren Spiegeln auf Metallhydridbasis wird die Lichtdurchlässigkeit mit Hilfe von Wasserstoffgas erhöht. Elektrische Spannung klart die Schichten einer Licht streuenden Verglasung auf, welche auf Basis von Flüssigkristallen oder polarisierter Partikel hergestellt werden (Polymer-Dispersed Liquid Crystal bzw. Supended Particle Devices). Detaillierte Beschreibungen von Funktionsprinzipien, Wirkungen, Kennwerten, Einsatzmöglichkeiten und den Stand der Entwicklung bietet das 12-seitige, illustrierte BINE-Themen-Info I/02, erhältlich beim BINE Informationsdienst. Als Beispiel soll hier das Prinzip der elektrochromen Verglasung und dessen Weiterentwicklung in Form photoelektochromer Schichten in Kombination mit einer elektrochemischen Solarzelle skizziert werden.

Elektrochrome Verglasungen

Die optischen Eigenschaften elektrochromer Schichten lassen sich mit der Aufnahme oder Abgabe von Ladungsträgern verändern. Wenn Strom fließt, findet ein Austausch von Ladungsträgern (z.B. Lithium-Ionen) statt und die Schicht ändert ihre Durchlässigkeit für das Sonnenlicht. Metalloxide wie beispielsweise Wolframoxid zeigen solche Farbwechsel, es erreicht eine intensive Blaufärbung.

In elektrochromen Verglasungen befindet sich die aktive Schicht in einem Verbund, der von zwei mit transparenten Elektroden beschichteten Gläsern eingerahmt wird (Grafik unten links). Durch eine externe Stromversorgung werden bei Bedarf Ladungsträger in die Schicht transportiert, wobei ein Flüssig- oder Polymer-Elektrolyt den Stromfluss gewährleistet. Es gibt auch Systeme mit Festkörpern als Ionenleiter, die als Schichtverbund auf Glas aufgebracht sind. Derzeit können Scheiben bis zu einer Größe von 1,2 x 2 Metern realisiert werden. Die elektrische Steuerung erfolgt mit einem Gerät, dessen Leistungsaufnahme in der derzeitigen Entwicklungsstufe 2 Watt im Ruhezustand und 18 Watt während des Schaltvorgangs beträgt (pro Verglasungseinheit der genannten Größe). Der Energieeintrag lässt sich bedarfsgerecht regeln, denn das Steuergerät kann raumweise von Hand bedient oder auch mit der Gebäudeleittechnik verbunden werden. Ein elektrochromer Verbund kann auch in eine Wärmeschutzverglasung integriert werden.

Schichtaufbau einer elektrochromen Verglasung
Grafik: Schichtaufbau einer elektrochromen Verglasung. Quelle: FLABEG

Die Durchlässigkeit der Verglasung lässt sich stufenlos verändern, die Durchsicht bleibt dabei immer erhalten. Elektrochrome Verglasungen können in allen Fassadenbereichen eingesetzt werden - bei direktem Sonnenlicht gibt es allerdings keinen sicheren Blendschutz, eine mögliche Blendung wird nur stark reduziert. Die Anforderungen an den Sonnenschutz hingegen werden voll erfüllt. So reduziert eine geschaltete elektrochrome Verglasung mit einem Wärmedurchgangs oder U-Wert von 1,1 Watt /(m2 Kelvin) die sichtbare Transmission vom Faktor 0,50 auf den Faktor 0,15 bei einer g-Wert-Schaltung (Gesamtenergiedurchlass) von 0,36 auf 0,12.

Schaltbare Verglasungen im Kontext marktgängiger Verglasungen

Das bedeutet, im abgedunkelten Zustand lässt die Verglasung nur 15% des Lichts und nur 12% der solaren Strahlungsenergie (Wärme) in den Raum.

Grafik: Schaltbare Verglasungen im Kontext marktgängiger Verglasungen: Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) und Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert) typischer Gläser. Die Ellipsen markieren den Schalteffekt veränderbarer Transmissionsgrade. Quelle: Fraunhofer ISE.

Bislang konnte Wolframoxid als einziges Material für großflächige Verglasungen eingesetzt und zur Produktreife gebracht werden. Zur Zeit werden in Deutschland elektrochrome Verglasungen in Pilotprojekten getestet, beispielsweise auf dem Dach des Lesesaals der Sächsischen Landesbibliothek in Dresden. Dort sollen wirksamer Sonnenschutz und die Vermeidung zu hoher Raumtemperaturen bei möglichst hoher Tageslichtnutzung erreicht werden.

Sächsische Landesbibliothek in Dresden Sächsische Landesbibliothek in Dresden, Dach

Fotos: Sächsische Landesbibliothek in Dresden; Neubau zentraler Lesesaal. Das Dach ist ausgeführt als begehbare Überkopfverglasung. Rechts: Ein Band mit elektrochromen Verglasungen im ungeschalteten Zustand. Quelle: BINE Informationsdienst

Elektrochrome Verglasungen können an allen vertikalen und geneigten Fassaden eingesetzt sowie in horizontalen Dachverglasungen verarbeitet werden.
Eine Markteinführung dieser Verglasung ist nach Aussagen der Hersteller nicht vor Sommer 2004 zu erwarten. Auch in Japan und den USA werden elektrochrome Scheiben entwickelt. Dort sind bereits kleinflächige Produkte für Kfz-Anwendungen erhältlich, während für die Architektur ebenfalls kein Produkt am Markt ist.

Die Sonne als "Lichtschalter": photoelektrochrome Verglasung ohne externe Stromversorgung

Ultraviolettes oder sichtbares kurzwelliges Licht bewirkt bei photochromen Gläsern wie der bereits erwähnten Sonnenbrille umkehrbare Übergänge der im Glas eingelagerten Silberhalogenide (Verbindungen von Silber mit einem Element der so genannten Halogen-Gruppe, die sich unter Lichteinfluss in ihre Bestandteile zersetzen (z.B. Chlor, Brom, Jod). Das gleiche geschieht mit auf Kunststoffscheiben aufgetragenen organischen Schichten. Als Folge dunkeln die Gläser ein. In einer speziellen Weiterentwicklung wurde das färbende Wolframoxid einer elektrochromen Schicht mit dem Wirkungsmechanismus einer elektrochemischen Solarzelle kombiniert (z. B. farbstoffsensibilisierte Solarzelle). Derartige Funktionsschichten zeigen ebenfalls ein photochromes Verhalten, wobei allein sichtbares Licht für die Funktion ausreicht. Photochrome Systeme schalten vollkommen selbsttätig - dies vereinfacht zwar die Systemtechnik, ist jedoch gänzlich unflexibel. Ihr Hauptvorteil gegenüber elektrochromen oder photoelektrochromen Systemen ist der deutlich einfachere Schichtaufbau. Das Erscheinungsbild ist vergleichbar mit den photoelektrochromen Systemen, wobei die leichte Gelbfärbung im hellen Zustand sogar geringer ist als in folgender Abbildung links.

Photoelektrochromer Prototyp im Labormaßstab Funktionsprinzip einer neuartigen photochromen Schicht

Fotos: Photoelektrochromer Prototyp im Labormaßstab. Links der klare, rechts der abgedunkelte Zustand. Grafik: Funktionsprinzip einer neuartigen photochromen Schicht. Nach dem Prinzip einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle werden bei Lichteinfall freie Ladungen erzeugt, die das Wolframoxid blau einfärben. Quelle: Fraunhofer ISE

Noch einen Schritt weiter geht es bei der photoelektrochronen Verglasung: hier werden ebenfalls die Wirkungsmechanismen einer elektrochromen Schicht und einer elektrochemischen Solarzelle kombiniert.

Funktionsprinzip einer photoelektrochromen Schicht

 

Grafik: Funktionsprinzip einer photoelektrochromen Schicht. Eine elektrochrom einfärbende Wolframoxidschicht ist mit einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle zu einem System kombiniert. Wird unter Bestrahlung der Stromkreis geöffnet, färbt sich die Schicht ein (obere Hälfte). Wird der Stromkreis geschlossen, entfärbt sich die Schicht, auch unter Bestrahlung (unten). Quelle: Fraunhofer ISE

Der Ladungstransfer erfolgt über durchsichtige, elektrisch leitende Schichten auf Glassubstraten. Über einen externen Stromkreis wird die Schicht geschaltet: Ist der externe Stromkreis geöffnet, färbt sich die Schicht unter Bestrahlung. Die Blaufärbung des Wolframoxid bleibt erhalten, solange der Schalter geöffnet bleibt. Wird der externe Stromkreis später geschlossen, so entfärbt sich die Schicht. Für diese Schaltung wird keine externe Strom- bzw. Spannungsversorgung benötigt. Auch diese Verglasung mit hohem Potenzial zu effektivem Sonnenschutz wird intensiv entwickelt. Marktverfügbare Produkte sind mittelfristig nicht zu erwarten.

Die momentan einzige am Markt verfügbare schaltbare Verglasung für die Architektur ist der schaltbare Sichtschutz unter den Namen "Privacy Glass". Ein Nachteil dieser "Polymer-Dispersed Liquid Cristal"- kurz PDLC-Verglasungen ist aus energetischer Sicht, dass zur Erhaltung des klaren Zustandes der Scheibe eine elektrische Spannung angelegt sein muss und dabei laufend Strom verbraucht wird. Und billig sind sie auch nicht gerade: Das Privacy Glass kostete den Endkunden im September 2002 noch stolze 1.700 Euro pro Quadratmeter.

Schaltbare Fenster zum breiten Einsatz in Büro-Fassaden sind derzeit also nicht zu haben. Doch die Forschung und Entwicklung zeigt, wie solares Bauen auch im Detail Fortschritte macht, und dass zunehmend neue Möglichkeiten zur Planung energieeffizienter Gebäude und für die Integration von im weitesten Sinne solarer Technik entdeckt und umgesetzt werden.

BINE Informationsdienst Das komplette Themen-Info I/02 sowie weitere Informationen und eine ausführliche Linkliste können bei BINE abgerufen werden oder unter www.bine.info (Publikationen bzw. Service/InfoPlus). Die Broschüre entstand in Zusammenarbeit mit den Autoren Prof. Andreas Wagner (www.fbta.uni-karlsruhe.de) und Dr. Peter Nitz (www.ise.fhg.de).

Material und Bilder, soweit nicht anders angegeben: BINE Informationsdienst. Redaktion Solarserver: Rolf Hug.
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