Wissenschaftler entwickeln energiesparendes “Liquid Window” aus Hydrogel.

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Wissenschaftler an der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur) haben ein Flüssigkeitsfensterpaneel entwickelt, das gleichzeitig die Sonne blockieren kann, um die Sonnendurchlässigkeit zu regulieren, während es gleichzeitig Wärme einfängt, die bei Tag und Nacht freigesetzt werden kann, und so zur Senkung des Energieverbrauchs in Gebäuden beiträgt.

Die NTU-Forscher entwickelten ihr “intelligentes Fenster”, indem sie eine Flüssigkeit auf Hydrogel-Basis in Glasscheiben einlegten, und fanden heraus, dass es in Simulationen den Energieverbrauch für Heizung, Lüftung und Klimatisierung in Gebäuden im Vergleich zu herkömmlichen Glasfenstern um bis zu 45 Prozent senken kann. Darüber hinaus ist es rund 30 Prozent energieeffizienter als handelsübliches Glas mit niedrigem Emissionsgrad (energieeffizientes Glas) und gleichzeitig kostengünstiger in der Herstellung.

Das “intelligente Fenster” ist das erste in einer wissenschaftlichen Zeitschrift berichtete Beispiel für energiesparende intelligente Fenster, die mit Hilfe von Flüssigkeiten hergestellt werden, und unterstützt die Vision des NTU Smart Campus, die darauf abzielt, technologisch fortschrittliche Lösungen für eine nachhaltige Zukunft zu entwickeln.

Fenster sind eine Schlüsselkomponente im Design eines Gebäudes, aber sie sind auch der am wenigsten energieeffiziente Teil. Aufgrund der Leichtigkeit, mit der Wärme durch Glas übertragen werden kann, haben Fenster einen erheblichen Einfluss auf die Heiz- und Kühlkosten eines Gebäudes. Laut einem Bericht der Vereinten Nationen aus dem Jahr 2009 sind Gebäude für 40 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich, und Fenster sind für die Hälfte dieses Energieverbrauchs verantwortlich.

Herkömmliche energiesparende Fenster mit niedrigem Emissionsgrad werden mit teuren Beschichtungen hergestellt, die den Durchgang von Infrarotlicht in ein Gebäude oder aus einem Gebäude heraus reduzieren und so dazu beitragen, den Heiz- und Kühlbedarf zu senken. Sie regulieren jedoch nicht das sichtbare Licht, das ein Hauptbestandteil des Sonnenlichts ist, das die Erwärmung von Gebäuden verursacht.

Um ein Fenster zur Überwindung dieser Einschränkungen zu entwickeln, wandten sich die NTU-Forscher dem Wasser zu, das eine hohe Wärmemenge absorbiert, bevor es anfängt, heiß zu werden – ein Phänomen, das als hohe spezifische Wärmekapazität bekannt ist.

Sie stellten eine Mischung aus Mikro-Hydrogel, Wasser und einem Stabilisator her und fanden durch Experimente und Simulationen heraus, dass es aufgrund seiner Fähigkeit, auf eine Temperaturänderung zu reagieren, den Energieverbrauch in einer Vielzahl von Klimazonen wirksam reduzieren kann. Dank des Hydrogels wird die flüssige Mischung bei Wärmeeinwirkung undurchsichtig, wodurch Sonnenlicht blockiert wird, und kehrt bei Abkühlung in ihren ursprünglichen “klaren” Zustand zurück.

Flüssigkeitsfenster” am besten geeignet für Bürogebäude

Gleichzeitig ermöglicht die hohe Wärmekapazität von Wasser die Speicherung einer großen Menge an Wärmeenergie, die nicht durch das Glas und in das Gebäude während der heißen Tageszeit übertragen wird. Die Wärme wird dann allmählich abgekühlt und nachts wieder abgegeben.

Dr. Long Yi, Hauptautor der in der Zeitschrift Joule veröffentlichten Forschungsstudie und Senior Lecturer an der School of Materials Science & Engineering, sagte: “Unsere Innovation kombiniert die einzigartigen Eigenschaften beider Arten von Materialien – Hydrogel und Wasser. Durch die Verwendung einer Flüssigkeit auf Hydrogelbasis vereinfachen wir den Herstellungsprozess zum Gießen der Mischung zwischen zwei Glasplatten. Dies verleiht dem Fenster den einzigartigen Vorteil einer hohen Gleichmäßigkeit, was bedeutet, dass das Fenster in jeder Form und Größe hergestellt werden kann”.

Aufgrund dieser Eigenschaften ist das NTU-Forschungsteam der Ansicht, dass sich ihre Innovation am besten für den Einsatz in Bürogebäuden eignet, in denen die Betriebszeiten meist am Tag liegen.

Als Machbarkeitsnachweis führten die Wissenschaftler Tests im Freien in heißen (Singapur, Guangzhou) und kalten (Peking) Umgebungen durch.

Der Test in Singapur ergab, dass das intelligente Flüssigkeitsfenster während der heißesten Tageszeit (Mittag) eine niedrigere Temperatur (50°C) aufwies als ein normales Glasfenster (84°C). Die Peking-Tests zeigten, dass der Raum, in dem das intelligente Flüssigkeitsfenster verwendet wurde, im Vergleich zu einem Raum mit einem normalen Glasfenster 11 Prozent weniger Energie verbrauchte, um die gleiche Temperatur aufrechtzuerhalten.

Intelligentes Fenster verschiebt Stromlastspitze, blockiert Lärm

Die Wissenschaftler maßen auch, wann der höchste Wert der gespeicherten Wärmeenergie des Tages auftrat.

Diese “Temperaturspitze” im normalen Glasfenster betrug 12 Uhr abends, und im intelligenten Flüssigkeitsfenster wurde sie auf 14 Uhr verschoben. Wenn diese Verschiebung der Temperaturspitze in eine Verschiebung der Zeit übersetzt wird, die ein Gebäude benötigt, um elektrische Energie zum Kühlen oder Heizen des Gebäudes zu verbrauchen, sollte dies zu niedrigeren Energietarifgebühren für die Nutzer führen.

Simulationen unter Verwendung eines realen Gebäudemodells und der Wetterdaten von vier Städten (Shanghai, Las Vegas, Riad und Singapur) zeigten, dass das intelligente Flüssigkeitsfenster im Vergleich zu herkömmlichen Glasfenstern und Fenstern mit niedrigem Emissionsgrad in allen vier Städten die beste Energiesparleistung aufwies.

Schalldämmungstests ergaben auch, dass das intelligente Flüssigkeitsfenster den Lärm um 15 Prozent effektiver reduziert als doppelt verglaste Fenster.

Der Erstautor der Studie, Wang Shancheng, Projektleiter an der School of Materials Science & Engineering, sagte: “Schallschutzfenster mit Doppelverglasung bestehen aus zwei Glasscheiben, die durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind. Unser Fenster ist ähnlich konstruiert, aber anstelle von Luft füllen wir den Spalt mit dem

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