NREL berechnet und fertigt auf Perowskit basierende Technologie mit idealen Übergangstemperaturen für Energieeinsparungen bei Gebäuden
Die Verwendung von thermochromen Fenstern in Bürogebäuden verbessert die Energieeffizienz in allen Klimazonen in den Vereinigten Staaten, indem die Temperatur im Inneren moduliert wird, was zu massiven Einsparungen führt, so eine Forschungsarbeit unter der Leitung des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums. .
Die thermochromen Fenster, die auf der Verwendung von Perowskit-Materialien basieren, um Energie von der Sonne zu absorbieren, wechseln von einem transparenten in einen sichtbar absorbierenden oder reflektierenden Zustand. Die Technologie mindert Heizlasten in warmen Klimazonen und Kühllasten in kälteren Regionen.
Lance Wheeler, Hauptforscher des Projekts, sagte, dass der Wechsel zu thermochromen Fenstern jährlich eine erhebliche Menge an Energie einspart, wobei die Hauptquelle der Einsparungen darin besteht, dass weniger Heizenergie für stark verglaste Bürogebäude in kaltem oder saisonalem Klima benötigt wird. Wenn alle Arbeiter in dem simulierten Bürogebäude mit einem Elektrofahrzeug die Strecke eines durchschnittlichen amerikanischen Arbeitswegs fahren würden, dann könnte die jährliche Energie verwendet werden, um das Auto jedes Arbeiters das ganze Jahr über jeden Tag vollständig aufzuladen.
Die Ergebnisse sind detailliert in dem Papier „Thermochrome Halogenid-Perowskit-Fenster mit idealen Übergangstemperaturen“, die in der Zeitschrift Advanced Energy Materials erscheint. Seine Co-Autoren von NREL sind Bryan Rosales, Janghyun Kim, Kevin Prince, Mirzo Mirzokarimov, Tom Daligault, Adam Duell, Colin Wolden und Laura Schelhas. Weitere Co-Autoren stammen von der Colorado School of Mines, der University of Wisconsin-Stout und Swift Solar.
Die Forschung, die sich auf die von Wheeler mitentwickelte Modellierungssoftware namens PV-Fenster stützte, legt nahe, dass das Hinzufügen eines thermochromen Laminats zu einem Fenster mit einer oder sogar einer Doppelscheibe zu erheblichen Einsparungen führen wird.
Auf Gebäude entfallen etwa 40 % des gesamten Primärenergieverbrauchs in den Vereinigten Staaten, wobei die Heizung den größten Beitrag leistet. Die Beschichtungstechnologie revolutionierte die Energieeffizienz von Fenstern ab den 1980er Jahren, indem sie Infrarotlicht selektiv absorbierte oder reflektierte, aber Licht im sichtbaren Teil des Sonnenspektrums durch das Glas ließ. Etwas mehr als die Hälfte der Sonnenenergie tritt jedoch im sichtbaren Wellenlängenbereich auf, sodass zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden mit großen Glasfassaden mehr Energie benötigt wird.
Die Forscher verwendeten als Modellgebäude ein 12-stöckiges Gebäude mit einem Fenster-zu-Wand-Verhältnis von 95 %. Sie simulierten den Energieverbrauch im Gebäude in 15-Minuten-Intervallen für ein Jahr in acht Klimazonen im ganzen Land, die Hawaii, Arizona, Kalifornien, Colorado, New York, Wisconsin, Minnesota und Alaska abdecken. Sie bestimmten:
- Thermochrome Doppelglasfenster verbesserte Gebäudeenergieeffizienz durch doppelt verglaste Fenster in jeder Zone.
- Energieeinsparung waren in kälteren Regionen größer.
- Thermochrome Doppelscheibe Fenster übertrafen sogar dreifach verglaste Fenster in den heißesten Klimazonen.
Die Forscher stellten fest, dass dreifach verglaste Fenster in kälteren Klimazonen mehr Energieeinsparungen ermöglichten als thermochrome Doppelscheibenfenster, aber das Hinzufügen eines thermochromen Laminats zur Schaffung eines dreifach verglasten Fensters führte zu den größten jährlichen Energieeinsparungen im Vergleich zu Doppelscheibenfenstern mit der höchsten Effizienz .
Die thermochromen Fenster werden durch die Temperatur ausgelöst, und die Forscher berechneten, dass die ideale Übergangstemperatur im Bereich von 20 bis 27,5 Grad Celsius (68 bis 81,5 Grad Fahrenheit) liegt.
“Wenn die Übergangstemperatur zu hoch ist, spart das Fenster möglicherweise keine Energie, und Gebäude sind mit statischen Fenstern besser dran”, sagte Wheeler. „Es ist interessant, dass dieser Bereich für viele verschiedene Klimazonen gilt, von Nord-Minnesota bis Südkalifornien. Dies liegt daran, dass dynamische Fenster den solaren Wärmegewinn im Sommer reduzieren, um die Klimaanlage zu sparen, und sie erhöhen auch den solaren Wärmegewinn, wenn im Winter Wärme benötigt wird.“
Die Forscher koppelten die Modellierung mit experimenteller Arbeit und demonstrierten einen Perowskitfilm, der zwischen zwei Glasschichten eingebettet war. Die thermochrome Schaltung hat sich für 200 Zyklen als langlebig erwiesen.
„Wir konnten die Übergangstemperatur im Labor deutlich senken, um sie an die vorhergesagte ideale Temperatur anzupassen“, sagte Wheeler. „Die Arbeit zeigt die vielen Fachgebiete des NREL und die Kraft der Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaft und Gebäudeenergiewissenschaft.“
Das Büro für Gebäudetechnologien des Energieministeriums finanzierte die Forschung.
NREL ist das wichtigste nationale Labor des US-Energieministeriums für Forschung und Entwicklung im Bereich erneuerbare Energien und Energieeffizienz. NREL wird für DOE von der Alliance for Sustainable Energy LLC betrieben.
Mit freundlicher Genehmigung von NREL.