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Die Sonne als Energiequelle und Wohlfühlfaktor besser nutzen

Das Forschungsgebäude NEST in Dübendorf hat Zuwachs erhalten: In der neuesten Unit SolAce geht es darum, Sonnenlicht als Energieträger und als Komfortfaktor besser zu nutzen. Forscher der ETH Lausanne testen zu diesem Zweck neue Technologien, die kurz vor dem Durchbruch stehen.

Leonid LeivaLeonid Leiva4-5 min

Das Forschungsgebäude NEST in Dübendorf besteht aus in der Regel bewohnten Modulen, Units genannt, in denen verschiedene Fragestellungen des nachhaltigen Bauens bearbeitet werden. Im vergangenen März begannen die Bauarbeiten für die neueste Unit, die unter dem Namen SolAce der Erforschung neuer Technologien zur Nutzung von Solarenergie an der Gebäudehülle und zur optimierten Nutzung von Sonnenlicht als Komfortfaktor gewidmet ist.

«Sonnenlicht hat diese zwei, oft im Konflikt stehenden Dimensionen: einmal als Energieträger und einmal als Komfortgrösse», sagt Enrico Marchesi, Innovation Manager des NEST. In SolAce soll unter anderem dieser Zielkonflikt mit Hilfe neuartiger Lösungen aufgelöst werden. SolAce ist ein zum gleichzeitigen Wohnen und Arbeiten konzipiertes Modul. Mit seiner Fertigstellung und Eröffnung am 24. September 2018 bietet es 4 Arbeitsplätze sowie Raum für 2 Bewohner bieten. Die Unit soll energetisch selbsttragend sein, also über den Jahresverlauf eine Null-Energie-Bilanz aufweisen.

Ein Schwerpunkt liegt zudem auch auf dem ästhetischen Anspruch an die Fassade. Die eingesetzten Technologien sollen sich dezent in ein harmonisches Fassadenkonzept eingliedern und damit aufzeigen, dass hoch integrierte Solarfassaden und architektonischer Stil nicht im Widerspruch stehen müssen.

Sinus-Lamellen für visuellen Komfort

Für ein angenehmes Ambiente und minimale Blendeffekte sorgen in der neuen NEST-Einheit geschwungen geformte Lamellenstoren, die das Sonnenlicht aufgrund ihrer Form an die Decke lenken. Die mit Verstellbändern verbundenen Lamellen aus Metall können bei Bedarf ohne grosse Geräuschentwicklung ganz dicht geschlossen werden. Die Beleuchtungsverhältnisse werden rund um die Uhr in Echtzeit von einem neuen Blendsensor aufgezeichnet, der an der ETH Lausanne (EPFL) entwickelt wurde. Der spezielle Fühler sei nötig, weil gewöhnliche Lichtsensoren zwar die Helligkeit oder Lichtstärke messen, nicht aber das Ausmass von Blendeffekten, die den visuellen Komfort beeinträchtigen, wie Marchesi erläutert. In SolAce wird die störende Blendung aus der Perspektive einer am Schreibtisch sitzenden Person beurteilt.

Saisonal anpassbare Verglasung dank Mikrospiegeln

Ganz ohne Storen sorgt eine weitere Innovation für Sonnenschutz und Behaglichkeit. Konkret wird in der SolAce-Unit eine effizientere Aufnahme und Lenkung von Sonnenwärme und Tageslicht durch eine zukunftsweisende Verglasung erprobt. Forscher des Labors für Solarenergie und Bauphysik der EPFL unter der Leitung von Andreas Schüler haben eine aus unsichtbaren Mikrospiegeln bestehende Folie entwickelt, die Tageslicht je nach Saison und Sonnenstand gezielt entweder in die Tiefe von Innenräumen oder nach aussen lenkt. Die Mikrospiegel werden mit einem Laser in eine Folie eingraviert, die anschliessend auf die Glasscheibe laminiert wird. So schützt die Verglasung im Sommer vor Überhitzung und erhöht im Winter hingegen den Sonnenlichteintrag. Diese saisonale Anpassungsfähigkeit wirkt sich nicht nur auf den Komfort in Wohnräumen und an Arbeitsplätzen positiv aus. Sie hilft ebenfalls, den Energiebedarf für die Kühlung im Sommer und für Heizung und Beleuchtung im Winter zu senken. Jährliche Energieeinsparungen von bis zu 20 % sind so gemäss den Forschern möglich. 

Farbige Module sollen Verbreitung von Solarenergie begünstigen

Die Fassade von SolAce soll zudem dank eingebauter Photovoltaikanlage und Solarkollektoren Strom und Warmwasser produzieren. Das Besondere an diesen Solarmodulen: Sie sind dank einer speziellen Kombination von Nanobeschichtungen gefärbt. Die Nanoschichten kontrollieren die Farbe des Lichts, das reflektiert wird und somit unser Auge erreicht. Die Färbung kommt also ohne absorbierende Farbstoffe aus. 

Durch Pigmente gefärbt sind hingegen die Farbstoff-Solarzellen aus der ETH Lausanne, bei denen die Absorption des Lichts dem Prinzip der Photosynthese von Pflanzen nachempfunden ist. Entsprechende Module sind rahmenlos und können zu grossflächigen Scheiben zusammengefügt werden. Die beinahe nahtlose, blau-grün gefärbte Verglasung präsentiert sich dem Betrachter so, dass die eingebauten Solarmodule je nach Blickwinkel unbemerkt bleiben. 

Farbige Solarmodule sind eine relativ junge Innovation, die den Architekten und Planern grössere Gestaltungsmöglichkeiten bei gleichzeitiger Nutzung der vorhandenen, erneuerbaren Energieressourcen eröffnen. Obwohl die Farbgebung den Wirkungsgrad der Anlagen reduziert (das heisst, sie produzieren weniger Strom bei gleicher Solareinstrahlung), rechnen sich die Erfinder der Technik Vorteile aus, da insgesamt die globale Solarproduktion dank mehr installierter Anlagen steige. Denn dank grösserer Farbauswahl würden neue, bisher aus ästhetischen Gründen ungenutzte Fassadenflächen auch Solarstrom und -wärme erzeugen.

Zirkadiane Beleuchtung simuliert Tageslicht

Schliesslich wird in der SolAce-Unit auch die Wirkung von sogenannter zirkadianer Beleuchtung auf die Bewohner untersucht. Zirkadiane künstliche Beleuchtung simuliert den Tagesverlauf von natürlichem Licht, indem sich die Lichtfarbe mit der Tageszeit ändert. So wie Sonnenlicht am frühen Morgen und am Abend grössere Rotanteile aufweist, um die Mittagszeit dafür bläulicher erscheint, so passt sich die zirkadiane Beleuchtung in ihrer Färbung der jeweiligen Tageszeit an.

Erst um die Jahrtausendwende wurde entdeckt, dass die Farbe des Lichts eine biologische Wirkung hat, die den Wach-Schlaf-Rhythmus über die Ausschüttung von Hormonen steuert. Seitdem versuchen Hersteller von Leuchten, unter dem Schlagwort «Human Centric Lighting» (zu Deutsch: menschenzentrierte Beleuchtung) ihre Produkte mit einer dynamischen Anpassung der Farbe auszustatten.

Im Forschungsgebäude NEST (Next Evolution in Sustainable Building Technologies) der eidgenössischen Forschungsanstalten Empa und Eawag bekommen Hochschulforscher, Architekturbüros und innovative Firmen eine Plattform zur Verfügung gestellt, um unter anderem die Entwicklung energieeffizienter Lösungen für den Gebäudebereich in einem realitätsnahen Umfeld zu testen. Der Fokus liegt auf Technologien und Innovationen, die kurz vor der Kommerzialisierung stehen. Deren technische Reife bekommt im NEST die letzten Schliffe.  

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Kommentare

  • Erich Chiavi

    10.11.2018 19:04:01

    Als Physiologe beschäftige ich mich mit dem Umfeld des Menschen,
    dazu gehört Licht, künstliches- und natürliches Licht am Arbeitsplatz.
    Die Reflexion von natürlichem Licht während der Sommerzeit bei geschlossenen Rollläden in die Innenräume verlang arbeiten mit künstlichem Licht, was das Auge äusserst stark ermüdet und massive Fehler bei der Ausführung von Projekten entstehen. Es wäre wünschenswert das Licht via Decke auf den Arbeitsplätze reflektieren lassen. Gerne bin ich bereit Sie mit Ideen zu unterstützen.

  • Energie-Experten

    10.12.2018 12:46:18

    Sehr geehrter Herr Chiavi
    Gerne nehmen wir nach Rücksprache mit der Empa und EPFL zu Ihrem Kommentar Stellung. Ihre Besorgnis trifft in keinster Weise auf die Einheit SolAce zu. Während Blendenverschlüsse das Tageslicht in einem Raum vollständig blockieren können, wenden Jalousien (insbesondere die in diesem Fall verwendeten Sinus-Lamellen) nur die direkte Strahlung ab, während diffuses Licht immer noch in den Raum eintreten und diesen erhellen kann. Ausserdem ist der Tageslichtbereich der Fenster mit einer Art mikrostrukturierter Spiegel ausgestattet, die den Grossteil des diffusen Lichts durchlassen. Für die Einheit SolAce besteht also absolut keine Gefahr von «Lichtausfall» und daraus resultierender Ermüdung für die Bewohner/innen. Dies kann jeder Interessent und jede Interessentin bei einem Besuch der Empa in Dübendorf selbst vor Ort erleben und überprüfen.
    Freundliche Grüsse
    Ihre Energie-Experten