• Wachsende Hitze – neue Fenster

Wachsende Hitze – neue Fenster

02.05.2019 MICHAEL STAUB, Journalist BR, Kriens

Wenn es heiss wird, fahren an den Schweizer Gebäuden die Jalousien herunter. Zugleich werden Klimaanlagen und Kunstlicht eingeschaltet. Diese doppelte Energieverschleuderung könnte bald vermieden werden. An der EPFL in Lausanne entwickelt man Fenster, die unerwünschte Hitzestrahlung abweisen und mehr Tageslicht in den Raum lassen.

In den letzten Jahrzehnten sind die durchschnittlichen Jahrestemperaturen in der Schweiz deutlich gestiegen. Die langfristige Erwärmung des Klimas wird auch in Zukunft für höhere Temperaturen sorgen. Bei der Sanierung oder dem Neubau von Gebäuden wird es deshalb nicht nur um optimale Wärmedämmung für die kalte Jahreszeit gehen, sondern auch um einen angemessenen Wärmeschutz für die immer heisseren Sommer. Dies ist auch nötig, weil das durchschnittliche Alter der Schweizer Wohnbevölkerung rasant ansteigt. «Ältere Menschen vertragen die Hitze sehr schlecht. Wir werden überzeugende Lösungen für die Kühlung der Gebäude finden müssen», sagt Peter Richner. Er ist stellvertretender Direktor der Empa und leitet das Swiss Competence Center for Energy Research – Future Energy Efficient Buildings & Districts (SCCER – FEEB & D). Dieses forscht im Auftrag der Kommission für Technologie und Innovation (KTI), wie die Energiestrategie 2050 umgesetzt werden kann.

Zum von Peter Richner geleiteten Zentrum gehören nebst Mitarbeitern der Empa auch Forscher der EPFL und weiterer Hochschulen. Ein Thema, das sie unter die Lupe nehmen, sind Fenstergläser. In den Herbstund Wintermonaten erfüllen moderne Fenster ihre Aufgaben meist gut. Sie sorgen für eine angemessene Wärmedämmung und reduzieren damit den Heizwärmebedarf. Etwas anders sieht es im Frühling und Sommer aus: Der solare Wärmeeintrag, also die Aufheizung der Raumluft durch die Sonnenstrahlen, sorgt im Nu für höhere Temperaturen. Diese Wärme wieder aus den Wohnungen und Häusern zu bekommen, ist anspruchsvoll. Häufig wird das Problem mit Klimaanlagen gelöst, welche oftmals enorme Strommengen beziehen. Doch auch die externe Beschattung durch Jalousien oder Storen sorgt für ein bekanntes Problem: Trotz schönstem Wetter werden viele Räume verdunkelt und anschliessend mit Kunstlicht beleuchtet.

Winzige Spiegel

Mit einer neuen Technologie, die derzeit an der EPFL entwickelt wird, sollen nun beide Fliegen auf einen Streich geschlagen werden. «Wir streben eine Glasoberfläche an, die sowohl mehr Licht in die Innenräume bringt, als auch den unerwünschten Wärmeeintrag reduziert», sagt Andreas Schüler, Forschungsgruppenleiter an der EPFL. Den ersten Schritt haben die Forscher bereits in die Praxis umgesetzt: An der Südfassade des «Laboratoire d’Energie Solaire et de Physique du Bâtiment» (Leso) sind grosse Spiegel montiert. Diese sitzen auf der Innenseite vor dem oberen Drittel der Fensterflächen und bringen im Winter zusätzliches Tageslicht in die Tiefe des Raumes. «Im Winter funktioniert das sehr gut, die Mitarbeiter sind begeistert», berichtet Schüler. Im Sommer müsse man aber mit mechanischen Storen arbeiten, um den Wärmeeintrag zu vermindern. Zudem benötigt das Spiegelsystem an der Fassade etwa 50 bis 90 Zentimeter Platz, was nur wenige Architekten begeistert.

Die Lösung dieser Probleme heisst Miniaturisierung. Die Spiegel wurden gleichsam geschrumpft, sie sind nun so klein, dass sie in Laborversuchen schon direkt auf das normale Fensterglas angebracht werden können. Das Team der EPFL steckt noch mitten in der Laborphase, kann aber schon erste Erfolge vorweisen. «Wir haben sehr viele Simulationen gemacht und anhand dieser Daten das Design entwickelt. Mit zwei kombinierten Spiegelserien können wir nun gewisse Einstrahlungswinkel komplett blockieren», sagt Andreas Schüler. So könnten beispielsweise im Sommer die Sonnenstrahlen zur Mittagszeit die Fensterscheibe gar nicht mehr passieren – der gefürchtete Backofeneffekt bliebe damit aus.

Weltweit einsetzbar

Die präzise Herstellung der Mikrospiegel und deren «Einbau» in eine Folie ist sehr aufwendig. Gemeinsam mit BASF Schweiz entwickelt man derzeit die Produktionsprozesse. Im Moment sind die fertigen Versuchsflächen noch wenige Quadratzentimeter gross. Die Forscher an der EPFL hoffen jedoch, noch in diesem Jahr die «mittlere Grösse» zu erreichen – dies entspräche ungefähr einer A4-Seite. Sofern die Industriepartner weiterhin motiviert mitziehen, rechnet Andreas Schüler mit etwa drei bis fünf Jahren bis zur Marktreife: «Wenn wir die Produktion der Mikrospiegel wie angedacht hinbekommen, gäbe es dann eine Folie, die auf ganz normales Flachglas laminiert werden kann.» Ein solches Fenster könnte danach gut und gerne 25 bis 50 Jahre seinen Dienst verrichten.

Eine zweite Technologie, die das Blockieren unerwünschter Einstrahlung ermöglicht, sind die sogenannten elektrochromen Fenster. Diese Fenster können ihre optischen Eigenschaften dank geringen elektrischen Spannungen ändern. In manchen Schweizer Firmen nutzt man solche Gläser bereits für Besprechungsräume: Ist das Zimmer leer, sind die Glaswände transparent. Will man eine Besprechung abhalten, kann man die Scheiben per Knopfdruck auf «diskrete Verdunkelung» schalten. In den USA und teilweise auch in Deutschland sind solche elektrochrome Fenster schon recht weit verbreitet. 

In der klassischen Technologie ist ein elektrochromes Fenster wie eine Batterie aufgebaut: Zwischen zwei Scheiben mit elektrochromen Schichten liegt in einer Art Sandwich- Konstruktion ein halbfester und gelartiger Ionenleiter. Solche Flüssigelektrolyte können nach einigen Jahren zu Problemen führen. Wenn die Versiegelung der Fenster nicht einwandfrei ist, kann das Material ausgasen, die Funktion des Fensters wird dadurch beeinträchtigt.

Flexibler Sonnenschutz

Ein zweites wichtiges Fensterprojekt an der EPFL beschäftigt sich deshalb mit der Erforschung von neuartigen elektrochromen Schichtsystemen, die auf festen Ionenleitern beruhen. Angestrebt wird ein vereinfachter Aufbau, bei dem alle Schichten als Stapel auf eine Glasscheibe aufgebracht sind. Hierbei liegt zwischen zwei festen elektrochromen Schichten ein ebenfalls fester Ionenleiter. Diese Kombination soll eine längere Lebensdauer sowie das schnellere und einfachere «Umschalten » der Lichtdurchlässigkeit ermöglichen. Auch dieses elektrochrome Glas soll am Schluss so einfach wie möglich zu verbauen sein. «Wir möchten das ganze System auf einer einzigen Fensterscheibe haben. So könnte man das elektrochrome Glas als äusserste Schicht eines mehrfachverglasten Fensters nutzen», führt Andreas Schüler aus. Weil das Lichtempfinden des Menschen differenzierter ist als «Lampe ein – Lampe aus», will man die Lichtdurchlässigkeit möglichst fein steuern. Das Ziel ist ein Fenster, das lernfähig ist und auf die Vorlieben der Bewohner Rücksicht nimmt. «Wenn die Bewohner zum Beispiel jeden Nachmittag gegen drei Uhr geblendet werden, können wir das abfangen. Das Fenster würde sich dann automatisch etwas stärker verdunkeln », sagt Schüler.

Sowohl die Mikrospiegel als auch das elektrochrome Fenster werden also «schlaue» Lösungen sein. Dies festzuhalten, ist wichtig. Denn der Begriff «Smart Windows» wurde bisher vor allem für Spielereien verwendet. Samsung kündete vor einigen Jahren zum Beispiel ein Fenster an, das einem Touchscreen entsprechen sollte. Das Bedürfnis, auch noch auf dem Schlafzimmerfenster E-Mails zu lesen, dürfte aber etwas weniger dringend sein als der Wunsch nach kühlen, angenehm temperierten Wohnräumen. Gerade deshalb darf man auf die beiden Projekte der EPFL gespannt sein.