В зданиях с большими остекленными фасадами такое покрытие предотвращает чрезмерный нагрев помещений из-за солнечного излучения, тем самым снижая необходимость в энергоемком кондиционировании воздуха.
Строительный сектор — один из самых крупных источников парниковых газов. Согласно данным немецкого агентства по охране окружающей среды, на здания приходится около 30% выбросов CO2 в стране, а также 35% общего потребления энергии.
Здания с большими остекленными фасадами и крышами представляют особую проблему, в частности, высотные офисные здания современных городов. Они нагреваются на солнце, особенно летом. Однако от использования жалюзи и ставен для затемнения помещений зачастую отказываются, поскольку они портят эстетичный внешний вид стекол и заслоняют вид из окон. Вместо этого, помещения охлаждают с помощью кондиционирования воздуха, на что требуется огромное количество электроэнергии, и углеродный след здания увеличивается.
В Центре исследования силикатов (Вюрцбург) и Институте органической электроники и электронно-пучковых и плазменных технологий (Дрезден) Общества Фраунгофера разработали изобретательное решение этой проблемы. В рамках проекта Switch2Save исследователи разрабатывали прозрачные покрытия для окон и остекленных фасадов с использованием электрохромных и термохромных материалов. Они придают внешней стороне окон изменчивый прозрачный темный оттенок, благодаря которому в помещениях поддерживается прохлада. Общества Фраунгофера сотрудничает с университетами и промышленными партнерами в шести странах ЕС в рамках исследовательского проекта, финансируемого ЕС.
Электрохромные и термохромные покрытия
«Электрохромное покрытие наносится на прозрачную токопроводящую пленку, которую можно «включать». Электрическое напряжение запускает передачу ионов и электронов, которые затемняют покрытие и придают окну определенный оттенок. С другой стороны, термохромное покрытие действует пассивно. Когда достигается определенная температура окружающей среды, оно отражает тепловое излучение солнца», — рассказывает доктор Марко Скотт, руководитель группы электрохромных систем в Центре исследования силикатов Общества Фраунгофера.
При использовании электрохромных элементов можно применять датчики, которые будут измерять такие параметры, как яркость и температура, и отправлять результаты в системы управления. Тогда на проводящую пленку посылается импульс тока или напряжения, запускающий затемнение окна. Поверхность стекла постепенно темнеет, когда уровень температуры или яркости становится слишком высоким. Это защищает помещения от перегрева и снижает необходимость в кондиционировании воздуха, что особенно полезно в солнечном климате и в зданиях с большими остекленными фасадами. В солнечные дни покрытие также защищает от бликов. В пасмурные дни и вечером окна остаются прозрачными.
Исследователи Общества Фраунгофера также подумали и об экологической безопасности технологии при ежедневном применении.
«Окна не темнеют внезапно, а постепенно затемняются в течение нескольких минут», — поясняет Скотт. Потребление энергии очень низкое. В оптимальных условиях электрохромному покрытию требуется электричество только для процесса переключения, и чтобы запустить затемнение достаточно очень низкого напряжения.
Термохромным материалам не требуется электричество вообще, вместо этого они пассивно реагируют на тепло солнца. Их можно использовать в дополнение к переключающейся системе или в качестве альтернативы, если возможность переключения не требуется.
Демонстрационные здания в Афинах и Уппсале
Проект Switch2Save обещает огромную экономию энергии в регионах, где температура воздуха достаточно высокая, например, в южных областях, благодаря сокращению использования систем кондиционирования воздуха или полному отказу от них. Доктор Джон Фалтейк, координатор проекта Switch2Save и глава исследовательской группы в Институте органической электроники и электронно-пучковых и плазменных технологий, рассказывает: «В теплых регионах Европы энергозатраты на охлаждение и нагрев в помещениях современных зданий можно сократить на 70%». Экономия не настолько существенна в более холодных северных регионах, однако эти системы также можно использовать как антибликовое покрытие от прямых солнечных лучей.
По сути, сочетание электрохромных и термохромных слоев в окнах обеспечивает наибольшую возможную гибкость решений. С их помощью архитекторы и инженеры могут создавать индивидуальные проекты для разных регионов и зданий. «В данный момент мы занимаемся установкой этой технологии в детском отделении самой большой больницы в Греции (в Афинах) и в офисном здании в Уппсале (Швеция). Потребление энергии в обоих зданиях будут контролировать и сравнивать в течение года до и после установки новых окон. Таким образом, мы сможем продемонстрировать на практике эффективность технологии Switch2Save и продолжить проводить испытания и совершенствовать технологию для различных климатических зон», — говорит Фалтейк.
Производство с рулонной подачей
Исследователи также решили проблемы, связанные с производством. Электрохромное покрытие наносится на пленочную подложку на основе полимера. Термохромное покрытие, в свою очередь, наносится на подложку из тонкого стекла. Нанесение покрытий методом осаждения из жидких реактивов и методом вакуумного напыления выполняется с помощью экономически эффективной системы с рулонной подачей. Переключаемые компоненты наносятся в условиях вакуума на лист оконного стекла толщиной 4 мм, который затем помещается в стеклопакет. Процесс нанесения покрытий также экономически осуществим в промышленных масштабах. Толщина электрохромных и термохромных элементов составляет всего около 100 мкм, а их вес меньше 500 г/м2. Таким образом, они практически на добавляют окну вес, что означает, что их можно использовать в уже существующих зданиях без необходимости вносить изменения в конструкцию.
Изогнутое стекло и цветные окна
Проектный консорциум занимается дальнейшим развитием технологии. Например, команда экспертов изучает, как объединить электрохромные и термохромные элементы в одном окне, чтобы еще больше раскрыть потенциал данной технологии. Среди дальнейших целей исследования адаптация покрытия под стекла изогнутой формы и добавление большего количества цветов к имеющимся вариантам (синий и серый). Глобальное потепление и цели «Зеленого пакта для Европы» значительно повысят спрос на технологию энергоэффективных зданий в ближайшие несколько лет. Предполагается, что все здания в ЕС должны стать углеродно-нейтральными к 2050 году. Электрохромные и термохромные окна проекта Switch2Save могут внести в это существенный вклад.
Под редакцией Центра исследования силикатов (Вюрцбург) и Института органической электроники и электронно-пучковых и плазменных технологий (Дрезден) Общества Фраунгофера, Германия
