Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der Nanyang Technological University in Singapur (NTU Singapur) hat ein Material entwickelt, das sich bei der Beschichtung einer Glasscheibe selbsttätig anpasst, um Räume in verschiedenen Klimazonen der Welt zu heizen oder zu kühlen und so den Energieverbrauch zu senken. Das von NTU-Forschern entwickelte Glas, über das in der renommierten Fachzeitschrift Science berichtet wird, reagiert automatisch auf wechselnde Temperaturen, indem es zwischen Heizung und Kühlung umschaltet.
Das selbstanpassende Glas wurde unter Verwendung von Schichten aus Vanadiumdioxid-Nanopartikeln, Poly(methylmethacrylat) (PMMA) und einer Beschichtung mit niedrigem Emissionsvermögen entwickelt, um eine einzigartige Struktur zu bilden, die Heizung und Kühlung gleichzeitig regulieren kann.
Das neu entwickelte Glas, das keine elektrischen Komponenten enthält, nutzt die Lichtspektren, die für Heizung und Kühlung verantwortlich sind. Im Sommer unterdrückt das Glas die solare Erwärmung (Nahinfrarotlicht) und verstärkt die Strahlungskühlung (langwelliges Infrarot) - ein natürliches Phänomen, bei dem Wärme durch Oberflächen in Richtung des kalten Universums abgegeben wird - um den Raum zu kühlen. Im Winter bewirkt sie das Gegenteil und erwärmt den Raum. In Labortests, die mit einer Infrarotkamera durchgeführt wurden, um die Ergebnisse zu visualisieren, konnte das Glas unter verschiedenen Bedingungen (Raumtemperatur - über 70 °C) eine kontrollierte Wärmemenge abstrahlen und so seine Fähigkeit unter Beweis stellen, dynamisch auf wechselnde Wetterbedingungen zu reagieren.
Neues Glas reguliert sowohl Heizung als auch Kühlung
Fenster sind eine der wichtigsten Komponenten in der Konstruktion eines Gebäudes, aber auch die am wenigsten energieeffiziente und komplizierteste Komponente. Allein in den Vereinigten Staaten macht der fensterbedingte Energieverbrauch (Heizung und Kühlung) in Gebäuden jedes Jahr etwa vier Prozent des gesamten Primärenergieverbrauchs aus, so eine Schätzung auf der Grundlage von Daten des US-Energieministeriums.
Zwar haben Wissenschaftler andernorts nachhaltige Innovationen entwickelt, um diesen Energiebedarf zu senken - wie etwa Beschichtungen mit niedrigem Emissionsgrad, die die Wärmeübertragung verhindern, und elektrochromes Glas, das durch Tönung die Sonneneinstrahlung in den Raum reguliert -, aber keine dieser Lösungen war bisher in der Lage, gleichzeitig Heizung und Kühlung zu regulieren.
Der Hauptautor der Studie, Dr. Long Yi von der NTU School of Materials Science and Engineering (MSE), sagte: "Die meisten energiesparenden Fenster befassen sich heute mit dem Teil des solaren Wärmegewinns, der durch sichtbares und nahinfrarotes Sonnenlicht verursacht wird. Die Forscher übersehen jedoch oft die Strahlungskühlung im langwelligen Infrarotbereich. Während Innovationen, die sich auf die Strahlungskühlung konzentrieren, an Wänden und Dächern eingesetzt werden, wird diese Funktion im Winter unerwünscht. Unser Team hat zum ersten Mal ein Glas demonstriert, das auf beide Wellenlängen positiv reagieren kann, was bedeutet, dass es sich kontinuierlich selbst anpassen kann, um auf eine sich ändernde Temperatur in allen Jahreszeiten zu reagieren.
Aufgrund dieser Eigenschaften ist das NTU-Forschungsteam der Ansicht, dass ihre Innovation eine bequeme Möglichkeit zur Energieeinsparung in Gebäuden bietet, da sie nicht auf bewegliche Komponenten, elektrische Mechanismen oder die Blockierung von Blicken angewiesen ist. Um die Leistung von Fenstern zu verbessern, ist die gleichzeitige Modulation sowohl der Sonnentransmission als auch der Strahlungskühlung von entscheidender Bedeutung, so die Koautoren Professor Gang Tan von der University of Wyoming, USA, und Professor Ronggui Yang von der Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China, der die Energiesparsimulation für Gebäude leitete.
"Diese Innovation schließt die Lücke zwischen herkömmlichen intelligenten Fenstern und Strahlungskühlung, indem sie eine neue Forschungsrichtung zur Minimierung des Energieverbrauchs eröffnet", sagte Prof. Gang Tan. Die Studie ist ein Beispiel für bahnbrechende Forschung, die den Strategieplan NTU 2025 unterstützt, der darauf abzielt, die großen Herausforderungen der Menschheit im Bereich der Nachhaltigkeit anzugehen und die Umsetzung von Forschungsergebnissen in Innovationen zu beschleunigen, die die Auswirkungen des Menschen auf die Umwelt verringern.
Innovation für ein breites Spektrum von Klimatypen
Zum Nachweis des Konzepts testeten die Wissenschaftler die Energiesparleistung ihrer Erfindung anhand von Simulationen von Klimadaten aus allen besiedelten Teilen der Erde (sieben Klimazonen).
Das Team stellte fest, dass das von ihnen entwickelte Glas sowohl in der warmen als auch in der kalten Jahreszeit Energieeinsparungen ermöglicht, und zwar insgesamt bis zu 9,5 % oder ~330.000 kWh pro Jahr (geschätzter Energiebedarf für die Stromversorgung von 60 Haushalten in Singapur für ein Jahr) weniger als handelsübliches Glas mit niedrigem Emissionsgrad in einem simulierten mittelgroßen Bürogebäude.
Der Erstautor der Studie, Wang Shancheng, Forschungsstipendiat und ehemaliger Doktorand von Dr. Long Yi, sagte: "Die Ergebnisse beweisen, dass unser Glas in allen Klimazonen eingesetzt werden kann, da es den Energieverbrauch unabhängig von den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen bei Hitze und Kälte senken kann. Damit unterscheidet sich unsere Erfindung von aktuellen Energiesparfenstern, die in Regionen mit geringeren jahreszeitlichen Schwankungen nur begrenzt einsetzbar sind." Darüber hinaus kann die Heiz- und Kühlleistung ihres Glases an die Bedürfnisse des Marktes und der Region angepasst werden, für die es bestimmt ist.
"Wir können dies tun, indem wir einfach die Struktur und die Zusammensetzung der speziellen Nanokomposit-Beschichtung, die auf die Glasscheibe aufgetragen wird, anpassen, so dass unsere Innovation potenziell für eine breite Palette von Wärmeregulierungsanwendungen eingesetzt werden kann und nicht auf Fenster beschränkt ist", so Dr. Long Yi.
Professor Liangbing Hu, Herbert Rabin Distinguished Professor und Direktor des Zentrums für Materialinnovation an der University of Maryland, USA, vertrat eine unabhängige Meinung: "Long und seine Mitarbeiter haben die ersten intelligenten Fenster entwickelt, die das Sonnenlicht im nahen Infrarot und die langwellige Infrarotwärme regulieren können. Der Einsatz dieser intelligenten Fenster könnte für die Energieeinsparung und die Dekarbonisierung von Gebäuden von großer Bedeutung sein."
Weitere Informationen finden Sie unter:
https://www.ntu.edu.sg/news/detail/energy-saving-glass-self-adapts-to-heating-and-cooling-demand [This is automatically translated from English]