Schaltbare Flüssigkeiten verbessern Energieeffizienz von Gebäuden

Materialforscher des OSIM entwickeln intelligente Fenster, die sich auf Knopfdruck verschatten sowie zur solar­ther­mi­schen Wärmegewinnung nutzen lassen

Stand: 16.01.2018 - 10:35

Klimaschutz und die Verringerung von Kohlendioxidemissionen stehen seit Jahren weltweit ganz oben auf der politischen Agenda. National wie international werden deshalb Forschungs- und Entwicklungsprojekte durchgeführt, die auf die Verbesserung der CO2-Bilanz unterschiedlichster Prozesse abzielen. Neben besonders energie­intensiven Industrie­zweigen gehört dabei vor allem der Gebäude­sektor - vom Einfamilienhaus über Produktions- und Lagerhallen bis zu kommerziell genutzten Gebäuden - zu den größten Schadstoff­emittenten. Rund 40 Prozent des Energie­bedarfs sind innerhalb der EU auf das Heizen, Kühlen, Belüften und Beleuchten von Gebäuden zurück­zuführen.

Diesem Problem widmet sich auch das an der Friedrich-Schiller-Universität Jena beheimatete Forschungsprojekt LaWin (Large-Area Fluidic Windows), dessen jüngste Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Advanced Sustainable Systems" vorgestellt werden. In dem Beitrag "A Large-Area Smart Window with Tunable Shading and Solar-Thermal Harvesting Ability Based on Remote Switching of a Magneto-Active Liquid" präsentieren Jenaer Materialwissenschaftler den Prototypen eines schaltbaren Fensters, das sich auf Knopfdruck selbst verschatten und zur solarthermischen Wärmegewinnung nutzen lassen kann. Überdies wurde das Thema für die Gestaltung des Titelblatts des Journals ausgewählt (DOI: 10.1002/adsu.201700140).

Flüssigkeiten in Fenstern und Fassaden

"Kernthema unseres Projektes ist die Nutzung von Flüssigkeiten in Gebäudehüllen, zum Beispiel als Wärmeträger oder um zusätzliche Funktionen in Fenster und Fassaden zu integrieren", erläutert Prof. Dr. Lothar Wondraczek, Koordinator des Projektes. "Dafür entwickeln wir neuartige Glaswerkstoffe, in die sich großflächige Kanalstrukturen integrieren lassen. In diesen Kanälen zirkuliert dann eine für die jeweilige Anwendung geeignete Flüssigkeit."

Im neusten Prototypen wird die Flüssigkeit mit kleinsten magnetischen Eisenpartikeln angereichert, die sich mit Hilfe eines Magnets herausziehen oder, durch Abschalten des Magnets, wieder zuführen lassen. "Abhängig von der Menge der in der Flüssigkeit enthaltenen Eisenpartikel nimmt die Flüssigkeit einen unterschiedlich starken Grauton an oder färbt sich komplett schwarz", erklärt Wondraczek. "So wird das Fluidikfenster unterschiedlich stark abgedunkelt. Zusätzlich wird einfallendes Sonnenlicht zunehmend stark absorbiert, wodurch sich die Flüssigkeit erwärmt." Der erzielbare Wärmegewinn pro Fläche sei vergleichbar mit dem üblicher solar­thermi­scher Anlagen. "Und im Gegensatz zu herkömmlichen Solar­thermie­anlagen können diese Systeme sehr einfach in die vertikale Fassade integriert werden", sagt der Material­forscher. Das Schalten - also das Zu- oder Abführen der Partikel in die Flüssigkeit - erfolgt dabei in einem separaten Tank. Ein elektrischer Anschluss am Fenster ist anders als in bisherigen Techno­logien nicht nötig.

Funktion als Klimaanlage, Verschattung und Warmwasseraufbereitung

"Der Vorteil großflächiger Fluidik­fenster besteht vor allem darin, dass sie Klima­anlagen, Verschat­tungs­systeme und beispiels­weise die Warm­wasser­aufberei­tung in einem ersetzen können", hebt Lothar Wondraczek, der an der Uni Jena den Lehrstuhl für Glaschemie innehat, hervor. Hierfür sei die Entwicklung entspre­chender groß­formatiger Glas­bauteile zu möglichst niedrigen Kosten der Schlüssel. Die Gläser müssen einerseits die Kanäle enthalten, andererseits über die gesamte Lebens­dauer eines Gebäudes unver­ändert stabil bleiben und sich zudem mit geringem Aufwand in herkömmliche Rahmen von Zwei- oder Dreifach­vergla­sungen integrieren lassen. Dass die drei Aspekte erfüllt werden, konnte das Forschungs­konsortium anhand von Proto­typen mit einer Gesamt­fläche von rund 200 Quadrat­metern demon­strieren.

Das mit 5,9 Millionen Euro von der Europäischen Union im Rahmen ihres Horizon-2020-Programms über den Zeitraum von 2015 bis Ende 2017 geförderte Projekt widmet sich innovativen Materialien für intelligente Fenster- und Fassaden­systeme. Weitere 2,2 Millionen Euro steuerten insgesamt elf beteiligte Industrie­partner bei. Nach dem Ende der ersten Förder­phase ist in diesem Jahr die Kommer­ziali­sierung erster Anwen­dungen geplant.

Original-Publikation:

Benjamin Heiz, Zhiwen Pan, Lingqi Su, Si Thien Le, Lothar Wondraczek (2017): A Large-Area Smart Window with Tunable Shading and Solar-Thermal Harvesting Ability Based on Remote Switching of a Magneto-Active Liquid, Advanced Sustainable Systems, DOI: 10.1002/adsu.201700140.


Quelle: idw - Informationsdienst Wissenschaft (16.01.2018)

Bild: Einen Prototyp des innovativen selbstverschattenden Fensters präsentiert Doktorand Benjamin Heiz aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Lothar Wondraczek.
Foto: Jan-Peter Kasper/FSU