Fassaden und Fenster
Profil des Marktbereichs
Eine Gebäudehülle besitzt vielfältige Funktionen und Aufgaben: Moderne Verglasungen und Wärmedämmsysteme schützen nicht nur die Nutzer vor klimatischen Einflüssen, sondern ermöglichen auch solare Wärmegewinne, optimieren den Wärmeschutz und regeln die Tageslicht- und Frischluftversorgung. Die Optimierung des thermischen und visuellen Komforts mit architektonisch und wirtschaftlich überzeugenden Lösungen ist das Ziel unserer Entwicklungen, die wir gemeinsam mit der Industrie durchführen.
Ob sich ein neues Produkt im Fenster- und Fassadenbereich am Markt durchsetzt, hängt neben der Wirtschaftlichkeit vor allem von den Auswirkungen auf den Nutzerkomfort, den Energiebedarf des Gebäudes, ihre Langzeitbeständigkeit und ihre Zuverlässigkeit ab.
Wir entwickeln Bauteile und Fassaden auf Basis unserer Erfahrung und mit Hilfe moderner Planungssoftware und prüfen sie in Labor- und Freilandprüfständen. Bei Fassaden mit veränderlichen Eigenschaften (z.B. mit schaltbaren Verglasungen oder Jalousien) entwickeln wir Regelstrategien, die an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sind. Wir prüfen die Leistungsfähigkeit einer Fassade im Hinblick auf die Kontrolle von solaren Energieeinträgen, Tageslichtnutzung, Blendschutz und Wärmedämmwirkung.
Mit Hilfe von Beschichtungen und ultrafeinen Strukturen erhalten Oberflächen besondere Eigenschaften, wie z.B. eine hohe Infrarotreflexion, hohe Entspiegelungs- oder Selbstreinigungsfunktion. Mittels schaltbarer Verglasungen können Durchsicht und Sonnenschutz den Nutzerbedürfnissen angepasst werden.
Unser Leistungsangebot
Prüfung und Vermessung
TestLab Solar Façades
Labormessungen
Bewertung und Optimierung
Bewertung und Optimierung von Sonnenschutz, Blendschutz und Tageslichtversorgung
Bewertung und Optimierung von schaltbaren Verglasungen
Regelkonzepte für Fassaden
Strahlverfolgungs- Simulation von Fassadenkomponenten und optischen Elementen
Optimierung von Wärmebrücken
Gebrauchsdaueranalyse und Lebensdauerabschätzung
Bestimmung des Alterungsverhaltens und der Beständigkeit
Prüfung und Vermessung
TestLab Solar Façades: Prüfen, beraten und forschenMaßgeschneiderte Dienstleistungen für Ihr Bauvorhaben
Unsere Dienstleistungen haben ein solides Fundament: In Forschungsprojekten entwickeln wir unsere Prüfverfahren weiter und erforschen die Stärken und Schwächen der ver- schiedenen Methoden. Außerdem nutzen wir diese Projekte zum nationalen und internationalen Erfahrungsaustausch. Wir sind Mitglied in nationalen und europäischen Normungs- gremien. Die beratende Mitarbeit in Planungsteams von innovativen Bauvorhaben sichert unseren Praxisbezug. Maßgeschneiderte Dienstleistungen: Wir stellen Ihnen unser Know-How in Form von Messungen, Prüfungen und Beratung zur Verfügung. Wir ermitteln für Sie die Methode, mit der Ihre Problem- oder Fragestellung am zuverlässigsten und wirtschaftlichsten gelöst werden kann.
Prüfen und beraten
Wir prüfen + messen:
- g-Wert
- Blendschutz
- Transmissions- und Reflexionseigenschaften
- U-Wert
- Vergleichende Untersuchungen von Fassadensystemen in unseren drehbaren Tageslichtmessräumen auf dem Dach unseres Institutsgebäudes
Was uns auszeichnet:
- Planungssicherheit: Realistische Berücksichtigung der Nutzer bei der Bewertung von Fassadensystemen
- Umfassende Kompetenzen in den Bereichen solares Bauen, Sonnenschutz und Tageslicht
- An Budget und Objekt angepasste Methoden
- Integrale Berücksichtigung von energetischen, thermischen und visuellen Anforderungen bei der Bewertung von Fassaden
- Professionelle Abwicklung, zertifiziert nach ISO9001:2000
Schwerpunkte unserer Arbeit:
- g-Wert: Weiterentwicklung + Standardisierung des kalorimetrischen Messverfahrens
- Blendschutz: Erarbeitung von neuen Kriterien für Tageslichtsysteme im Rahmen eines EU-Forschungsprojekts
- Tageslichtnutzung: Weiterentwicklung Tageslicht- simulation für komplexe Oberflächeneigenschaften (RADIANCE)
- EU-Normung: Mitarbeit in der Europäischen Normungskommission CEN/TC33/WG3/TG5 (thermischer und visueller Komfort im Zusammenhang mit Sonnenschutzsystemen)
Eine Auswahl unserer Referenzen:
- Hochhaus Gallileo, Fankfurt (Main)
- Hochhaus GALAXY, Commerzbank, Wien
- Messeturm, Basel
- Europäischer Gerichtshof, Luxemburg
- Main Airport Center, Frankfurt (Main)
- Hochhaus West 4, München
- Revitalisierung KfW, Frankfurt (Main)
- KfW (Kreditanstalt für Wiederaufbau) Palmengarten, Frankfurt (Main)
- Allianz-Taunusanlage, Frankfurt (Main)
- RZVK (Rheinische Zusatzversorgungskasse), Köln
- Spektrometrische Messungen an Gläsern, Folien und Geweben
- Bestimmung des Gesamtenergiedurchlassgrads nach DIN EN 410
- Winkelabhängige Transmissions- und Reflexions- messungen an Bauteilen und Oberflächenmustern
- Solarkalorimetrische Untersuchungen zum Gesamt- energiedurchlassgrad von transparenten Bauteilen und Sonnenschutz
- Wärmewiderstandsmessung mit der Plattenapparatur nach DIN 52612, ISO 8302
Weitere optische und thermische Messdienstleistungen auf Anfrage.
Bewertung und Optimierung
Bewertung und Optimierung von Sonnenschutz, Blendschutz und Tageslichtversorgung Die Bewertung einer Fassade in einem Bauvorhaben geht über die reine Vermessung und Prüfung von Produkten hinaus. Die Auswirkungen des Einsatzes von Sonnen- und Blendschutz auf Nutzerkomfort, Energieverbrauch und Gebäudetechnik, insbesondere Beleuchtung und Klimatisierung, sind vielfältiger Art. Wir beraten Sie, vermessen verschiedenste Fassaden- varianten und simulieren deren Einsatz bei Bauvorhaben, damit Sie Sicherheit in Ihrer Planung erhalten.
Bewertung und Optimierung von schaltbaren Verglasungen
Schaltbare Verglasungen in Form von elektrochromen und gaschromen Systemen werden auf dem Markt verfügbar, es fehlt jedoch die Erfahrung und das Hintergrundwissen, um eine fundierte Einschätzung und Bewertung vorzunehmen. Wir haben in einem Forschungsvorhaben SWIFT diese Systeme untersucht und Methoden entwickelt, schaltbare Verglasungen zu simulieren und ins Gebäude zu integrieren. Die Auswirkungen des Einsatzes auf Nutzerkomfort, Energieverbrauch und Gebäudetechnik, insbesondere Beleuchtung und Klimatisierung, sind vielfältiger Art. Wir beraten Sie, vermessen gegebenenfalls neue Produkte und simulieren deren Einsatz bei Bauvorhaben, damit Sie Sicherheit in Ihrer Planung erhalten.
Moderne Glasfassaden sind heutzutage aus der Welt des Bauens nicht mehr wegzudenken. Mit den erhöhten Glasanteilen bei Vorhangfassaden, Doppelfassaden oder geklebten Fassaden des Structural Glazing steigt jedoch die Notwendigkeit, die Licht- und Energieströme an der Gebäudehülle zu regeln. Die Gratwanderung zwischen Blendung und Kunstlichtbedarf, zwischen Tageslichtversorgung und Kühlbedarf wird bei größeren Glasfassaden komplexer. Die Auswirkungen ungünstiger Regelungskonzepte sind enorm. Wir beraten und unterstützen Sie bei der Festlegung Ihrer Regelungsstrategie.
Strahlverfolgungs- Simulation von Fassadenkomponenten und optischen ElementenGeometrische komplexe Fassaden oder strukturierte Verglas- ungen lenken das einfallende Licht entsprechend ihrer Geometrie in völlig andere Raumwinkelbereiche um. Normale Berechnungsverfahren für Sonnenschutz oder Verglasungen nach Stand der Normung können solche Effekte nicht berück- sichtigen. Wir können mit unseren validierten Strahlverfolgungswerkzeugen die optischen Eigenschaften von beliebigen Produkten vorhersagen. Dadurch lassen sich neue Produkt- varianten schon in einem sehr frühen Entwicklungsstadium zuverlässig bewerten. Bei der Entwicklung von neuen Systemen können wir unsere Erfahrungen aus Planungsteams, von erfolgreichen Produktentwicklungen [Genius-Lamelle und s_enn] und aus Forschungsprojekten [Mikrofun] einbringen.
Die thermischen Eigenschaften simulieren wir mit anderen Werkzeugen je nach Problemstellung.
In der Produktentwicklung und -optimierung ist es von zentraler Bedeutung, das betreffende Produkt und seine Funktion auch in Simulationen nachbilden zu können. Dies erlaubt eine schnelle und resourcensparende Prüfung und Bewertung von Varianten sowie das Erkennen von Schwachstellen und erleichtert das Auffinden optimaler Lösungen. In der Industrie ist dies unter dem Stichwort "Rapid Prototyping" in vielen Bereichen bereits weit verbreitet.
Im Bereich von Fassadenelementen (Verglasungen, Sonnen- schutzsysteme, komplexe Fassadensysteme, ...) oder optischer Komponenten (lichtlenkend strukturierte Folien oder Platten, streuend / spiegelnd / absorbierend beschichtete Gläser oder Materialien, ...) ist die Strahlverfolgungs-Simulation ein wichtiges Werkzeug zur Prüfung und Bewertung der optischen Funktion.
Aufbauend auf das kommerzielle Strahlverfolgungs-Programm Opticad ® haben wir über Jahre hinweg tools erstellt, die es uns erlauben, optische Elemente oder Fassadensysteme nahezu beliebiger Form zu generieren und ihre optische Funktion eingehend zu untersuchen. (vgl. Abbildungen 1 bis 3).
In Kombination mit unserem Know-How im Bereich der Bewertung von Sonnenschutzsystemen (vgl. Entwicklung von Sonnenschutzsystemen) oder lichtlenkender Strukturen (vgl. Projekt "Mikrofun") kann das Verhalten auch im Kontext des Einsatzgebietes (Gebäude/Fassade, Verglasung, Leuchten, Display, ...) bewertet werden.
Oft weisen industriell gefertigte Produkte Merkmale auf, die von einer rechnerisch festgelegten "idealen" Form abweichen. Abweichungen auf mikroskopischer Skala (Oberflächen- eigenschaften, Rauhheiten, Mikrostrukturen ...) können wir anhand von AFM, REM oder Lichtmikroskopie identifizieren, die mikro- oder makroskopische Form eines realen Systems bilden wir genau auf die Simulation ab. Mögliche Abweichungen werden also analysiert und soweit möglich in die Modellierung aufgenommen. Bei Bedarf untermauern wir die Simulationen mit Messungen an realen Systemen. Hierfür stehen vielfältige optische und optisch-thermische Charakterisierungs-möglichkeiten zur Verfügung (TOPLAB). Abbildung 4 zeigt eine mikrostrukturierte Folie, Abbildung 5 die zugehörigen Transmissionskurven als Funktion des Einfallswinkels.
Haben Sie eine Produktidee und wollen klären, wie die optische Funktion im Detail aussieht? Wollen Sie ein bestehendes Produkt verändern und/oder optimieren? Dann nehmen Sie Kontakt mit uns auf, um die Details zu besprechen.
Referenzen
Edelstahlbehang "s_enn" ®, Fa. Clauss Markisen Projekt GmbH, Bissingen-Ochsenwang
Jalousie "Hüppe Genius", Hüppelux Sonnenschutzsysteme GmbH & Co KG, Oldenburg
Optimierung von Wärmebrücken Nach der kontinuierlichen Verbesserung der Gebäudehülle mit Wärmedämmung in den letzten Jahre hat sich die Aufmerksam- keit immer stärker auf die bauphysikalisch kritischen Wärme- brücken gerichtet. Lokale Wärmebrücken verschlechtern natürlich auch den Energiehaushalt eines Gebäudes, wesentlich wichtiger sind jedoch örtliche temporäre Unter- schreitungen von Taupunkttemperaturen, die unter Umständen zu Schäden an der Gebäudesubstanz führen können.
Wir bieten Ihnen mehrdimensionale Berechnung von Wärme- brückengeometrien und deren Analyse an, um diese Probleme vermeiden zu helfen.
Gebrauchsdaueranalyse und Lebensdauerabschätzung
Bestimmung des Alterungsverhaltens und der BeständigkeitWir treffen schnelle Aussagen darüber, welche Varianten Ihrer Produkte oder Materialien besser den verschiedenen klimatischen Einflüssen standhalten.
Wir testen Ihre Neuentwicklungen auf ihre Langlebigkeit im Außenbereich unter verschiedenen klimatischen Bedingungen.
Produkte, die in anderen klimatischen Bedingungen auf den Markt gebracht werden sollen, werden von uns auf ihre optimale Funktion im Außenbereich hin untersucht.
Sprechen sie uns an und profitieren auch Sie von unserer langjährigen Erfahrung auf dem Gebiet der Gebrauchsdauerabschätzung.
- Entwicklungsbegleitendes Screening Testing
- Lebensdauerabschätzung durch Freibewitterung und beschleunigte Prüfungen
- Entwicklung neuer Prüfverfahren
Projekte und Produkte
Farben, Lacke, Putze
SOLABS
Wärmedämmung
VIP - Entwicklung und Optimierung innovativer Hochwärmedämmsysteme
Verglasungen
Photochrome Fenster
Photoelektrochrome Fenster
WINDAT - Windows as Renewable Energy Sources for Europe
Sonnenschutzverglasungen mit optisch-funktionalen Mikrostrukturen
Mikrostrukturen mit Teildurchsicht für vertikale Verglasungen
Kombination mit schaltbaren Beschichtungen
Satin-Glas mit Sonnenschutzfunktion
CPC-Sonnenschutzstrukturen für geneigte Verglasungen
Prismatische Strukturen
Produkte für den Einsatz in der Lichttechnik oder im Bereich Displays
Sonnen- und Blendschutz
Mikrofun
ECCO-BUILD
SOBIC – Solar Building Innovation Center
Fenster- und Fassadentechnik
IBIG - Integrale Bewertungsverfahren innovativer Gebäudehülle
Farben, Lacke, Putze
SOLABSAuftraggeber/Förderung
Kommission der Europäischen Gemeinschaft
Projektlaufzeit: 01.01.2003 – 30.06.2006
Im Rahmen von SOLABS werden unverglaste Solarkollektoren für Fassaden mit farbigen, selektiven Beschichtungen über Stahl sowie deren Integration in Heizungssysteme entwickelt. Das entwickelte Solarsystem soll die Verbreitung der Solarheizung durch geringere Solarwärmepreise (Ziel 0.025-0.03 €/kWh), vereinfachte Systeme sowie urcheine verbesserte Architektur ermöglichen.
Wärmedämmung
VIP - Entwicklung und Optimierung innovativer Hochwärmedämmsysteme
Auftraggeber/Förderung
Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA)
Projektlaufzeit: 01.05.2003 – 30.04.2006
Zielsetzung
In bestehenden Gebäuden wird etwa ein Viertel des Energieverbrauchs in Deutschland verursacht. Eine bessere Dämmung dieser Gebäudehüllen kann folglich zu einer beträchtlichen Einsparung an fossilen Energieträgern führen und in erheblichem Umfang zur Senkung des Kohlendioxidausstoßes beitragen.
Vakuumdämmung ermöglicht bei gleichbleibendem Raumbedarf eine wesentlich höhere Dämmwirkung im Vergleich zu konventionellen Dämmstoffen. Zur Zeit befinden sich Dämmplatten aus mikroporöser Kieselsäure auf dem Markt. Mit einer Wärmeleitfähigkeit der Pulverplatten in evakuiertem Zustand von etwa 0,004 W/mK ist ihre Dämmwirkung 10 mal besser als die konventioneller Dämmsysteme. Forschung und Entwicklung haben das Ziel noch effizientere und langfristig billigere Kernmaterialien einzusetzen, mit neuen Folien und Siegeltechniken die Langzeitstabilität zu erhöhen und ein Qualitätssicherungsverfahren für Vakuumpaneele auszuarbeiten. Der Einsatz der Vakuumisolationspaneele(VIP)in der Fassade, aber auch bei Innendämmung, Fußboden- oder Deckendämmung ist konstruktiv zu optimieren.
Projektinhalt
Ein zentraler Inhalt des Projeks ist es, die Entwicklung neuer Foliensysteme mit optimierten Barriereeigenschaften und dichten Siegel- und Klebeverbindungen voranzutreiben, so dass eine Lebensdauer der Paneele von über 30 Jahren ermöglicht werden kann. Wärmebrücken durch Randeffekte sollen weitgehend vermieden werden. Eine Verbesserung der mechanischen Stabilität der Folienumhüllung der VIP wird angestrebt. Dieser Teil der Arbeiten erfolgt zum Großteil bei Projektpartnern am Fraunhofer IVV, ISC und FEP.
Eine konstruktive Entwicklung und Optimierung der verschiedenen Wärmedämmsysteme auf der Basis von VIP-Platten erfolgt am ISE in enger Zusammenarbeit mit System- herstellern und Anwendern. Die messtechnische Charakteri- sierung der Komponenten und des Gesamtsystems sind die Basis für eine energetische Bewertung der Systeme. Die Praxistauglichkeit der optimierten Prototypsysteme wird in Freilandtests am Fassadenteststand des ISE und im Rahmen von Demonstrationsvorhaben nachgewiesen.
Zulässige Änderungen der Produktspezifikationen, die mess- technische Charakterisierung von Systemen mit Quantifizierung der Auswirkung gezielter Bewitterung sowie die Ermittlung systemspezifischer Belastungsdaten bilden die Grundlage für ein Modell zur Lebensdauerabschätzung von Elementen.
Darauf basierend soll für die entwickelten Produkte, unter Berücksichtigung typischer klimaabhängiger Belastungsdaten ein Standardprüfverfahren entwickelt werden, das Aussagen bezüglich der zu erwartenden Lebensdauer der Vakuum- wärmedämmsysteme ermöglicht.
Zusammenfassung
In einem neuen Verbundprojekt verschiedener Fraunhofer- institute und der Industrie unter Koordination des Fraunhofer ISE werden neue Technologien für eine zweite Generation von Vakuumdämmpaneelen (VIP) entwickelt. Für die neuen Komponenten und Systeme wird ein Qualitätssicherungs- verfahren angestrebt, dass eine belastbare Aussage zu der Lebensdauer der neuen hochwärmedämmenden Systeme ermöglicht.
Verglasungen
Photochrome Fenster
Photochrome Systeme färben und entfärben sich unter Einfluss der Beleuchtung reversibel. Bisher bekannte und vor allem bei Sonnenbrillen genutzte Systeme sind für Fassaden jedoch nicht anwendbar, da sie eine zu geringe Stabilität aufweisen und bei höheren Temperaturen nur noch schwach einfärben. Auf der Basis einer Kombination aus elektrochromem Wolframoxid und einer Farbstoffsolarzellenschicht gelang es uns, ein photochromes Fenstersystem herzu- stellen, wie es insbesondere für Verglasungsanwendungen in Gebäuden oder Fahrzeugen geeignet ist.
Aufbauend auf der Entwicklung des „photoelektrochromen“ Systems gelang es uns, dieses System zu einem einfacheren photochromen Fensterelement zu modifizieren, das einen hohen Färbekontrast auch bei erhöhten Temperaturen aufweist. Dieses System ist zwar nicht mehr willkürlich schaltbar, aber wesentlich einfacher in der Herstellung.
Das Musterelement eines photochromen Fensters dunkelt unter Beleuchtung mit Sonnenlicht von einer 60%igen Transmission – bezogen auf den sichtbaren Spektralbereich – auf 4% ein. Unter Beleuchtung werden Farbstoffmoleküle angeregt und Elektronen über das Titandioxid TiO2 in das Wolframoxid WO3 injiziert. Dadurch färbt sich das WO3 blau ein. Die Ladungsneutralität wird durch zwei Vorgänge erreicht: positiv geladene Lithium-Ionen aus dem Elektrolyt lagern sich in das WO3 ein, gleichzeitig geben negativ geladene Iodid-Ionen Elektronen aus dem Elektrolyt an die Farbstoffmoleküle ab. Die I-Ionen werden dabei zu I3- oxidiert. Dieser Prozess läuft prinzipiell auch umgekehrt ab, indem vor allem Elektronen vom WO3 an I3- Ionen im Elektrolyt abfließen. Diese Rückreaktion ist zwar sehr langsam, kann aber durch Zugabe eines Katalysators wie Platin (Pt) stark beschleunigt werden. Die gezielte Einstellung der katalytischen Aktivität ist wesentlich für einen ausgeprägten photochromen Effekt.
Eine stärkere katalytische Wirkung beschleunigt die Entfärbung, reduziert aber die Gleichgewichtsfärbung. Die Optimierung hängt stark von den detaillierten Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab.
Photoelektrochrome Fenster
Photoelektrochrome Fenstersysteme sind in ihrer Trans-mission schaltbar. Die Energie zum Verfärben liefert das Sonnenlicht. Daher ist keine Spannungsversorgung notwendig. Anwendungen sind Überhitzungs- und Blendschutz z.B. im Gebäude- oder KFZ-bereich.
Photoelekrochrome Systeme sind eine Kombination aus einer elektrochromen Zelle und einer elekrochemischen Solarzelle. Am Fraunhofer-ISE entstand die Idee zu dem Aufbau von Abb.1, der in besonders günstiger Weise eine Farbstoffsensibilisierte Solarzelle und ein elektrochromes Element verbindet. So ist z.B. die Färbezeit unabhängig von der Fläche, die Transmission kann auch im beleuchteten Zustand variiert werden und das System läßt sich zusätzlich durch eine externe Spannung schalten. Derzeitige Muster verringern ihre Transmission unter Beleuchtung von 62% auf 1.6% mit einer Schaltzeit von ca. 15 Minuten.
Aufbau
Ein Glassubstrat wird mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Schicht (TE) und einer elektrochromen WO3 Schicht belegt. Darauf wird eine nanoporöse TiO2 Schicht aufgebracht. Die durch die Porosität stark vergrößerte Oberfläche des TiO2 ist mit einer Monolage eines Farbstoffes bedeckt. Die Poren und der Freiraum zwischen TiO2 und Gegenelektrode sind mit einem Elektrolyt ausgefüllt, in dem Lithiumjodid (LiI) gelöst ist. Die Gegenelektrode ist ein zweites, mit einer TE-Schicht bedecktes Glassubstrat, beschichtet mit einer dünnen, transparenten Pt-Schicht. Die beiden transparenten Elektroden TE sind über einen externen Schalter miteinander verbunden. Prinzipiell könen die TiO2- und die WO3 Schicht in ihrer Reihenfolge vertauscht oder zu einer Schicht vereinigt werden.
Funktion des Färbeprozesses
Unter Beleuchtung wird der Farbstoff angeregt (obere Hälfte von Abb.1). Er gibt ein Elektron an das TiO2 ab, dieses leitet es weiter zum WO3. Dort reduziert es das Wolfram und färbt es von transparent zu blau. Der Farbstoff erhält sein Elektron zurück von einem I--Ion aus dem Elekrolyt, welches zu I3- oxidiert wird. Die überschüssig gewordenen Li+-Ionen diffundieren durch die poröse TiO2 in die WO3 Schicht und sorgen so für den Ladungsausgleich. Für den Färbeprozess ist die TE Schicht ohne Bedeutung, das System arbeitet als passives photochromes Element. Somit ist insbesondere die Schaltzeit zum Färben unabhängig von der TE-Schicht und unabhängig von der Fläche des Elements. Dies ist ein Vorteil gegenüber herkömmlichen elekrochromen Fenstern, bei denen die Schaltzeit von der Leitfähigkeit der TE-Schicht begrenzt wird und stark von der Fläche abhängt.
Schließt man den externen Schalter, so können die Elektronen aus dem WO3 über den Schalter zur Gegenelektrode fließen. Hier katalysiert das Platin die Rückre-aktion des I3- zum I-. Gleichzeitig wan-dern Li+-Ionen zurück in den Elektrolyten. Dieser Prozeß findet auch bei Beleuchtung statt, d.h. die Transmission kann sowohl bei Beleuchtung als auch im Dunkeln durch das Schalten wieder erhöht werden.
WINDAT - Windows as Renewable Energy Sources for Europe
Funktion des Entfärbeprozesses:
Auftraggeber/Förderung: Kommission der Europäischen Gemeinschaft
Generaldirektion Energie und Verkehr
Projektlaufzeit: 01.07.2001 – 30.06.2004
In diesem Netzwerk wurden von 35 Partnern aus Industrie und Forschung folgende Ziele erreicht:
- Erstellung einer europäischen Datenbank für Fenster- produkte zur Berechnung von Transmissions- und Wärmedämmeigenschaften entsprechend der europäischen Normen (z.B. EN 410, EN 673)
- Unterstützung der Entwicklung des europäischen Berechnungsprogrammes WIS
- Überprüfung und Validierung der Berechnungs- grundlagen in ausgewählten Bereichen
- Unterstützung des Einsatzes energiesparender Fenster durch Fortbildungsmaßnahmen und Informationsverbreitung,
Ein Überschuss an Licht und Wärme muss oft durch aufwändige Maßnahmen abgeblockt oder mit hohem Energieaufwand von Klimaanlagen abgeführt werden. Gewünscht ist daher eine wirksame solare Transmission der Fassade, die abhängig von der Jahreszeit ist. Da die Sonne im Sommer höher als im Winter steht, ist unser Ansatz, die Transmission der Fassade vom Sonnenstand abhängig zu machen.
Dafür nutzen wir die lichtlenkende Wirkung von transparenten Materialien, die prismatisch strukturiert sind. Zusätzlich kann die Transmission durch schaltbare Schichten beeinflusst werden.
Herstellung und Modellierung von Mikrostrukturen
Miniaturisierung
Die Miniaturisierung von Strukturen stellt uns vor Fragen nach Herstellverfahren und nach physikalischen Grenzen. Wie klein können die Prismen werden, bevor Beugungseffekte die Funktion deutlich verschlechtern? Wir haben uns mit der physikalisch genauesten Methode, der rigorosen Beugungs- theorie befasst. Die Ergebnisse zeigen, dass Strukturgrößen durchaus kleiner als 0,1 mm sein können, obwohl dabei bereits Beugungseffekte auftreten. Bei verschiedenen Strukturformen und insbesondere bei Strukturtypen, die teilweise verspiegelt sind, ist die Beeinträchtigung der optischen Funktion durch Beugungseffekte höchst unterschiedlich. Mit der rigorosen Beugungstheorie können wir jetzt auch Strukturformen optimieren.
Mikrostrukturierte Folien oder Platten können mit etablierten Prozessen der Mikroreplikation hergestellt werden. Die Herstellung der Urform ist aber nach wie vor schwierig.
Eine Möglichkeit ist die spanabhebende Fertigung, bei der mit einem Diamantwerkzeug in höchster Präzision gedreht, gefräst oder gehobelt werden kann. In Abbildung 1 ist ein Prismen-Feld zu sehen, das in dieser Form vermutlich nur spanabhebend gefertigt werden kann. Diese Struktur eignet sich hervorragend als saisonaler Sonnenschutz für vertikale Verglasungen, da sie für hohe sommerliche Sonnenstände nur wenige Prozent der Direktstrahlung durchlässt und den weitaus überwiegenden Teil in sich zurückreflektiert (Retroreflexion).
Interferenzlithographie
Eine andere Möglichkeit ist die Herstellung von prismatischen oder ähnlichen Strukturen mit Hilfe der Interferenzlithographie. Dabei werden Laserstrahlen geteilt, aufgeweitet und überlagert. Es entsteht ein Interferenzmuster, mit dem eine Glasplatte mit einer lichtempfindlichen Lackschicht belichtet wird.
Nach Entwicklung einer so belichteten Lackschicht entsteht ein Oberflächenrelief, das mittels weiterer Arbeitsschritte durch Abformprozesse wie z.B. Prägen in Kunststoffe übertragen werden kann.
Obwohl bei der Überlagerung von zwei Laserstrahlen nur ein streifenförmiges Hell-Dunkel-Muster erzeugt werden kann, bietet die Interferenzlithographie durch Mehrfachbelichtungen oder durch Überlagerung mehrerer Laserstrahlen erstaunlich viele Möglichkeiten, auch sehr komplexe Mikrostrukturen zu erzeugen, z.B. mehrdimensionale Gitter oder aperiodische Strukturen. Auch Mischen oder Übermodulieren verschiedener Strukturanteile, z.B. periodischer und aperiodischer Strukturen, ist möglich.
Die Interferenzlithografie kann große Flächen homogen strukturieren. Bisher wurden Mikrostrukturen für Sonnenschutzsysteme auf Flächen von einer Größe von 37 x 37 cm homogen hergestellt. Andere Strukturtypen wurden am Fraunhofer ISE schon auf Flächen von bis zu 1 m² hergestellt. Wir arbeiten an einer Vergrößerung der Fläche, um in der Anwendung möglichst wenig Folien- oder Plattenstücke aneinander setzen zu müssen.
Stand der Technik und Entwicklungen
Im BMBF-geförderten Verbundprojekt „Nanofab“ untersuchten wir spanabhebend gefertigte Mikrostrukturen. Im BMWA-geförderten Projekt "Mikrofun" haben wir Fertigungs- möglichkeiten mit Hilfe der Interferenzlithografie und partieller Vakuumbeschichtung von abgeformten Strukturen entwickelt und demonstriert. Einzelne Produktlinien werden in einer zweiten Projektphase in Produkte umgesetzt (siehe auch Projekt "Mikrofun" ).
Wir arbeiten in Parallel- und Folgeprojekten an der Weiter- entwicklung der skizzierten Ideen und an der Fertigungs- technologie für mikrostrukturierte Folien und Verglasungen.
Für die Umsetzung in Produkte suchen wir Partner aus der Industrie.
Mikrostrukturen mit Teildurchsicht für vertikale VerglasungenMit dem beschriebenen Verfahren haben wir Mikrostrukturen für Sonnenschutzsysteme mit Teildurchsicht entwickelt. Unstrukturierte Bereiche zwischen den Strukturen ermöglichen dabei einen Außenbezug ( vgl. auch Projekt "Mikrofun" ). Wir stellen uns Verglasungen vor, bei denen eine entsprechend strukturierte Folie auf die Aussenseite der Innenscheibe laminiert wird und so die saisonale Sonnenschutzfunktion sicherstellt.
Kombination mit schaltbaren Beschichtungen
Weitere optische Funktionen mikrostrukturierter Folien können durch Vakuumbeschichtung der Folien erreicht werden. Durch schräge Einfallswinkel können in den PVD-Beschichtungsverfahren die Flanken der Strukturen auch selektiv teilflächig beschichtet werden. Bisher haben wir die Beschichtung mit Metallen als Spiegelmaterialien und mit WO3 für gaschrom schaltbare Systeme untersucht.
Gaschrom schaltbare mikrostrukturierte Systeme bieten den Vorteil, dass die Transmission zusätzlich zur Abhängigkeit vom Sonnenstand auch aktiv geschaltet werden kann. Neben der zusätzlichen Flexibilität besitzen diese Systeme gegenüber "normalen" gaschromen Fenstern oder Verglasungen mit unbeschichteten Mikrostrukturen das Potenzial, die in Verbindung mit Bildschirmarbeitsplätzen erhöhten Blendschutzanforderungen erfüllen. Die Beschichtung kann dabei flankenselektiv oder flächig aufgebracht werden.
In der Abbildung sind die (Einfalls-)winkelabhängigen Messwerte für einen teilflächig gaschrom beschichteten, mikrostrukturierten Verglasungsprototyp gezeigt im Vergleich zu einer flächig gaschrom beschichteten Variante.
Der Unterschied zeigt sich vor allem im geschalteten, eingefärbten Zustand bei kleinen Einfallswinkeln: während beim flächig beschichteten Prototypen die Durchsicht (=Transmission bei kleinen Einfallswinkeln) mit geschaltet und abgedunkelt wird, bleibt sie beim teilflächig beschichteten Prototypen entsprechend des Flächenanteils des Durchsichtbereiches erhalten.
Satin-Glas mit Sonnenschutzfunktion
Die Abbildung zeigt eine periodische prismatische Struktur mit saisonaler Sonnenschutzfunktion, deren "Zähne" aperiodisch übermoduliert sind. Ziel dieses zum Patent angemeldeten Kunstgriffes ist es, die Streuwirkung der stochastischen Modulation mit der saisonalen Wirkung der Prismen zu kombinieren. Dadurch werden Farbeffekte unterdrückt, die durch Prismenwirkung oder Beugungseffekte entstehen können.
Die so hergestellte Verglasung mit integriertem saisonalen Sonnenschutz hat das elegante Erscheinungsbild eines satinierten Glases. Die Streuung von Himmelslicht oder flach einfallendem direkten Sonnenlicht führt zu einer gleichmäßigen Ausleuchtung des dahinterliegenden Raumes mit Tageslicht. Gleichzeitig wird direktes Sonnenlicht, das im Sommer unter hohen Einfallswinkeln auftrifft, effektiv reflektiert.
CPC-Sonnenschutzstrukturen für geneigte Verglasungen
Eine andere interferenzlithografisch hergestellte Mikrostruktur sind Compound Parabolic Concentrators (CPCs). Sie konzentrieren gerichtetes Sonnenlicht aus einem definierten Winkelbereich auf ihre verspiegelte Empfängerfläche und reflektieren es so. Gleichzeitig haben sie eine hohe Transmission für diffus einfallendes Himmelslicht, was zur Versorgung des Raumes mit Tageslicht erwünscht ist.
Die Abbildung oben zeigt das rasterelektronenmikroskopisches Bild einer in transparenten Kunststoff replizierten, interferenz- lithografisch hergestellten CPC-Struktur. Durch schräges Bedampfen gelingt es, auch kleinste Strukturen im Mikrometerbereich gezielt selektiv zu beschichten und so die Empfängerflächen eines CPCs zu verspiegeln.
Wird diese Struktur in geneigten Dachverglasungen eingesetzt, so reflektiert sie Strahlung aus einem Bereich von Einfallswinkeln, der über die Geometrie der CPC-Wände frei eingestellt werden kann. Dieser Reflexionswinkelbereich beträgt für die untersuchten Strukturen etwa 40°, so dass bei Einbau in ein 35° geneigtes Dach die direkte Einstrahlung im gesamten Sommerhalbjahr reflektiert werden kann. In der unteren Abbildung zeigt die durchgezogene Linie die Messung, die gepunktete Linie die Simulation der optischen Funktion einer CPC-Struktur nach obiger Abbildung. Die gestrichelte Linie schließlich zeigt das Verbesserungspotenzial, also die Transmission einer idealen Struktur. Eine Annäherung an diese optimale Funktion kann in absehbarer Zeit erreicht werden.
Zur Herstellung der Urform dieser CPC-Strukturen ist die Interferenzlithografie gegenüber mikromechanischen Herstellverfahren besonders geeignet, da bei geeigneter Belichtung und Entwicklung natürlicherweise paraboloide Strukturprofile entstehen.
Bei der industriellen Umsetzung in ein Verglasungsprodukt bildet die großtechnische Verspiegelung bzw. reflektierende Ausstattung der CPC-Spitzen einen Schwerpunkt der Entwicklungsarbeiten.
Prismatische Sonnenschutzsysteme sind nicht neu. Prismen mit Größen von mehreren Millimetern werden aneinander gereiht, um flächige Systeme zu ermöglichen. Durch Brechung und Totalreflexion wird die aus bestimmten Winkelbereichen kommende Solarstrahlung reflektiert. Tageslicht, das aus anderen Winkeln als die direkte Solarstrahlung auf das Sonnenschutzsystem auftrifft, wird durchgelassen und idealerweise noch in die Raumtiefe umgelenkt. Teilweise werden die Prismensysteme zur Lenkung des Lichtes auch auf einer Flanke verspiegelt.
Bisher stellte die Größe der Prismen ein Problem dar: die Systeme waren relativ groß, schwer und auch teuer. Deshalb setzten wir uns das Ziel, die Strukturen zu verkleinern. Mit Strukturgrößen von ca. 0,1 mm oder kleiner können die angesprochenen Sonnenschutzsysteme bereits auf relativ dünnen Folien oder Platten in Verglasungen integriert werden. Dadurch werden nicht nur die genannten Nachteile bestehender prismatischer Sonnenschutzsysteme vermieden; die Mikroprismen haben darüber hinaus ein homogenes Erscheinungsbild. Das ist besonders bei Südwest- oder Südostorientierung der Fassade wichtig: In diesem Fall schneidet die Ebene der Sonnenbahn die Fassade nicht mehr horizontal, sondern in einer geneigten Geraden. Um die Strahlung in Abhängigkeit vom Sonnengang zur richtigen Jahreszeit auszublenden, muss das Sonnenschutzsystem entsprechend geneigt werden. Bei Makrostrukturen stören die geneigten Linien oft das architektonische Erscheinungsbild, bei Mikrostrukturen ist der Effekt nach außen unsichtbar.
Produkte für den Einsatz in der Lichttechnik oder im Bereich Displays
Unsere Erfahrung in der Modellierung und Vermessung optischer Elemente mit Oberflächenstrukturen ermöglichen es, dass wir für eine gewünschte Funktionalität einen geeigneten Strukturtyp identifizieren und die Struktur auf eine bestimmte Funktion hin optimieren.
Das in der Interferenzlithografie mögliche Übermodulieren von Strukturen erlaubt es uns, gezielt streuende Strukturen zu erzeugen oder eine vorhandene Struktur / Funktion mit einem definierbarem Streugrad und Streurichtung zu kombinieren.
So zeigt Abbildung 1 eine aperiodische Struktur, die in unter- schiedlichen Ebenen unterschiedlich stark streut. Dieser asymmetrische Diffusor erlaubt eine asymmetrische Aufweitung von einfallendem Licht. Die Streubreite (vgl. Abbildung 2) lässt sich dabei in gewissem Maße für jede Raumrichtung einstellen.
Denkbare Einsatzgebiete für solche Elemente sind neben Sonnenschutz- und Lichtumlenkstrukturen für Verglasungen auch Elemente zur Lichtlenkung und Entblendung in Leuchten, zur Helligkeitsverstärkung in Displays u.v.m.
Sonnen- und Blendschutz
Auftraggeber/Förderung
BMWA
Projektlaufzeit
Phase 1 : 01.04.2001 - 28.02.2003 Phase 2 : 01.09.2003 - 31.08.2006
Zielsetzung
Architekten bauen heute hochtransparente Fassaden und beziehen Tageslicht in die Planung mit ein. Hohe Anforderungen an Energieeffizienz und Außenbezug sowie thermischen und visuellen Komfort lassen sich nur durch den differenzierten Umgang mit solarer Einstrahlung erfüllen. Neuartige, mikrostrukturierte Lichtlenkelemente können das einfallende Sonnenlicht gezielt umlenken oder reflektieren.
Die Kombination mit schaltbaren Schichten eröffnet neue Möglichkeiten. Das Know-how und die Technologie hierzu werden im Projekt "Mikrofun" erarbeitet. In der ersten, inzwischen abgeschlossenen Grundlagenphase wurden einige Strukturtypen mit ganz spezifischen Eigenschaften entwickelt und optimiert.
Die Strukturen konnten auf Flächen von bis zu 375mm x 375mm homogen interferenzlithografisch generiert werden. Ebenso wurde die Realisierbarkeit von teilflächig beschichteten Mikrostrukturen gezeigt, wobei wir sowohl statische wie auch optisch schaltbare Beschichtungen getestet haben. In der laufenden zweiten Phase werden ausgewählte Konzepte in enger Zusammenarbeit mit der Industrie in Produkte umgesetzt.
Projektinhalt
Mikrostrukturierte Oberflächen können Licht aufspalten und in gewünschte Richtungen lenken. Als Folie auf einer Glasscheibe bewirken geeignete Strukturen einen effektiven Sonnenschutz. Aus einer Isolierglasscheibe wird so ein Tageslicht- oder ein Sonnenschutzelement.
Auch Anwendungen als retroreflektierende Schicht auf einer Jalousielamelle oder in Leuchten sind denkbar. Die Entwicklung solcher Elemente für den Einsatz in Gebäudefassaden ist Gegenstand des Projektes "Entwicklung von Verglasungen mit regelbarem Transmissionsgrad für direktes und diffuses Licht auf der Basis von MIKROstrukturierten und optisch FUNktionalen Oberflächen und Materialien" (Mikrofun).
Speziell entwickelte, neuartige Strukturen erlauben zusätzlich zu ihrer Lichtlenk- oder Sonnenschutzfunktion eine Teildurchsicht und eignen sich damit für einen großflächigen Einsatz in vertikalen Fassaden. Der für viele Fassadenanwendungen wichtige Außenbezug bleibt bei diesen Strukturen trotz effektiver Abschattung von direktem Sonnenlicht erhalten. Gleichzeitig besitzen die Strukturen eine hohe Transmission für das helle Zenithimmelslicht und lenken es in die Tiefe des Raumes.
Das ermöglicht die Raum- ausleuchtung mit natürlichem Tageslicht. Ist das flach ein- fallende Winterlicht oder in den Raum umgelenktes Licht immer noch zu hell, weil z.B. Bildschirmarbeit verrichtet werden muss, kann man die Funktion der Mikrostrukturen noch weiter ver- bessern, indem man einzelne Bereiche der Strukturen mit schaltbaren Schichten versieht. Damit könnte man z.B. die „Nasenrücken“ selektiv von transparent auf undurch- sichtig schalten und so die Tageslichtmenge nach Bedarf regeln, ohne die vorhandene Teildurchsicht zu trüben (vgl. Kombination mit Schaltung ).
Ein anderer Strukturtyp mit Eigenschaften, die für Fassaden- und Verglasungsanwendungen interessant sind, sind so- genannte Compound Parabolic Concentrators (CPCs, vgl. Produktideen ). Mit ihnen kann ein effektiver saisonaler Sonnenschutz für geneigte Verglasungen wie Dachfenster oder Winter- garten realisiert werden.
Im BMWA-geförderten Grundlagenprojekt "Mikrofun" erarbeiten wir das Know-How und die Technologie, um zukünftig in enger Zusammenarbeit mit der Industrie, Verglasungsprodukte zu entwickeln.
Durch interferenzlithografische Strukturierung können wir große Flächen in einem Schritt strukturieren. Die derzeit zugänglichen Perioden liegen im Bereich ca. 0,3 µm bis ca. 50 µm.
Bei diesen Größenverhältnissen auftretende Beugungserscheinungen werden bei Design und Optimierung der Strukturen berücksichtigt. Die größeren Strukturperioden bis 50 µm wurden bereits in der laufenden zweiten Projektphase interferenzlithografisch generiert.
Ziel ist es, großflächig homogen strukturierte Prägewerkzeuge herzustellen und damit kostengünstig die Strukturen auf Folien zu replizieren.
Mit PVD Verfahren (Physical Vapour Deposition) können wir schaltbare Wolframoxidschichten flächig oder selektiv auf Flanken mit vorgegebener Orientierung aufbringen. Die Schaltung erfolgt durch Überströmen mit verdünntem Wasserstoff- oder Sauerstoffgas ("gaschrom"), wie es bereits für nicht-strukturierte Glassubstrate an Testfassaden des Instituts demonstriert wurde. Analog können wir auch absorbierende oder spiegelnde Schichten teilflächig-selektiv auf Mikrostrukturen aufbringen und so die Funktion auf eine gegebene Anforderung hin maßschneidern.
Das optische Verhalten der neuartigen Mikrostrukturen berechnen und optimieren wir sowohl mit strahlenoptischen Verfahren (Strahlverfolgung) wie auch wellenoptischen Verfahren (rigorose Wellenanalyse).
Zusammenfassung
Die prinzipielle Machbarkeit unserer Ideen konnte in der ersten Projektphase erfolgreich demonstriert werden. Zwei ausge- wählte Produktlinien werden in der zweiten Projektphase in enger Zusammenarbeit mit der Industrie weiterentwickelt und die Entwicklung der gesamten Prozesskette von der großflächigen Generierung bis zur Integration in Fassadenelemente wird weiter vorangetrieben. Für weitere Produktlinien (siehe Produktideen) suchen wir Kooperationspartner, die sich an der Weiterentwicklung beteiligen.
A New generation of control devices for solar shading systems. This project is funded under the 5th Framework Programme of the EC. Contract N°: ENK6-CT-2002-00656
Objectives
The objective is to develop a new generation of control devices for solar shading systems, glare control systems, electric lighting and HVAC systems for the simultaneous optimisation of building energy consumption and comfort.
They can considerably reduce the peak cooling load and reduce the total annual building energy consumption.
Another goal is the development of glare criteria for windows and daylighting systems, which can be used for control purposes and the development of a new device for luminance measurements.
A design tool will be developed to predict the energy impact of different control strategies. It will contain a rating scheme for visually and/or thermally uncomfortable situations.
Description of the work
The work is split into seven work packages with a number of subtasks:
The four core work packages of the project, covering 80% of the activities in the group, are:
Expected results and exploitation plans
The following expected results contribute to solve problems emphasised in Key Action 6.1.3. and 6.1.1:
- Criteria for glare rating to be used as input for building management systems
- Measurement device for luminance measurement
- Prototype controller for optimisation of building energy consumption and comfort
- Design tool for energy and comfort optimisation to be used in building planning
- Implementation of prototype controller in pilot building for test and presentation to the public
Partners
Co-ordinator:
- Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE (D)
- Danish Building and Urban Research (DK)
- Ingélux S.A.R.L. (F)
- Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne (CH)
- Hüppe Form (D)
- TechnoTeam (D)
- Bug-Alu Technic AG (AU)
- Servodan S/A (DK)
Contractors:
- innovative Produkte der Verschattung von unterschiedlichen Herstellern,
- installierte Fassadensysteme,
- neue Produkte und Materialien,
- Technologien zur passiven Kühlung und zur solarunterstützten Klimatisierung,
- Tools aus der energetischen und lichttechnischen Simulation zur Integralen Planung,
- Monitoringprogramme,
- Demonstrationsbeispiele,
- Dokumentationen zu neuen Produkten und Technologien.
Auftraggeber/Förderung: Fraunhofer Gesellschaft
Projektlaufzeit: 01.01.2002 – 31.12.2007
Das Fraunhofer Solar Building Innovation Center ist das Demonstrationszentrum „Solares Bauen“ der Fraunhofer-Institute für Bauphysik Stuttgart/Holzkirchen und Solare Energiesysteme Freiburg. Aufgabe und Ziel des SOBIC ist die Unterstützung der beiden Fraunhofer-Institute beim Transfer der Ergebnisse des Solaren Bauens aus Forschung und Ent- wicklung in die kommerzielle Anwendung.
Auch im Jahr 2005 war der „Sommerliche Wärmeschutz“ in kommerziellen Gebäuden der Themenschwerpunkt der Ausstellung in Freiburg. In dieser Ausstellung präsentierten wir
Durch den unmittelbaren Kontakt zu den ausgestellten Exponaten und eine kompetente individuelle Beratung erhalten Hersteller, Architekten und Planer, Investoren sowie andere Entscheidungsträger die notwendigen Informationen zur Um- setzung ihrer Ideen. Wir begleiten sie von der Produktidee bis zur Markteinführung, vom Planungsentwurf bis zur Qualitäts- kontrolle ihres Bauvorhabens.
Fachseminare und andere Fachveranstaltungen unterstützen die Qualifizierung unserer Kunden und sichern ihnen einen Marktvorsprung beim Einsatz neuer und energieeffizienter Produkte und Technologien.
Informationen zum effizienten Bauen im Wohnbereich bietet die SOBIC-Ausstellung in Fellbach bei Stuttgart im Ausstellungszentrum Eigenheim und Garten .
Fenster- und Fassadentechnik
IBIG - Integrale Bewertungsverfahren innovativer Gebäudehülle
Auftraggeber/Förderung
Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA)
Projektlaufzeit: 1.10.2000 – 31.3.2004
In diesem Projekt wird die deutsche Mitarbeit in der IEA Task 27 „Performance of Solar Facades“ finanziert, in der die Bewertung von Komponenten der Gebäudehüllen in Bezug auf Energie, Lebensdauer und Umweltauswirkungen in einem internationalen Kooperation untersucht wird.
