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Eisenhaltige Flüssigkeit für multifunktionale Fenster

Fluidikfenster ermöglichen Sonnenschutz, Kühlung und sogar Heizung auf der Basis von Sonnenenergie. Mit Hilfe von magnetisch steuerbaren, in einer Flüssigkeit schwebenden Eisen-Nanopartikeln soll das neuartige Fensterelement die Wärmeverluste durch Fensterverglasungen um 20 Prozent und den Gesamtenergiebedarf von Gebäuden um 10 Prozent reduzieren. (Quelle Titelbild: Jan-Peter Kasper/Friedrich-Schiller-Universität Jena)

Leonid LeivaLeonid Leiva5 min

Gebäudesektor als grösster Energieverbraucher und CO2-Emittent

Der Kampf gegen den Klimawandel hat im Gebäudepark eine seiner wichtigsten Fronten. In der EU  - ähnliche Zahlen gelten im Übrigen auch für die Schweiz – verursachen das Heizen, Kühlen, Belüften und Beleuchten von Gebäuden rund 40 Prozent des Endenergieverbrauchs. Damit nimmt der europäische Gebäudesektor den ersten Platz unter allen Wirtschaftssektoren in Sachen Energieverbrauch ein. Der Betrieb von Gebäuden verursacht EU-weit ganze 36 Prozent aller CO2-Emissionen. 75 Prozent aller Gebäude werden von der EU als energieineffizient eingestuft. Deshalb will die EU bis 2030 die Investitionen in Gebäude-Energieeffizienzmassnahmen um rund 100 Milliarden Euro erhöhen. Ein Teil dieser Ausgaben soll dazu beitragen, die Sanierungsrate, welche gegenwärtig je nach Mitgliedstaat bei 0.4 bis 1.2 Prozent liegt, im Gebäudebestand zu steigern. Ein anderer Teil soll dazu dienen, Forschung und Entwicklung von neuen, energieeffizienteren Technologien zu fördern. 

Wohnklima und Tageslichteintrag unter einen Hut bringen

Sonnenschutz ist für das Wohnklima vor allem im Sommer von zentraler Bedeutung. Doch das Ausmass der Verschattung möglichst genau nach Belieben zu kontrollieren, erweist sich oft als schwierig. Dabei ist es auch nicht immer einfach, gegenläufige Ziele wie Schutz vor Überhitzung und Optimierung des Tageslichteintrags unter einen Hut zu bringen. Technische Lösungen für diese Fragen, in denen der Wohnkomfort, die Gesundheit der Nutzer und die Energieeffizienz zusammenlaufen, bilden den Gegenstand vieler Forschungs- und Entwicklungsvorhaben in ganz Europa. 

Einige Ergebnisse lassen durchblicken, wohin die Entwicklungen in den kommenden Jahren bzw. Jahrzehnten gehen könnte. Ein seit einigen Jahren verfolgter Ansatz besteht darin, die Lichtdurchlässigkeit von Fensterverglasungen steuerbar zu machen. Ein Beispiel dafür bilden sogenannte elektrochrome Fenster, in denen mit Hilfe von Elektrizität eine Flüssigkeit in den Fensterscheiben ihre Färbung verändert, sodass je nach Bedarf mehr oder weniger Licht durch die damit gefüllte Verglasung dringen kann. 

Im neuen Konzept der Universität Jena werden Fensterverglasungen entwickelt, die sich auf Knopfdruck nicht elektrisch, sondern magnetisch verschatten lassen. Ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Professor Lothar Wondraczek, Inhaber des Lehrstuhls für Glaschemie, hat über die letzten 2 Jahre im Rahmen des von der EU finanziell unterstützten Projekts LaWin einen ersten Prototypen eines solchen Fensterelements bereits gebaut und im Labor getestet. 

Das von den Wissenschaftlern als Fluidik-Fensterelement bezeichnete Laborprodukt vereint verschiedene Funktionen wie Verschattung und Wärmegewinnung. Es basiert auf einer Flüssigkeit, die in kleinen Kanälen in einer Glasscheibe fliesst. Die Flüssigkeit (im bisherigen Prototyp das Frostschutzmittel Ethylenglykol) enthält Eisen-Nanopartikel, welche die Forscher mit einem Elektromagneten aus den Kanälen hinaus und wieder in diese hinein führen. Die Eisensuspension erhält je nach Konzentration eine graue bis schwarze Färbung und dient so zur Verschattung. Eine dünne, nur 0,7 Millimeter starke Glasscheibe enthält die Kanäle, in denen die eisenhaltige Flüssigkeit fliessen kann. Diese strukturierte dünne Scheibe wird auf eine etwas dickere Glasscheibe laminiert. Die resultierende Glasscheibe weist eine Stärke von rund 6 Millimeter auf, was der üblichen Dicke von Fensterglasscheiben entspricht. Somit kann in Fenstern mit Doppel- oder Dreifachverglasung einfach eine der bestehenden Scheiben durch das neue Fluidik-Fensterelement ersetzt werden. Wo genau dieses platziert wird, hängt von der Anwendung ab. Soll es als grossflächige Kühlung bzw. Heizung dienen, wäre es an der Innenseite angebracht. Für den Einsatz als Wärmekollektor müsste die innovative Glasscheibe hingegen an der Aussenseite eingebaut werden. 

Wärmegewinnung vergleichbar mit jener von Solarkollektoren

Wie der jetzige Prototyp in einem marktfähigen Produkt aussehen wird, sei teilweise noch offen, sagt der Doktorand Benjamin Heiz, der an der Entwicklung des Fluidikfensters an der Universität Jena beteiligt ist. So kann sich Heiz vorstellen, dass die magnetische Steuerung der mit Eisenpartikeln versetzten Flüssigkeit durch Permanentmagneten statt des heutigen Elektromagneten übernommen werden könnte, die im Fensterrahmen versteckt sein könnten. 

Berechnungen, Computersimulationen und erste Experimente weisen laut Heiz darauf hin, dass die eisenhaltige Flüssigkeit im Fensterelement rund 45 Prozent der Solarstrahlung in Form von Wärme absorbiert. Daraus ergibt sich unter Annahme von 800 Sonnenstunden pro Jahr eine totale jährliche «Wärmeernte» von 360 Kilowattstunden pro Quadratmeter. Der Wirkungsgrad des Fensterelements ist laut Heiz und seinen Mitstreitern vergleichbar mit dem herkömmlicher Solarwärmekollektoren. 

Tests in Modellgebäuden stehen bevor

Heiz berichtet, dass das Fluidikfenster auf dem Weg zur industriellen Fertigung voranschreitet. Im Sommer 2018 sollen in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner 1000 Quadratmeter davon hergestellt werden. Die gesamte Fertigungskette der Fensterelemente könne von lokalen Firmen in Thüringen übernommen werden. Nachdem die Fensterelemente hergestellt werden, sollen sie in Modellgebäuden getestet werden.

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Kommentare

  • Ivo Bechtiger

    27.01.2019 09:14:26

    Das Verschatten im Sommer hält die Wärme draussen, verstehe ich.

    Weiter unzten ist aber von Wärnmegewinnung die Rede. Ich verstehe nicht ganz: da ziehen die Fenster Wärme an, besonders im Sommer? Im Winter leider weniger... da muss die Wärme wohl via einen Kreislauf abgeführt werden, also das Fesnter ist ei n durchsichtiger Sonnenkolektor? Dass das wohl einen Kresilauf bedingt ist aber nirgends erwähnt.