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Glasfassaden prägen die moderne Architektur. Während im Winter die Sonneneinstrahlung zur Unterstützung der Heizung dient, heizt sich im Sommer das Gebäudeinnere auf und erfordert eine aktive Kühlung. Smarte Fenster mit speziellen Oberflächenbeschichtungen können die Sonneneinstrahlung entsprechend der Wettersituation regulieren – in Zeiten des Energiesparens eine zukunftsweisende Lösung.

Am Fraunhofer FEP gelang es nun, die weltweit erste thermochrome Schicht auf Dünnstglas in einem Rolle-zu-Rolle Verfahren zu fertigen. Die Ergebnisse können mechanische Jalousien überflüssig machen und gleichzeitig den Kühl- und Heizenergiebedarf eines Gebäudes reduzieren.

Bürokomplexe, öffentliche Gebäude und Neubauten sind zumeist architektonisch geprägt durch große, nach Süden ausgerichtete Fenster und Glasfassaden. Während im Winter die Sonneneinstrahlung zur Unterstützung der Heizung dient, heizt sich im Sommer das Gebäudeinnere auf und erfordert eine aktive Kühlung. Verschattungen durch z. B. Jalousien senken den Komfort und tragen im Winter nicht zur Nutzung des Wärmeeintrags im Gebäude bei. Besonders mit Blick auf die kommende Herbst- und Winterperiode verbunden mit den aktuellen staatlichen Vorgaben zur Energieeinsparung und der Energiekrise bieten smarte Fenster hier eine hochattraktive Lösung. Solche Fenster können den Wärmeeintrag der Sonnenstrahlung entsprechend der Wettersituation regulieren.

Beschichtungstechnologien für thermochrome und elektrochrome Schichten

Das Fraunhofer FEP forscht an Oberflächenbeschichtungen, die hier einen großen Beitrag leisten können und eine Verringerung der Wärmestrahlung durch Fensterglas ins Gebäude ermöglichen. Gemeinsam mit Projektpartnern arbeiten die Forschenden z. B. im EU-Projekt „Switch2Save“ an aktiven, smarten Schichtsystemen, die die Effekte der Elektrochromie (Schaltung des Energiedurchlasses durch Anlegen einer Spannung) und Thermochromie (Schaltung des Energiedurchlasses durch Über-/Unterschreitung einer Temperatur) nutzen. Solche elektrochromen Folien können in Isolierverglasungen eingesetzt werden und kommen nicht nur bei Neubauten zum Einsatz. Auch eine Nachrüstung von Bestandsgebäuden ist möglich und Gegenstand des frisch gestarteten Projektes „FLEX-G 4.0“.

Aktuell sind einige passive Technologien, wie SolarControl-Systeme und low-E Beschichtungen (low emissivity) bereits kommerziell am Markt erhältlich. Diese dünnen, auf Folie oder Glas hergestellten Schichten führen aber nur zu einer permanenten Anpassung des Energiedurchlassgrades. Sie funktionieren also nur in einer Einstellung, z. B. zur Verhinderung der Wärmeeinstrahlung im Sommer. Im Winter wird diese allerdings ebenso abgehalten. Zudem greifen sie im Herstellprozess unter anderem auch auf wertvolle Ressourcen wie Silber zurück. Der Fokus der FraunhoferForscher liegt daher auf der Optimierung der Eigenschaften und dem Ersatz solcher knappen Materialien.

Bei allen Technologien – ob passiv (low-E; SolarControl) oder aktiv (elektrochrom; thermochrom) – besteht die Herausforderung darin, den Spagat zwischen den verschiedenen Eigenschaften zu meistern, die gleichzeitig wirksam sein sollen: Spielen der optische Eindruck und die optische Wirksamkeit in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen die größere Rolle oder ist dies vernachlässigbar gegenüber einem großen Energiedurchlassgrad. Ebenso sind die Spanne der Schalttemperaturen bei thermochromen Schichten und natürlich auch die Herstellkosten zu berücksichtigen.

Um vielseitige und neue Lösungen hierfür zu finden, entwickeln die Forschenden am Fraunhofer FEP aktuell Beschichtungstechnologien für thermochrome Elemente auf Dünnstglas. Das Substratmaterial mit einer Dicke von ca. 100 µm stellt hohe Anforderungen an das Handling und die Skalierung auf größere Flächen gestaltete sich bislang als sehr schwierig. Gleichzeitig ist aber der Einsatz einer Polymerfolie als alternatives Substrat, die das Handling erleichtern könnte, nicht ohne weiteres möglich. Grund hierfür sind die hohen Temperaturen von einigen 100 °C im Herstellungsprozess.

Erste thermochrome Schichten auf Dünnstglas im Rollezu-Rolle Prozess weltweit

Visueller Vergleich zwischen einer thermochromen Beschichtung (mittig) und unbeschichtetem Glas Anfang 2022 ist es den Forschenden am Fraunhofer FEP gelungen, die weltweit erste thermochrome Schicht basierend auf Vanadiumdioxid auf Dünnstglas mit der effizienten Rollezu-Rolle-Technologie zu fertigen. Dr. Cindy Steiner, Gruppenleiterin am Fraunhofer FEP, freut sich: „Damit haben wir einen wichtigen Schritt in der Skalierung der Technologie vom Labor- auf einen Pilotmaßstab mit unseren Rolle-zu-Rolle-Anlagen geschafft! Die thermochromen Schichten verändern ihre Transmission im Infrarotbereich bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur. Die Transmission im sichtbaren Bereich bleibt unverändert. Der Nutzer bemerkt so keine optische Veränderung am Fenster und hat keine Einschränkungen im Lichtkomfort oder der Sicht. Damit wird im Sommer Wärmeeinstrahlung effektiv blockiert, was die Notwendigkeit von Klimaanlagen senkt. Im Winter wird die Wärmeeinstrahlung der Sonne durchgelassen, was zu Einsparungen im Heizenergieverbrauch führt.“

Die Schalttemperatur liegt bei ca. 20 °C, was bedeutet, dass das thermochrome Dünnstglas angebracht an Gebäuden zwischen transmittivem und reflektivem Zustand umschaltet, wenn es über 20 °C warm wird. „Diese Schalttemperatur lässt sich entsprechend der klimatischen Anforderungen einstellen durch die Zusammensetzung, die Prozessführung und den Aufbau des Schichtsystems.“ ergänzt Dr. Steiner.

Im nächsten Schritt soll die Technologie skaliert und zur Marktreife geführt werden. Forschungsgegenstand sind insbesondere die Optimierung des Substrathandlings, die Langzeitstabilität und die Einstellung der erforderlichen Schalttemperatur.

Die Kombination der hier vorgestellten Technologien macht so künftig mechanische Jalousien überflüssig und kann den Kühl- und Heizenergiebedarf eines Gebäudes zwischen 10 und in Extremfällen bis zu 60 % reduzieren.

Aktuell wird in den Forschungsvorhaben Switch2Save unter dem Projektnamen „Lightweight switchable smart solutions for energy saving large windows and glass facades“ noch bis Ende September 2023 sowie FLEX-G 4.0 unter dem Projektnahmen „Technologien für innovative schaltbare Folien als Nachrüstlösung für energiesparende Fenster und Glasfassaden“ noch bis Ende Juli 2026 an energiesparenden Fensterschichten geforscht. Fördergeber sind die EU sowie für FLEX-G 4.0 das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.

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