Bessere Lichtverhältnisse in Gebäuden

Die von der ITC-CNR durchgeführten Untersuchungen verglei­chen die Effizienz von tra­di­tio­nel­len Fenstern und elektro­chro­ma­tischen Gläsern unter Real­be­dingungen.

Mithilfe eines experimentellen Auf­baus wurden Wärme- und Feuchte­parameter und Licht­durch­lässig­keits­faktoren in beiden Test­gebäuden bestimmt, während der Energieverbrauch für die Gebäudeklimatisierung ermittelt wurde. Unter Verwendung dieser Daten wurde das Steuerungssystem des elektro­chro­matischen Fensters entspre­chend verändert, um den Wir­kungsgrad im Hinblick auf die Lichtdurchlässig­keit und Ener­gie­effizienz zu maximieren.

Versuchsbedingungen

Der experimentelle Aufbau besteht aus zwei Testgebäuden, die nebeneinander platziert sind. Beide Gebäude sind bezüglich ihrer Abmessungen und des verwendeten Baumaterials identisch. Die zur Datenerfassung verwendeten Sensoren sind ebenfalls identisch. Der einzige Unterschied besteht in den Fenstern der Testgebäude. Die Fenster beider Gebäude sind nach Süden ausgerichtet, jedoch enthält eines der Gebäude Standardfensterglas, während das Fens­ter des anderen Gebäudes elektrochromatisches Glas verwendet.

Der Wärmedurchgangskoeffizient beider Fenstertypen ist ver­gleich­bar. Die einzigen Variablen, in denen sich die Fenster unterscheiden, sind Lichtdurchlässigkeit sowie der solare Wärmegewinn (g-Wert), welche im Fall des Standardfensters nicht verändert werden können. Der Effizienzgrad des elektrochromatischen Glases wird durch den Vergleich der Wärme- und Feuchte­parameter, des Transparenz-Faktors und des benötigten Energieaufwands zur Klima­tisierung des Testgebäudes reguliert.

Die hier beschriebene Untersuchung wurde in Zusammenarbeit mit Sage Electrochromics und Quantum Glass Saint Gobain, ver­ant­wortlich für den Vertrieb von Sage-Produkten in Europa, durch­geführt.

Fenster mit elektrochromatischem Glas

Die elektrochromatische (EC-)Struktur von „SageGlass“ besteht aus fünf Metalloxid-Schichten. Bei Anlegen niedriger elektrischer Spannung verdunkelt sich das Glas, was auf einem Austausch von Lithium-Ionen zwischen den einzelnen Metalloxidschichten beruht. Wird die Polarität der Spannung umgekehrt, kehren die Ionen in ihre Ausgangsschicht zurück, was die Lichtdurchlässigkeit des Glases wieder erhöht.

Das in der hier beschriebenen Studie verwendete elektrochromatische Glas ist Sicherheits-Isolierglas mit Argon-Füllung. Die Lichtdurchlässigkeit beträgt maximal 62 % und minimal 2 %, der korrespondierende Wärmegewinn 0,47 bzw. 0,09. Der Wärme­durchgangskoeffizient wurde als 1,5 W/m² K ermittelt. Die Fensterfläche beträgt 1,5 m². Im Unterschied zu den EC-Glasarten aus den Sechzigerjahren mit beschränkten Abmessungen und einer auf „An/Aus“, d.h. Volltönung/keine Tönung, beschränkten Steuerung erlaubt das hier beschriebene Glas die Regulierung der Lichtdurchlässigkeit in bis zu 24 Stufen. Das in der vorliegenden Studie verwendete Standardfenster besitzt ebenfalls einen Wärmedurchgangskoeffizienten von 1,5 W/m² K, eine Lichtdurchlässigkeit von 72 % und einen korrespondierenden Wärmegewinn von 0,57. Die Verwendung einer speziellen Jalousie reduziert die Lichtdurchlässigkeit auf 33 % und senkt den Wärmegewinn auf 0,44 W/m²K. Beide Fensterarten befinden sich in identischen Wärmebrücken-Aluminiumrahmen mit einem Wärmedurchgangskoeffizienten von 2,26 W/m²K.

Die Testgebäude

Die Fenster beider Testgebäude zeigen exakt nach Süden. Die Stütz­struktur beider Gebäude besteht aus verstärktem Leichtbeton mit extern angebrachtem Wärmedämmungsmaterial, mit Ausnahme der Gebäude-Südseite, für die in beiden Fällen Polystyrol-Platten verwendet wurden.

Beide Testgebäude sind mit einem Datenerfassungssystem ausgestattet, welches

In den Gebäuden befinden sich neben Temperatur- und Luftfeuch­tig­keitssensoren ebenfalls ein Schwarzkugelthermometer sowie vier Beleuchtungsmesser zur Ermittlung des rauminternen Lichtgradienten und zur Berechnung des Tageslichtfaktors. Zusätz­lich befinden sich im Gebäude mit EC-Verglasung drei weitere Lichtsensoren, die die aktuelle Lichtdurchlässigkeit des Fensters regulieren, die allerdings ebenfalls mittels eines Lichtsensors im Hinblick auf Jahreszeit und Vorgaben durch Raumnutzer kontrolliert werden kann.

Beide Gebäude sind mit einem Datenlogger ausgestattet, der Messwerte in 10 s-Intervallen erfasst, speichert und über 5 min gemittelte Durchschnittswerte errechnet. Eine außerhalb der Gebäude vorhandene Wetterstation zeichnet die meteorolo­gischen Bedingungen in der Gebäudeumgebung auf.

Konfiguration der elektrochromatischen Verglasung

Die experimentelle Konfiguration der EC-Verglasung umfasst vier Steuerungsansätze, abhängig von der Jahreszeit (Sommer/Winter) sowie der Raumbelegung (Werktage/Wochenenden). Die Ansätze sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Zahl der Regelstufen der Verglasung (minimal 5, maximal 24) und die Position der Sensoren wurden jeweils verändert, um die Konfigurationen einheitlich zu halten.

Befunde der Energie­kostenanalyse

In einem ersten experimentellen Ansatz wurde die Effizienz einer 5-Stufensteuerung des elektrochromatischen Fensters untersucht. In diesem Zusammen­hang wurde der Sensor zur Steue­rungskontrolle zunächst direkt am Fenster platziert, dann in der Raummitte auf Höhe der Arbeitsfläche angebracht. Die generellen Vorgaben zur Beleuch­tungsstärke orientierten sich am gemäß UNI EN 12464 arbeitsrechtlich vorgeschriebenen Wert von 500 Lux.

Die Analyse des Energiever­brauchs für die Raumklima­tisierung wurde über einen kontinuierlichen Zeitraum von drei Wochen durchgeführt. Für die Sommermonate ergab sich bei einer Solltemperatur von 24 °C ein im Vergleich zum Testgebäude mit Standardverglasung um durchschnittlich 6 % reduzierter Energieaufwand, was auf eine effizientere Kontrolle der Sonneneinstrahlung ins Ge­bäude­innere zurückgeführt werden kann.

Jedoch ließ sich mit einer 5-Stufen-Steuerung des elektrochromatischen Fensters in den Wintermonaten keinerlei Energieersparnis erzielen. Im Gegenteil, der über einen Zeitraum von fünf Wochen ermittelte Energieverbrauch für Klimatisierung ergab bei einer Solltemperatur von 20 °C einen im Vergleich zu Standardverglasung um 17 % höheren Energieaufwand.

Der nächste experimentelle Ansatz bestand in einer 24-Stufen-Steuerung des elektrochromatischen Fensters mit einem in der Raummitte platzierten Sensor zur Steuerungskontrolle.

Der resultierende Energieverbrauch wird im Bild 2 an einer Beispielsmessung für eine Solltemperatur von 24 °C dargestellt. Das EC-Testgebäude zeigt im Sommer im Vergleich zur Standardverglasung an Werktagen um 13 % niedrigere Verbrauchswerte, während an Wochenenden bis zu 31 % an Energie eingespart werden kann. Während der Wintermonate ergab die 24-Stufen-Steuerung Einsparungen im Heizenergiebedarf von 7 %.

Verbesserte Arbeitsbedingungen durch elektrochromatische Verglasung

Die EC-Verglasung mit 5-Stufen-Steuerung kann bei Platzierung des Steuerkontrollsensors am Fenster selbst eine adäquate Ausleuchtung des Arbeitsraums nicht erreichen. Die Hauptschwierigkeit besteht darin, dass die Sensorenwerte in zu großer Distanz von der Raummitte erfasst werden. Messungen anhand der anderen Raumsensoren ergaben nur auf die Morgenstunden beschränkte Ist-Werte von 500 Lux. Eine genauere Analyse anhand der vier im Raum verteilten Sensoren zeigte extrem niedrige Werte in der Raummitte auf, wo nur über die Mittagsstunden die erforderten 500 Lux erreicht werden, während die von zwei weiteren Sensoren an anderer Stelle ermittelten Durchschnittswerte bei weitem zu niedrig liegen. Jedoch zeigen sich die generellen Arbeitsbedingungen im EC-Gebäude im Vergleich zur Standardverglasung als vorteilhaft: Selbst wenn die erreichte Beleuchtungsintensität leicht unterhalb der vorgeschriebenen Werte liegt, reduziert die EC-Verglasung mit 5-Stufen-Steuerung den durch Blendlicht verursachten Unbehaglichkeits-Faktor am Arbeitsplatz.

Wird allerdings eine 24-Stufen-Steuerung der EC-Verglasung verwendet, zeigt eine Analyse der mittels der vier Sensoren erfassten Beleuchtungsgradienten im EC-Gebäude eine signifikante Verbesserung der Arbeitsumgebung. Während im Gebäude mit Normalverglasung Blendlichtstärken von über 3500 Lux direkt am Arbeitsplatz gemessen werden, welche zu einer generellen optischen Irritation der Beschäftigten führen, ermöglicht die Verwendung von EC-Fenstern selbst in den Nachmittagsstunden die konstante Aufrechterhaltung von 500 Lux (in der Raummitte gemessen).

Insofern erlaubt eine Erhöhung der Anzahl möglicher Steuerungsstufen in EC-Verglasung die Beleuchtungskontrolle am Arbeitsplatz in sehr engem Rahmen, und trägt somit zu einer generellen Ver­besse­rung der individuellen Arbeitsbedingungen bei.

Im Sommer ergab sich für EC-Fenster, und unabhängig von der Steuerungsart, eine im Vergleich zu Standardglas um 9 % niedrigere Oberflächentemperatur (Raumseite). Bei Verwendung der Jalousie im Gebäude mit Standardverglasung reduziert sich dieser Unterschied auf 3 %, wenn die Jalousie geöffnet wird, was jedoch zu Blendlicht und Erwärmung der Arbeitsumgebung führt.

In den Wintermonaten lassen sich im Gebäude mit EC-Fenstern über den Tagesverlauf konstante Raumtemperaturen von 20 °C erreichen, während im Gebäude mit Normalverglasung Spitzentemperaturen bis zu 30 °C gemessen wurden, speziell an Arbeitsplätzen direkt am Fenster, was zu einer Übererwärmung und folglich zu einem hohen Unbehaglichkeitsfaktor der betroffenen Raumnutzer führte.

Anhand dieser Untersuchung konnte gezeigt werden, dass durch eine auf Jahreszeit, tages- und wochenzeitliche Belegung und individuelle Vorgaben optimierte Steuerung von EC-Verglasung ein generell verbessertes Arbeitsumfeld geschaffen werden kann, in dem insbesondere Störungen durch Blendlicht und Überhitzung verursachte Unbehaglichkeit am Arbeitsplatz vermieden werden können.

Das 8. Energy Forum findet am 5. und 6. November 2013 in Brixen, Italien, statt. Die Konferenzdokumentation zum 7. Energy Forum, auf dem ein Vortrag zum hier dargestellten Beitrag gehalten wurde, kann unter www.energy-forum.com bestellt werden.