Elektrooptische Fenster: Energiewandler und Energieerzeuger

Fenster waren früher einfache Öffnungen in Gebäuden und Räumen, die durch ihre Größe, Orientierung und Lage Tageslicht und Sonnenwärme in den Raum ließen und Lüftung und Kommunikation ermöglichten. Schon bald wurden die Fensteröffnungen mit Rohrmatten, Gittern, Läden oder Vorhängen geschlossen. In der Antike hatten Fenster transparente Einsätze aus Spiegelstein, Mondstein oder auch schon Glas. In anderen Kulturen wurden Papier oder dünngeschälte Tierhäute eingesetzt. Dies sollte den Nachteil einer freien Öffnung vermindern, der zu starke Sonneneinstrahlung, Wärmeverlust, Zugluft und auch Einblick von außen ermöglichte.

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Fenster waren einfache und handwerkliche Gebilde, die mehr oder weniger technisch durchkonstruiert waren. Heute sind Fenster standardisierte, vorproduzierte Architekturelemente, die Raum- oder Gebäudeöffnungen abschließen, und Beleuchtung und Belüftung gewährleisten sollen. Dazu werden in Rahmen transparente, teiltransparente Flächen eingesetzt aus Glas oder Kunststoffen, sie werden beweglich angeordnet zur Belüftungssteuerung, gleichzeitig benötigen sie eine hohe Wärmedämmung, um in unseren Breiten die Auskühlung der Räume, und einen guten Sonnenschutzfaktor, um übermäßige Sonneneinstrahlung zu verhindern.

Die daraus resultierenden widersprüchlichen Anforderungen machen Fenster zu einem energetisch schwierigen, aber auch interessanten Bauteil. Deshalb ist kaum ein Fenster nur noch mit Einfach- oder Doppelverglasung ausgestattet, sondern Dreifachwärmeschutz- und Sonnenschutzglas ist heute Standard und Bauregelvorschrift.

Noch etwas ist zu erkennen: Fenster sind heute vielfältig mit vorgesetzten

- Lichtleit- und Lichtlenkelementen
- Sonnenschutzvorrichtungen jeder möglichen Art
- Rolläden und Wärmeschutzelementen
- Aperturvergrößerungen und/oder -verkleinerungen
- oder in der Fensterebene liegenden Sonnenschutzrollos, Verschattungslamellen
- oder innenliegendem Sonnenschutz- und Verdunkelungsanlagen

verbessert worden, um die offenbaren Nachteile der temporären übermäßigen Licht- und Wärmedurchlässigkeit, aber auch der Lichtminderung und Einblicksmöglichkeiten - der Störung von Privatheit - zu vermindern.

Die einfache Frage an dieser Stelle lautet:

Sind Fenster trotz eines sehr hohen technischen Standes noch nicht perfekt - oder sind die Nutzeransprüche noch nicht ausreichend erfüllt?

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Zwei Trends sind zu bemerken:

- die Eingliederung von Sonnenschutzanlagen, Lichtlenkung, Verdunkelung etc. in das Fenster, die sogenannte Fensterintegration in die Raumöffnungsbaugruppe,
- desweiteren die Fensterautomation durch mechanisch-motorische Baugruppen, die Fenster öffnen und schließen, Sonnenschutz und Verdunkelungen auf- und abrollen, also eine Art Handhabungsautomation, vielfältig durch Sensorik und EIB-Bussysteme, LANs oder LONs bis hin zur Telekommunikation und Internettechnik intelligent verknüpft und automatisiert.

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Sind die letzten Entwicklungsrichtungen aber schon die Technologie von morgen - hin zum intelligenten Fenster,

- das energetisch autoeffizient und ergonomisch nutzeroptimal funktioniert und architektonische Innovationen eröffnet?

Nein - denn neue Werkstoffe sind der Schlüsselbegriff für Fensterinnovationen von morgen.

Am Anfang dieser neuen Fenstergeneration standen Gläser und transparente Kunststoffe, die durch Einwirkung von UV-; VIS-, IR-Strahlung und Wärme eine spektrale Veränderung erfahren und z. B. besonderen Sonnenschutz ermöglichen. Es waren die autovariablen physikalischen, genauer gesagt optischen Effekte

- Photochromie und Phototropie
- Thermochromie und Thermotropie

die eingesetzt wurden. Von diesen ist im Moment kaum noch die Rede, denn der große Nachteil war die Abhängigkeit von Umwelteinflüssen, speziell der Temperatur, Alterung und Luftverschmutzung. Die schwer beherrschbare Zeitkonstante, also der Timelag der Variation, und als wichtigster Punkt die mangelnde Steuerbarkeit der optischen Effekte. Ein großer Vorteil: Es war kein zusätzlicher Energieaufwand nötig, also fielen keine Energiekosten und damit keine Umweltbelastung an.

Nunmehr im Blickpunkt sind

- die Elektrochromie, EC-Technik und die Elektropolarisation, eine LC-Technik.

An elektrochromen Werkstoffen wird vielerorts intensiv geforscht und entwickelt, ebenso an elektropolarisierenden LC-Werkstoffen - Flüssigkristallen.

Ist das Fenster der Zukunft also ein elektrooptisches Fenster?

Grundsätzlich ist ein Fenster ohnehin ein optisches Bauelement mit Kombinationen aus planparallelen optischen Platten aus Glas oder Polymeren, das sich mit den Gesetzen der Optik beschreiben und berechnen und optimieren lässt.

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Diese Deutung mag vielleicht überraschen, aber ständig werden in der Praxis optische Begriffe wie Reflexion, Absorption, Transmission, Interferenz, Beugung und Polarisation verwandt und neuerdings auf holografischer Basis Gläser eingesetzt.

Allerdings ist ein Fenster normalerweise kein optisch abbildendes System, dies könnte sich aber bald ändern.

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Ein Fenster als elektrooptisches System zu betrachten ist sicher neu, aber aufgrund der Entwicklung begründet und notwendig. Dabei ist Elektrooptik einerseits die optische Variation eines transparenten Bauteils zur Strahlungsbeeinflussung durch gezielte Einwirkung von Elektrizität, und andererseits die Elektrizitätserzeugung durch gezielte Einwirkung von optischer Strahlung auf ein transparentes oder semitransparentes Bauteil, womit Energieumwandlung und Energieerzeugung im elektrooptischen Fenstersystem möglich sind.

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Einige Beispiele:

Interessante Entwicklungen im Bereich der Fenstergläser sind die elektrooptischen schaltbaren Systeme für Sonnenschutz- und Tageslichtarchitektur. Eine Möglichkeit ist dabei ein Verbundsicherheitsglas mit zwei Scheiben und integriertem LC-Film. Dieser Film ist beidseitig mit einer transparenten elektrisch leitfähigen Metalloxidschicht versehen. Das Prinzip besteht in Flüssigkristallen, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung aktiviert werden. Auf Knopfdruck ordnen sich die Kristalle so an, dass die Scheibe völlig transparent und durchsichtig wird. Wenn das Glas dagegen keiner elektrischen Feldstärke unterworfen ist, sind die im Filme eingebetteten Flüssigkristalle ungeordnet. Jetzt ist es zwar lichtdurchlässig, aber milchig-weiß und undurchsichtig. Der Übergang vom opaken zum transparenten zustand erfolgt unmittelbar und kann beliebig oft wiederholt werden. Bereits im opaken Zustand verfügt das Glas über eine Lichtdurchlässigkeit von 74,6 %, bei Transparenz erhöht sie sich noch leicht auf 75 %. Bei neueren Entwicklungen ist die Einstellung von Farben möglich, wobei die Wärmeempfindlichkeit der Flüssigkristalle noch den weiteren Einsatz hemmt. Zum Schalten können alle handelsüblichen Schaltsysteme verwendet werden. Auch Zeitschalter, Fernbedienungen, Fotosensoren oder Bewegungsmelder können zum Einsatz kommen.

Mit den elektrochromen Gläsern wird der Licht- und Solarenergieeinfall in weiten Grenzen steuerbar. Nach einer langen Experimentier- und Entwicklungsphase sind heute anwendbare Fenster- und Fassadenmodule lieferbar. Damit lässt sich die Verglasung den im Tages- und Jahresverlauf wechselnden äußeren Bedingungen hinsichtlich Energieeinsparung und Nutzerkomfort jeweils ideal anpassen. Schwache elektrische Spannungsimpulse - kleiner/gleich drei Volt - regulieren bei dem mit Wolfram beschichteten und mit einer leitfähigen Polymerfolie versehenen Isolierglasaufbau die Licht- und Wärmedurchlässigkeit. In der kälteren Jahreszeit oder bei geringer Sonneneinstrahlung lässt sich durch die maximale Aufhellung der Gläser der Einsatz künstlicher Beleuchtung reduzieren. Zudem ist die gesamte Sonnenenergiedurchlässigkeit regelbar. Bei starker Sonneneinstrahlung wird die Überhitzung des Raumes vermieden und störende Blendwirkung und Reflexion am Arbeitsplatz vermindert. Dadurch reduziert sich die energetische Kühllast. Ein weiteres Sonnenschutzsystem, wie zum Beispiel Jalousien, ist nicht erforderlich, ebenso entfallen die damit verbundenen Wartungsarbeiten. Der Prozess der Transmissionsänderung von der hellsten bis intensivsten Einstellung dauert bei einer Scheibengröße von 90 x 200 Zentimetern zwölf Minuten. Er verläuft lautlos und langsam und entzieht sich damit der Aufmerksamkeit der Raumnutzer. Dabei bleibt die freie Durchsicht stets erhalten.

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Im Verhältnis zu den möglichen Energieeinsparungen durch Minderung des Klimatisierungs- und Beleuchtungsbedarfs ist der Energieverbrauch der elektrochromen Gläser vernachlässigbar, denn sie benötigen lediglich zum Ändern der Transmissionseinstellung eine geringe elektrische Spannung, die dann auch photovoltaisch gewonnen werden kann.

Da bei elektrochromem Glas der Sonnenschutz variabel ist, ergibt sich seine Leistungsfähigkeit auch dem Vergleich seiner Lichttransmission im aufgehellten mit der Energietransmission im eingefärbten Zustand. Das Maß hierfür ist die dynamische Selektivität. Hierbei erzielt man Werte über 4. Die große Transmissionsvariation bedingt die einzigartigen variablen Sonnenschutzeigenschaften. Während ihrer Einfärbung verschiebt sich das transmittierte Strahlungsmaximum. Dadurch färbt sich das elektrochrome Glas zum Blauen hin, was eine Farbtemperaturanhebung bedeutet.

Bei der Installation wird eine elektrische Zuleitung zu jeder Scheibe benötigt, da jede von einem separaten Steuergerät geregelt wird. So lässt sich prinzipiell jedes Glas individuell einstellen. Praxisnäher scheint dir Gruppensteuerung für mehrere Fenster, die die Einzelsteuerungen und damit die Einfärbung synchronisiert. Der ökonomisch beste Weg zur Energieeinsparung und damit Energieoptimierung im Gebäudehaushalt lässt sich jedoch durch die Integration der elektrochromen Verglasung in ein Bussystem im LON-Netzwerk erreichen.

Der Nachteil der elektrooptischen Variation von Fenstersystemen liegt sicherlich im Bedarf an Energie, speziell elektrischem Strom. Da dieser im Prinzip jedoch besonders dann in Hülle und Fülle zur Verfügung steht, wenn z. B. ein elektrochromes Fenster sich verdunkeln soll, können in der Fensterebene transparente oder teiltransparente Photovoltaikmodule zum Einsatz kommen, die durch Strahlungswandlung elektrischen Strom erzeugen.

Elektrooptische Fenster verlassen also den ihnen bisher überwiegend zugewiesenen Bereich der passiven Solarenergienutzung und ermöglichen aktive Solarenergienutzung zum Eigenverbrauch des Systems, aber auch zur Abgabe an externe Verbraucher.

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Von allen Solartechniken wird der Photovoltaik das größte Anwendungspotential vorhergesagt, vor allem bei steigendem Wirkungsgrad der PV-Elemente oder -Module und der Möglichkeit, transparente flexible PV-Folien zu entwickeln. Desweiteren ist der kombinierte Einsatz

- als Stromerzeuger und Verschattungselement
- oder kombiniert als Lichtlenk- und -leitelement

besonders interessant, da mehrfach Energieausbeuten erfolgen können.

Der Energieeintrag in einen Raum bei solarer Einstrahlung wird näherungsweise berechnet. Im Sommerfall muss diese Energie [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

die sich in Temperaturerhöhungen umsetzt, teilweise vernichtet werden durch Kühlung und Lüftung. Wird nun ein transparentes Solarelement vorgeschaltet, das g = 0,8 um den Faktor 5 reduziert durch seine verminderte Transmission, wird die Kühllast auf 16 % reduziert.

- Es tritt dadurch schon eine passive Solarkühlung ein, so dass verringerter Energieeintrag in ein Fenster erfolgt.

Gleichzeitig erzeugt das PV-Modul bei einem angenommenen Wirkungsgrad h pv » 15% etwa 120 W/m² elektrische Leistung. Dieser Energiebeitrag steht nun für andere Zwecke zur Verfügung, beispielsweise zur Versorgung eines Elektrooptik-Fensters.

Das von einem Photovoltaik-Fenstersystem gewonnene und eingesparte Energieäquivalent besteht nun in Solarkühlung = Energieeinsparung und Solarstrom = Energiegewinn

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wenn Sonnenschutzfläche und PV-Fensterfläche gleich sind.

Es sind also » 500 W/m² gewonnene und eingesparte Energie, die bilanziert werden können. Dazu kommt, da noch 20 % Strahlungsdurchgang erfolgen, nach wie vor eine Belichtung des Raumes durch Tageslicht. Solche kombinierten Elektrooptik-Fensterelemente können demnach bei Einbezug der Belichtung der Räume relativ hohe Wirkungsgrade erreichen, die ihren Einsatz im Sommerfall hochinteressant machen.

Die bilanzierte Kühllasteinsparung ist natürlich nur umzusetzen, wenn die Räume tatsächlich gekühlt werden müssten, wie dies in Bürogebäuden im Sommer der Normalfall ist, kaum jedoch im Wohnbau. Der gesamte solare Energiegewinn durch Tageslicht, PV-Strom und Solarwärme kann ebenfalls nur bilanziert werden, wenn diese Energie abgenommen und verwendet wird.

Gegenüber einem reinen Sonnenschutzfenster, das energetisch lediglich Kühllasten vermeiden hilft, die für Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen angesetzt werden, erbringen kombinierte elektrooptische Fenster zusätzliche echte Solarenergiegewinne.

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Den höchsten Wirkungsgrad von etwa15 % erreichen die monokristallinen Zellen. Sie haben eine homogene Oberfläche und sind in der Regel schwarz, also im Fenster nicht einsetzbar. Etwa 14 % Wirkungsgrad habe die poly- bzw. multikristallinen Zellen. Sie zeigen eine lebhafte, blauschimmernde Kristallstruktur und sind für teiltansparente Dächer geeignet.

Die größten Zellenflächen werden mit amorphen Zellen erreicht. Die Aufdampfung des Siliziums auf Glasscheiben im Format 600 x 1000 mm erfolgt im Vakuum. Es gibt sie in den Ausführungen opak, lichtundurchlässig und semitransparent mit 12 % Lichtdurchlässigkeit. Amorphe Zellen erreichen einen Wirkungsgrad von ca. 5 %. Die auf kristallinen Zellen sichtbaren metallischen Leiterbahnen dienen der Aufnahme und Weitergabe des gewonnenen Stroms.

Die Weiterentwicklung der PV-Technik zielt zur Zeit vor allem auf die Verbesserung des Wirkungsgrades. Unterschiedliche Verlustmechanismen setzen diesem Vorhaben aber Grenzen. Grundsätzlich sind die einzelnen Halbleitermaterialien oder -kombinationen nur für bestimmte Spektralbereiche des einfallenden Lichtes geeignet. Ein bestimmter Anteil der Solarenergie kann also nicht genutzt werden, weil die Lichtquanten (Photonen) nicht über ausreichende Energie verfügen, um Ladungsträger aktivieren zu können. Die nutzbaren Wellenlängen gehen bis etwa 1100 nm, umfassen also etwa 70 bis 80 % des Solarspektrums. Für die Fenstertechnik besonders interessant sind transparente PV-Folien, die auf Glas aufgebracht werden können oder auf Rollstrukturen wie Rollos im Fenster.

Gebäude aller Art werden künftig immer mehr als komplexe Systeme gesehen, die aus einzelnen Subsystemen bestehen. Kennzeichen eines Systems oder Subsystems ist, dass es aus Komponenten und der Systemstruktur besteht, und in ihm Prozesse ablaufen - entweder gesteuert oder geregelt. Desweiteren hat das System Eingänge, Ausgänge und Systemgrenzen zu anderen Systemen. Auf das System können Störungen durch seine Grenzen einwirken oder Störungen von ihm auf andere Subsysteme ausgehen. Arbeiten nun lokal voneinander isolierte Subsysteme in einem Gebäude zusammen, so können sich diese gegenseitig beeinflussen, was bis zur Unwirksamkeit einzelner Subsysteme oder des gesamten Gebäudesystems führen kann.

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In einem Arbeitsraum kann durch ein automatisch gesteuertes Sonnenschutzfenster, wenn es durch den Sonnenwächter aktiviert wird, folgender Effekt eintreten:

- der Raum wird abgedunkelt, da der Lichteintrag vermindert wird;
- die Raumbeleuchtung schaltet sich automatisch ein, wenn eine Lichtsensorsteuerung vorhanden ist;
- da der Raum nun abkühlt, spricht möglicherweise die Raumheizung thermostatgesteuert an;
- es wird sofort elektrischer Strom zusätzlich verbraucht und zeitverzögert wird Wärmezufuhr benötigt.

Obwohl also von außen enorme Solarenergie auf das Raumsystem einwirkt, wird gerade dadurch im System immer Energie benötigt und verbraucht. Eine Stufe dieser unterschiedlichen Systeme ist nun die Integration in ein Informationssystem, das unterschiedliches Systemverhalten aufeinander abstimmt, um z. B. eine bestimmte thermische und optische Behaglichkeit für den Nutzer im Raum zu erreichen.

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Verhalten sich aber diese Systeme schon energieminimal durch die Verknüpfung der Informationsprozesse? Oder sogar ökologisch oder wirtschaftlich optimal? Sicherlich nicht, denn dafür sind sie nicht integriert konstruiert trotz gegenseitiger informatorischer Abstimmung. Erst die komplementäre Zusammenfassung der Einzelfunktionen und Komponenten

- Photovoltaik
- Tageslichttechnik
- Sonnenschutztechnik

in integrierten Gesamtfunktionen in einer

- Fensterintegration

erlaubt es, die Systemgrenzen zu erweitern und bisherige Suboptimalität zu einer Systemoptimierung hinsichtlich bestimmter Ziele wie Energieverbrauch, Wirtschaftlichkeit und Ökologie auszubauen - dies wird die Anwendung der Elektrooptik im Fenstersystem fördern, und zuerst den Objektbereich, dann weitere Anwendungen umfassen.

Bisher war ein Fenstersystem eine isolierte Komponente eines Gebäudes, das lediglich die Aufgabe erfüllte, Tageslicht in das Gebäude zu lassen und Lüftung zu ermöglichen. Morgen ist das Fenster ein optisches und klimatologisches und vielleicht auch ein informatorisches Bauteil - als Bildwandler und multimedialer Bildschirm.

Viele Industrie- und Forschungsgruppen arbeiten an dieser faszinierenden Fenstertechnik, und auch der Anwender und Nutzer wird von den Elektrooptik-Effekten begeistert sein.

Stand: November 2001

Literatur:

Bäckmann, R.: Sonnenschutz I/II/III. Kleffmann Verlag, Bochum