Aktive Fenster
Ein Projekt der Universität Kassel untersucht in Zusammenarbeit mit den Unternehmen „Von Waitz’sche Beteiligungen“ und der Firma „Energy Glas“ Einsatz und Möglichkeiten der Nano-Spiegeltechnologie in der Fenstertechnik. Winzige, elektronisch gesteuerte Spiegelflächen sollen die Tagelichtausleuchtung verbessern. Das einfallende Licht wird an die Decke gelenkt, konventionelle Sonnen- und Blendschutzsysteme, die den Raum verdunkeln, werden überflüssig. Gleichzeitig führt die Reduzierung des Einsatzes von künstlichen Lichtquellen zu Energieeinsparung.
Zum Schutz vor Blendung und direkter Sonneneinstrahlung werden die meisten Arbeitsplätze im Sommer durch konventionelle Jalousien verschattet, die manuell oder automatisch über Sensoren gesteuert werden. Um geeignete Lichtverhältnisse herzustellen, muss auf Kunstlicht zurück gegriffen werden. Ziel des vorgestellten Forschungsprojekts ist es, diesen Widerspruch aufzuheben. Mit Hilfe großflächiger Mikrospiegelanordnung im Scheibenzwischenraum konventioneller Isolierverglasung kann eine deutlich verbesserte Helligkeitsverteilung in Innenräumen erreicht werden. Die Spiegel werden elektronisch gesteuert, wobei Steuerungselemente und Sensoren außerhalb des Glases liegen. So können die Reflektoren zugleich zur Wärmeregulierung beitragen. Derartige "Aktive Fenster" können im Hinblick auf ressourcenschonendes und nachhaltiges Bauen zukünftig eine wichtige Rolle übernehmen. Einfache Nachrüstbarkeit prädestiniert die optisch "unsichtbare" Technik für den Einsatz im Bereich Denkmalschutz und Altbausanierung. Das Prinzip ist nicht neu. Mikrospiegel werden u.a. in Beamern eingesetzt. Eine echte Herausforderung ist hingegen die Fläche. Ziel des Projekts ist die Herstellung eines voll funktionalen Modells im Labormaßstab als Machbarkeitsstudie und Basis für den Industrietransfer. Das Konsortium bearbeitet unterschiedliche Schwerpunkte. Das zentrale Thema ist die technologische Umsetzung der Mikrospiegelmodule. Die Realisierung greift dabei auf die Verwendung von Prozessen zurück, die so oder in ähnlicher Form in anderen Industriezweigen wie z.B. der Solarzellenherstellung Anwendung finden. Mittels Simulationen werden Beleuchtungsszenarien, Energiemanagement der Gebäude, sowie Design und Gestaltung untersucht. Ein dritter Schwerpunkt ist die Integration in bestehende Fenstertechnologien, Marktchancen sowie die Analyse der Lebenszyklen der Materialien und die Ökobilanz des Systems.
Das fertige inzwischen 10 x 10 cm große Demonstrationsmodul besteht aus Untersegmenten, die einzeln angesteuert werden können. Sowohl die verwendeten Materialien als auch die entwickelten Prozesse können auf Industrieanlagen übertragen werden. Wirkungsgrad, Fehlerdichte, Lebensdauer und Anfälligkeit wurden untersucht, sowie der Energieaufwand, der zur Steuerung der Spiegelmodule erforderlich ist. Als Vergleichsobjekt dienten konventionelle Lichtlenkjalousien mit reflektierenden horizontalen Alulamellen. Als Ergebnis der energetischen und ökologischen Untersuchung des Herstellungsprozesses kann eine durchweg positive Bilanz gegenüber dem Vergleichssystem verbucht werden. Das Energieeinsparpotential an Primärenergie während der Nutzungsdauer ist beträchtlich, obwohl das Mikrospiegelsystem im direkten Vergleich mit geschlossenen Jalousien höhere Kühllasten generiert. Diese werden durch den wesentlich geringeren Energiebedarf für Beleuchtung überkompensiert. Die kleinen Spiegel sind aufgrund ihrer geringen Größe außerordentlich stabil. Für das gesamte System rechnet man mit einer Lebensdauer von etwa 30 Jahren. Durch die Studie wurde die Machbarkeit und Übertragbarkeit der Herstellung aufgezeigt. Darüber hinaus bestätigten sich Annahmen über energetische und anwendungstechnische Vorteile gegenüber herkömmlichen Technologien.
Anwendungsmöglichkeiten in der Architektur
Neben dem wichtigen Aspekt der Energieeinsparung könnten die "Aktiven Fenster" aus architektonischer Sicht zur nachhaltigen Lösung weiterer regelmäßig auftretender und wohl bekannter Probleme beitragen. Für die Aufenthaltsqualität in Räumen, für einen gesunden Arbeitsplatz sind sowohl ein praktikabler Sonnenschutz als auch ausreichende und gute Lichtverhältnisse unabdingbar. Oft ergeben sich diesbezüglich Anforderungen, denen ein System allein nicht gerecht werden kann. Eine Kombination aus Verdunklungsvorhängen, reflektierenden Jalousien und Tageslichtleuchten ist der Versuch, im Bedarfsfall flexibel zu reagieren. Dabei kompensiert die künstliche Beleuchtung die Verschlechterung der Lichtverhältnisse durch den Blendschutz bei doppeltem Energieaufwand. In vielen Bereichen ist ein über Sensoren gesteuerter automatischer Sonnenschutz erforderlich. Viele Nutzer ärgern sich gleichzeitig über unkontrollierbare Veränderungen der Lichtverhältnisse durch permanentes Zu- und Auffahren der Rollos. Im Bereich Denkmalschutz und Altbausanierung sind konventionelle Sonnenschutzsysteme nur bedingt einsetzbar. Außen liegende Systeme kommen entweder aus optischen Gründen nicht in Frage, die mechanischen Befestigungsmöglichkeiten sind nicht gegeben oder Rundbogenfenster stehen der Geometrie entgegen.
Auszeichnungen und Ausblick
Das Projekt wurde 2006 mit dem "European Grand Prix for Innovation Award" ausgezeichnet und war "Ausgezeichneter Ort im Land der Ideen 2009". Als rechtliche Absicherung der Technologien wurden zwei Patente angemeldet. Das Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik an der Universität Kassel arbeitet an der Weiterentwicklung des Projekts und konnte das Modul bereits vergrößern. Im Rahmen eines von der EU geförderten Modellprojekts soll innerhalb der nächsten fünf Jahre ein erster Prototyp in ein CO2-neutrales Wohnhaus eingebaut werden.
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Bildrechte: Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik INA, Universität Kassel
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