Glasfasader präglar modern arkitektur. Medan solstrålning tjänar till att stödja uppvärmning på vintern, värms byggnadens interiör upp på sommaren och kräver aktiv kylning. Smarta fönster kan reglera solinstrålningen efter vädersituationen – en framtidsinriktad lösning i tider av energibesparing. Fraunhofer FEP har nu lyckats producera världens första termokroma skikt på ultratunt glas i en roll-to-roll process. Dessa resultat kommer att göra mekaniska persienner överflödiga i framtiden och samtidigt minska byggnadens kyl- och värmeenergibehov.

Kontorskomplex, offentliga byggnader och nybyggnationer kännetecknas mestadels arkitektoniskt av stora södervända fönster och glasfasader. Medan solstrålning tjänar till att stödja uppvärmning på vintern, värms det inre av byggnaden upp på sommaren och kräver aktiv kylning. Skuggning med hjälp av till exempel persienner minskar komforten och bidrar inte till användningen av värmetillförsel i byggnaden vintertid. Speciellt med tanke på den kommande höst- och vinterperioden i kombination med nuvarande statliga krav på energibesparing och energikrisen, erbjuder smarta fönster här en mycket attraktiv lösning. Sådana fönster kan reglera värmetillförseln av solstrålning efter vädersituationen.

Beläggningsteknik för termokroma och elektrokroma beläggningar

Fraunhofer FEP forskar om ytbeläggningar som här kan ge ett stort bidrag och möjliggöra en minskning av värmestrålningen genom fönsterglas in i byggnaden. Våra forskare arbetar tillsammans med projektpartners, till exempel i EU-projektet "Switch2Save" om aktiva, smarta beläggningssystem som använder effekterna av elektrokromism (växling av energiöverföring genom att applicera en spänning) och termokromism (växling av energiöverföring genom att överskrida/ faller under en temperatur). Sådana elektrokroma filmer kan användas i isolerglas och används inte bara i nya byggnader. Eftermontering av befintliga byggnader är också möjligt och är föremål för det nyligen lanserade projektet "FLEX-G4.0"

För närvarande finns vissa passiva teknologier, såsom SolarControl-system och låg-E-beläggningar (låg emissivitet) redan kommersiellt tillgängliga på marknaden. Dessa tunna beläggningar producerade på folie eller glas leder dock endast till en permanent justering av energitransmittansen. De fungerar därför bara i en inställning, t.ex. för att förhindra värmestrålning på sommaren. Vintertid hålls detta dock ute på samma sätt. Dessutom använder de sig av dyra resurser som silver i tillverkningsprocessen. Fraunhofer-forskarna fokuserar därför på att optimera egenskaperna och ersätta sådana knappa material.

Med alla teknologier – oavsett om de är passiva (low-E; SolarControl) eller aktiva (elektrokromisk; termokromisk) – är utmaningen att bemästra balansgången mellan de olika egenskaperna som ska vara effektiva samtidigt:Gör det optiska intrycket och det optiska effektivitet i olika våglängdsområden spelar större roll eller är detta försumbart jämfört med en stor energitransmittans. Likaså måste intervallet för omkopplingstemperaturer för termokroma beläggningar och, naturligtvis, tillverkningskostnaderna också beaktas.

För att hitta mångsidiga och nya lösningar för detta utvecklar forskare vid Fraunhofer FEP för närvarande beläggningsteknologier för termokroma element på ultratunt glas. Substratmaterialet med en tjocklek av ca. 100 µm ställer höga krav på hantering och skalning till större ytor har hittills visat sig mycket svårt. Samtidigt är användningen av en polymerfilm som ett alternativt substrat, vilket skulle kunna underlätta hanteringen, inte genomförbart utan vidare. Anledningen till detta är de höga temperaturerna i tillverkningsprocessen.

Första termokroma beläggningar på tunt glas i roll-to-roll process över hela världen

I början av 2022 lyckades forskare vid Fraunhofer FEP producera världens första termokroma skikt baserat på vanadindioxid på ultratunt glas med hjälp av den effektiva roll-to-roll-tekniken. Dr. Cindy Steiner, gruppledare på Fraunhofer FEP, är nöjd:"Vi har därmed tagit ett viktigt steg i att skala tekniken från laboratorie- till pilotskala med vår roll-to-roll-utrustning! De termokroma beläggningarna ändrar sin transmission i det infraröda området när en viss temperatur överskrids. Transmissionen i det synliga området förblir oförändrad. Således märker användaren ingen optisk förändring i fönstret och har inga begränsningar i ljuskomfort eller sikt. Detta blockerar effektivt värmestrålning på sommaren, vilket minskar behovet för luftkonditionering. På vintern tillåts värmestrålning från solen att passera igenom, vilket resulterar i besparingar i energiförbrukningen för uppvärmning."

Omkopplingstemperaturen är runt 20°C, vilket innebär att det termokroma tunna glaset som är fäst vid byggnader växlar mellan transmissivt och reflekterande tillstånd när det värms upp över 20°C." Denna switchtemperatur kan justeras enligt klimatkrav genom kompositionen, processkontroll och struktur för lagersystemet", tillägger Dr. Steiner.

I nästa steg ska tekniken skalas upp och föras till marknadsmognad. Forskningsämnen är särskilt optimering av substrathantering, långsiktig stabilitet och justering av den erforderliga växlingstemperaturen.

Kombinationen av tekniker som presenteras här gör mekaniska persienner överflödiga i framtiden och kan minska en byggnads kyl- och värmeenergibehov med mellan tio och i extrema fall upp till 60 %. + Utforska vidare

Smarta fönster som skyddar mot solstrålning kan hjälpa till att minska växthusgaserna