Laut einer Studie zu PV-Fenstern, die von Experten des National Renewable Energy Laboratory (NREL) durchgeführt wurde, dominieren Wolkenkratzer die Skylines von Metropolen, doch selbst riesige Glaswände können durch den Einbau von thermisch effizienten Photovoltaik (PV)-Fenstern energieeffizienter gemacht werden.
Ihre Forschung, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Eine Erdestellt Richtlinien für die Gebäudeplanung vor, die zu einem Gebäude mit Netto-Null- oder sogar Netto-Plus-Energieverbrauch führen können.
„Es gibt vorgefasste Meinungen darüber, wie ein energieeffizientes Gebäude aussieht, und es ist normalerweise nicht stark verglast und wahrscheinlich nicht sehr hoch“, sagte Lance Wheeler, ein Wissenschaftler am NREL, der sich auf die Integration von PV-Technologie in Fenster spezialisiert hat. „Wir haben festgestellt, dass es andere Möglichkeiten gibt, hocheffiziente Gebäude zu bauen.“
In einem Artikel namens „Photovoltaikfenster reduzieren den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen in stark verglasten Gebäuden um 40 %“, Co-Autor von Wheeler und seinem Zwillingsbruder Vincent, einem Assistenzprofessor an der University of Wisconsin-Stout. Die Brüder erstellten ein Programm namens PVwindow, das es Benutzern ermöglicht, Gebäudeentwürfe mit PV-Fenstermodellen zu simulieren, um die Analyse durchzuführen.
Die anderen Co-Autoren, alle von NREL, sind Janghyun Kim, Tom Daligault, Bryan Rosales, Chaiwat Engtrakul und Robert Tenent.
Mehr als ein Drittel der weltweiten Energie und fast ebenso viele der Kohlendioxidemissionen stammen von Gebäuden. Nach Ansicht der Experten können Neubauten jedoch durch die Kombination von PV mit hochwärmeeffizienter Fenstertechnologie zu einem wichtigen Instrument im Kampf gegen den Klimawandel werden. Zum Beispiel hat The Equitable Building in New York ein Fenster-zu-Wand-Verhältnis von 25 %. Der Bank of America Tower der Stadt, der 101 Jahre später gebaut und 2016 eröffnet wurde, hat eine Quote von 71 %.
Um den Einfluss der Verglasung auf die Energieeffizienz von Gebäuden deutlich zu demonstrieren, konzentrierten sich die Forscher bei ihrer Analyse größtenteils auf Gebäude mit einem Fenster-zu-Wand-Verhältnis von 95 %, was als „hochverglast“ bezeichnet wird. Obwohl noch nicht weit verbreitet, haben Fortschritte bei Verglasungstechnologien wie Dreifachglasfenstern dazu beigetragen, die Energieeffizienz von Gebäuden zu verbessern.
„Ich möchte nicht hier sitzen und sagen, wir sollten hoch verglaste Gebäude bauen“, sagte Lance Wheeler. „Wir sollten hocheffiziente Gebäude bauen. Aber wenn wir uns dafür entscheiden, diese Gebäude weiter zu bauen, müssen wir ihre geringere Leistung irgendwie ausgleichen, und PV-Fenster sind eine Möglichkeit, dies zu tun.“
Die Auswirkungen von drei verschiedenen PV-Verglasungstechnologien, einschließlich der von NREL entwickelten schaltbaren PV-Technologie, wurden von den Forschern simuliert. In acht Städten mit unterschiedlichen Klimazonen wurden mehrere Verglasungstechnologien in einer Struktur verwendet. Die Forscher verwendeten zusätzlich zu PVwindow die Softwarepakete EnergyPlus und OpenStudio.
Stark verglaste Strukturen erfordern den Einsatz einer erheblichen Energiemenge, um die Bewohner zu kühlen, da eine große Anzahl von Fenstern und Sonnenlicht in die Struktur eindringen. PV-Fenster isolieren ein Gebäude thermisch und erzeugen gleichzeitig Strom aus der aufgenommenen Energie. In Klimazonen mit Wetter, das sich im Laufe eines Jahres mit den Jahreszeiten stark ändert, entdeckten die Forscher einen deutlichen Trend bei der PV-Erzeugung. Die Modelle zeigten, dass beispielsweise in Denver durch PV-Erzeugung vor Ort die durchschnittliche Tagesstromlast eines Gebäudes mit 12 Stockwerken und umfassender Verglasung um die Hälfte reduziert werden kann. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass die PV-Fenster von Denver jedes Jahr 2 Millionen Pfund an Kohlendioxidemissionen einsparen könnten.
Die Simulationen zeigten einen verringerten Energieverbrauch und Kohlendioxidausstoß in den acht Klimazonen und zeigten eine schrittweise Verbesserung der Leistung für jede der drei untersuchten Varianten von PV-Verglasungen.
Die Forscher entdeckten, dass der Energieverbrauch steigt, wenn ein Gebäude mehr Fenster als Wandfläche hat. Wenn jedoch das Verhältnis erhöht und eine PV-Verglasung hinzugefügt wird, sinkt der Energieverbrauch. Größere Geschosshöhen zusammen mit PV-Verglasungen reduzieren tatsächlich den Energiebedarf des Gebäudes. Dieser Wolkenkratzer kann Netto-Null erreichen, wenn die PV-Verglasung mit Photovoltaikmodulen an der Außenseite der Struktur kombiniert wird, insbesondere mit solchen, die nach Osten und Westen ausgerichtet sind, um die Sonneneinstrahlung am frühen Morgen und am späten Nachmittag einzufangen.
„Stellen Sie sich eine Skyline wie in New York City vor, wo es diese Hochhäuser gibt, die vollständig aus Glas bestehen“, sagte Wheeler. „Sie sind vollständig verglast. Der Freedom Tower hat Millionen Quadratmeter Glas. Es könnte ein Kraftwerk für sich sein.“
Die Forscher erklärten, dass PV-Glas in Verbindung mit Dachsolar verwendet werden könnte, um die erzeugte Strommenge zu steigern, mit dem Potenzial, durch die Verwendung von hocheffizienten PV-Fenstern und einer unverwechselbaren Gebäudegeometrie mehr Strom zu erzeugen, als ein Gebäude benötigt. Ohne die architektonische Freiheit der stark verglasten Gebäudefronten zu gefährden, könnte der Umzug die Ziele des Klimawandels angehen.
Quelle: NREL
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