ציפוי זכוכית חכם מצנן מבני זכוכית

ענף הבנייה הוא אחד הפולטות הגדולות ביותר של גזי חממה. לפי נתוני הסוכנות הגרמנית לאיכות הסביבה, מבנים מהווים כ-30% מפליטת ה-CO2 במדינה ו-35% מצריכת האנרגיה שלה. מבנים בעלי חזיתות וגגות זכוכית גדולים, כמו בנייני המשרדים החולשים על ערים מודרניות, הם בעייתיים במיוחד. הם מתחממים בשמש, במיוחד בקיץ. עם זאת, השימוש בתריסים ותריסים למתן צל הוא בדרך כלל לא רצוי מכיוון שהם פוגעים באסתטיקה של הזכוכית ומפריעים לנופים בחוץ. במקום זאת, מקורר הפנים באמצעות מיזוג אוויר, הדורש חשמל רב ומגדיל את טביעת הרגל הפחמנית של הבניין.

מכון Fraunhofer for Silicate Research ISC בוורצבורג ומכון Fraunhofer לאלקטרונים אורגניים, קרן אלקטרונים ופלזמה FEP בדרזדן פיתחו פתרון מורכב לשאלה זו. בפרויקט Switch2Save, חוקרים עבדו על ציפויים שקופים לחלונות וחזיתות זכוכית תוך שימוש בחומרים אלקטרוכרומים ותרמוכרומים. אלה מוסיפים גוון כהה משתנה ושקוף לחלק החיצוני של החלון, ושומרים על החדר קריר. מכון פראונהופר שיתף פעולה עם שותפים אוניברסיטאיים ותעשייה בשש מדינות האיחוד האירופי בפרויקט מחקר זה במימון האיחוד האירופי.

הציפוי האלקטרוכרומי מוחל על סרט מוליך שקוף, שאותו ניתן "להפעיל". הפעלת מתח מפעילה העברה של יונים ואלקטרונים שמכהים את הציפוי ומכהים את החלון. ציפויים תרמוכרומיים, לעומת זאת, פועלים על ידי החזרת קרינה תרמית מהשמש כאשר מגיעים לטמפרטורת סביבה מסוימת, מסביר ד"ר מרקו שוט, מנהל קבוצה של Fraunhofer ISC Electtrochromic Systems.

עם אלמנטים אלקטרוכרומים, חיישנים יכולים לשמש למדידת גורמים כמו בהירות וטמפרטורה ולשלוח את התוצאות למערכת בקרה. זה שולח דופק זרם או מתח לסרט המוליך, וגורם להחשכת החלון. בכל פעם שהטמפרטורה או הבהירות יהיו גבוהים מדי, משטח הזכוכית יתכהה בהדרגה. זה מונע את התחממות החדר ומפחית את הצורך במיזוג אוויר, שימושי במיוחד באקלים שטוף שמש ובבניינים עם חזיתות זכוכית גדולות. זה משמש גם כהגנה נגד סנוור בימי שמש. החלונות יישארו בהירים בימים מעוננים ובלילה.

חוקרי Fraunhofer שקלו גם האם הטכנולוגיה מתאימה לשימוש יומיומי. החלונות אינם מתעמעמים בפתאומיות, אלא מתעממים בהדרגה במשך כמה דקות, עם צריכת אנרגיה נמוכה מאוד, הסביר שוט. במקרה המועדף, הסרט האלקטרוכרומי דורש חשמל רק במהלך תהליך המיתוג, ומספיק מתחים נמוכים מאוד כדי להתחיל את תהליך הצביעה. חומרים תרמוכרומים אינם דורשים חשמל כלל, אלא מגיבים באופן פסיבי לחום שיוצרת השמש. ניתן להשתמש בהם כדי להשלים מערכות הניתנות להחלפה או כחלופה כאשר אין צורך בפתרונות הניתנים להחלפה.

Switch2Save מבטיחה חיסכון משמעותי באנרגיה באזורים עם טמפרטורות חיצוניות גבוהות (כלומר אזורי דרום) על ידי צמצום השימוש במערכות מיזוג אוויר או ביטול כל הצורך בהן. ד"ר ג'ון פחלטיך, רכז פרויקט ומנהיג קבוצת מחקר ב-Switch2Save של Fraunhofer FEP, הסביר שבאזורים חמים יותר של אירופה, ניתן להפחית את דרישות אנרגיית הקירור והחימום של מבנים מודרניים בעד 70 אחוזים. באזורים צפוניים קרירים יותר, החיסכון אינו עצום, אך המערכת יכולה לשמש כאן גם כהגנה נגד סנוור מאור שמש ישיר.

באופן עקרוני, השילוב של שכבות אלקטרוכרומיות ותרמוכרומיות בחלונות מרוכבים מציע את הגמישות הגדולה ביותר האפשרית. באמצעותו יכולים אדריכלים ויזמים לספק פתרונות פרטניים לאזורים ומבנים שונים. אנו מתקינים את הטכנולוגיה במרפאת הילדים של בית החולים השני בגודלו באתונה, יוון, ובבניין משרדים באופסלה, שוודיה. בשני המבנים תבוצע פיקוח על צריכת האנרגיה ותשוווה במשך שנה שלמה לפני ואחרי התקנת חלונות חדשים. על ידי כך, אנו יכולים להדגים את הביצועים בפועל של טכנולוגיית Switch2Save ויכולים להמשיך ולבדוק ולשפר את הטכנולוגיה עבור אזורי אקלים שונים, אמר Fahlteich.

החוקרים התמודדו גם עם אתגרי ייצור. ציפויים אלקטרוכרומיים מיושמים על מצעי סרטים מבוססי פולימרים. ציפויים תרמוכרומיים, לעומת זאת, משתמשים במצעי זכוכית דקים. תהליכים כימיים רטובים וציפוי ואקום משמשים למערכות ייצור חסכוניות של גליל לגליל. המכלול הניתן להחלפה עובר למינציה בוואקום לזכוכית חלון בעובי 4 מ"מ, המשולבת לאחר מכן ביחידת הזכוכית הבידודית. תהליך הציפוי אפשרי גם מבחינה כלכלית בקנה מידה תעשייתי. אלמנטים ניתנים להחלפה אלקטרוכרומית ותרמוכרומית הם בעובי של כמה מאות מיקרון בלבד ופחות מ-500 גרם למ"ר. כתוצאה מכך, הם כמעט ולא מוסיפים משקל לחלונות, מה שאומר שניתן להתאים אותם למבנים קיימים מבלי לשנות את מבנה המבנה.

קונסורציום הפרויקט פועל כעת לשיפור הטכנולוגיה. לדוגמה, צוותי מומחים חוקרים כיצד לשלב אלמנטים אלקטרוכרומיים ותרמוכרומים בחלונות מרוכבים כדי לנצל טוב יותר את הפוטנציאל של הטכנולוגיה. מטרות מחקר נוספות כוללות התאמת הציפוי לצורות זכוכית מעוקלות והוספת צבע נוסף לאפשרויות הכחול והאפור הקיימות.

התחממות העולם והמטרות של ההסכם הירוק האירופי יגדילו משמעותית את הביקוש לטכנולוגיות בניין חסכוניות באנרגיה בשנים הקרובות - כל הבניינים באיחוד האירופי צפויים להיות ניטרליים פחמן עד שנת 2050. פרויקט Switch2Save של האיחוד האירופי לחלונות אלקטרוכרומים ותרמכרומים יכול לעשות תרומה חשובה לכך.