Juli 2021

Thermochrome coating schakelt toelating zonnewarmte op basis van temperatuur

Ramen met een thermochrome coating kunnen, in vergelijking met onbehandeld vensterglas, een energiebesparing tot 22 procent realiseren door warmte op warme dagen buiten te houden en op koude dagen juist binnen te laten. Dit blijkt uit een onderzoek waarin deze gecoate ramen zijn vergeleken met de prestaties van commercieel beschikbare, slimme, energiezuinige ramen. De thermochrome coating is ontwikkeld door tno bij het Brightlands Materials. Op labschaal is de werking bewezen; tno verwacht binnen een ruim jaar met een eerste prototype te komen.

Ramen in de gebouwde omgeving spelen een belangrijke rol wanneer het gaat om energiebesparing. Vooral in de zomer vormen standaard ramen een probleem omdat zij de warmtestraling (infrarood) van de zon doorlaten en hiermee de koeltevraag opdrijven. Al jaren werken wetenschappers daarom aan een coating die op basis van temperatuur kan ‘schakelen’. Dat betekent dat op koude dagen de warmtestraling van de zon wordt doorgelaten, waarmee de warmtevraag in het gebouw afneemt. Op warme dagen wordt de warmtestraling juist tegengehouden, waarmee de koelbehoefte wordt gereduceerd. In beide gevallen wordt energie bespaard. Uitdagingen lagen in de afgelopen jaren onder andere bij de temperatuur waarbij het glas kan schakelen. Deze was voorheen te hoog waardoor op normale warme dagen alsnog te veel infrarood licht werd doorgelaten. Vergelijkbare elektrochrome systemen kunnen dit beter, maar hebben als nadeel dat het glas hierbij verkleurt wat een doorn in het oog is van architecten. Bovendien zijn deze ramen vaak complexer en duurder en moeten met de hand worden geschakeld. Dr. Daniel Mann, onderzoeker bij tno: ‘Deze twee nadelen zijn opgelost met de ontwikkeling van de zogeheten SunSmart thermochrome coating. Deze coating schakelt bij elke gewenste temperatuur, voor woningen tussen de 15 en 25 °C, en verandert hierbij niet van kleur. Deze eigenschappen maken de coating in principe geschikt voor de hele wereldmarkt; ook voor gebieden met een gematigd klimaat, zoals we dat in Nederland kennen en waar verwarming en koeling even belangrijk zijn. Op dit moment is energiezuinige beglazing namelijk afgestemd op óf warme gebieden – waar ze altijd infraroodstraling tegenhouden – óf koude gebieden waar ze optimaal isoleren of warmte volledig doorlaten. Op dit moment kunnen we in elk geval aangeven dat de coating op labschaal werkt en dat we uitgaan van een werkend prototype in 2022. Een jaar later moet dan een commercieel product beschikbaar zijn.’

In een in 2020 verschenen rapport staat hoeveel voordeel deze gecoate beglazing wat betreft energiebesparing uiteindelijk oplevert

Vergelijkend onderzoek

Hoeveel voordeel deze gecoate beglazing wat betreft energiebesparing uiteindelijk oplevert, staat beschreven in een rapport dat medio 2020 is gepubliceerd. In het bijbehorende onderzoek – uitgevoerd door tno in samenwerking met het Brightlands Material Center (een samenwerkingsverband tussen tno en de provincie Limburg) en een aantal onderwijsinstellingen – zijn de prestaties van de zojuist genoemde ramen met thermochrome coating via een simulatiemodel vergeleken met commercieel beschikbare ramen. De huidige generatie energie-efficiënte ramen omvat statische systemen, Die ofwel in warme klimaten (figuur 2a) ofwel in koude klimaten (figuur 2b) succesvol zijn toe te passen. Andere systemen combineren deze eigenschappen (figuur 2c) om zo van beide effecten te profiteren. Een nadeel van deze gecombineerde systemen is het feit dat de hoeveelheid zonnewarmte die naar binnen kan beperkt blijft. Vooral in koude omstandigheden is dit een nadeel. Om die reden is er de laatste jaren veel aandacht voor systemen die zich kunnen aanpassen aan de heersende omstandigheden. Wanneer het koud is, laten ze zoveel mogelijk warmtestraling van de zon door terwijl dit bij hogere temperaturen juist wordt geblokkeerd. Deze adaptieve beglazing schakelt dan bij bepaalde temperaturen wat onder andere mogelijk is bij zogenaamde elektrochrome of thermochrome ramen.

2. Schematische weergave van het doorlaten of blokkeren van zichtbaar en infrarode zonnestraling en stralingswarmte van (a) statische IRB-beglazing, (b) low-e beglazing, (c) gecombineerde statische IRB/low-e beglazing, (d) thermochrome beglazing en (e) gecombineerde thermochrome/low-e beglazing.

Onderzoek tot nu toe

De afgelopen jaren is er veel onderzoek gedaan naar thermochrome ramen (figuur 2D). Zo levert literatuuronderzoek zowel enkele- tot meerlaags coatings op, maar ook poreuze coatings en combinaties met anti-reflectieve coatings en nano-composiet films. Daarbij zijn uiteenlopende experimentele studies gedaan waar de impact van thermochrome ramen in modelkamers is onderzocht. Andere studies maakten juist weer gebruik van modellen waarmee de impact op het energiegebruik van gebouwen is bekeken, zowel bij gebouwen met een volledig glazen gevel als gebouwen waarvan de gevel gedeeltelijk is beglaasd. Aanvullend zijn modelstudies gedaan waarbij de invloed is onderzocht van de hysteresewijdte en gradiënt van thermochroom materiaal – een intrinsieke materiaaleigenschap die experimenteel kan worden beïnvloed – op het potentiële energieverbruik van een gebouw. Mann: ‘Verschillende modelstudies hebben aangetoond dat simulaties waarmee de energieprestaties zijn te bepalen, relatief nauwkeurig de energieconsumptie van gebouwen kunnen voorspellen. Hiermee vormen ze een goed instrument voor het ontwikkelen van nieuwe materialen waarmee de energieprestaties zijn te verbeteren. Daarbij is het wel van belang dat de modelparameters nauwkeurig worden gedefinieerd en gedocumenteerd. Alleen dan is het immers mogelijk verschillende systemen én verschillende studies goed met elkaar te vergelijken. Een recente beoordeling van de modelstudies die thermochrome beglazing betreffen, leverde echter de nodige tekortkomingen op.’ Deze tekortkomingen zijn:

Het aantal thermochrome systemen dat is onderzocht is beperkt, waarbij ook niet altijd de beste systemen zijn onderzocht.
Er zijn alleen enkelvoudige kamers gemodelleerd in plaats van volledige gebouwen.
De bezettingsgraad en het lichtplan van kantoren en woonhuizen worden niet in het onderzoek meegenomen.
De positie van een bepaald type raam is inconsistent of niet vastgelegd evenals de hvac-instellingen.
Er wordt geen rekening gehouden met oververhitting van het thermochrome oppervlak als gevolg van intense zonnestraling en een hoog absorptievermogen.

Daarnaast zijn er inmiddels nieuwe parameters afgeleid die belangrijk zijn om de verschillende beglazingen goed te kunnen vergelijken en het energiebesparingspotentieel van thermochrome beglazing te kunnen bepalen. Het gaat hierbij om:

Lichtdoorlaatbaarheid: wanneer thermochrome beglazing wordt vergeleken met commercieel verkrijgbare energie-efficiënte beglazing, is het belangrijk dat systemen met dezelfde lichtdoorlaatbaarheid worden vergeleken.
G- en U-waarden zijn belangrijk voor een betere vergelijking met commerciële producten.
Schakeltemperatuur: om het volledige potentieel van thermochrome beglazing te vatten, moet de schakeltemperatuur worden geoptimaliseerd voor elk individueel systeem.

Mann: ‘Daarbij is het goed om aan te geven dat de adaptieve eigenschappen van thermochrome beglazing niet altijd een aanvullend voordeel bieden. Uit een groot aantal modelstudies naar thermochrome beglazing in kantoorgebouwen is gebleken dat volledige glazen gevels de grootste koelvraag genereren. Dit type gebouw is dus het meest gebaat bij oplossingen die warmte zo goed mogelijk weren; dit geldt ook voor koudere klimaten.’

Nieuw model

Om het volledige energiebesparingspotentieel te analyseren onder alle mogelijke omstandigheden en begrijpelijke, goed gedocumenteerde en vergelijkbare resultaten te kunnen presenteren, is een nieuw model ontwikkeld waarmee alle zojuist genoemde beperkingen zijn getackeld. Mann: ‘Hiermee presenteren we de eerste geïntegreerde modelstudie van thermochrome beglazing waarbij we gebruik maken van de energiesimulatiesoftware Energy Plus. Het onderzoek heeft betrekking op een gesimuleerde woning met bijbehorende bezettingsgraad en lichtplan, goed gedefinieerde dubbele beglazing met een consistente gelaagdheid en positie en een geoptimaliseerd hvac-systeem. Hiermee zijn energieverliezen te verwaarlozen en is het model minder complex.’
Het jaarlijkse energiegebruik van dit gebouw is gemodelleerd voor tien uiteenlopende locaties in verschillende klimaatzones; variërend van heet via gemiddeld tot koude klimaten. In het onderzoek zijn vier commercieel beschikbare dubbele beglazingssystemen meegenomen (waarvan één onbehandelde referentie beglazing) en vergeleken met twee thermochrome beglazingen. Alle systemen met warmtemodulerende eigenschappen hebben dezelfde doorlaatbaarheid van zichtbaar licht en voor de thermochrome coating is het beste enkellaagssysteem gekozen dat tot nu toe beschikbaar is. Tot slot is de schakeltemperatuur van de thermochrome systemen afgestemd op de individuele locaties om zo de hoogst mogelijke energiebesparing te realiseren en om oververhitting effecten te kunnen meenemen.

4. Schematische weergave van dubbele beglazing gemodelleerd in Energy Plus met de positie van mogelijke energie-efficiënte coatings en argon spleet.

Opstelling

De modelwoning die gebruikt is in het onderzoek (figuur 3) heeft een vloeroppervlak van 64 m², een hoogte van 9 m en een dakhoek van 45°. 25 procent van de buitenkant van de woning is glas. Daarbij is alle beglazing uitgevoerd als dubbelglas-systeem met een 13 mm brede spleet gevuld met argon. De standaard beglazing waarmee alle andere beglazing wordt vergeleken is het 3 mm dikke Optifloat Clear-glas van Pilkington. Bij enkelvoudig gecoate beglazing is de coating gemodelleerd op de binnenkant van de buitenste glasplaat (layer 2); bij beglazing die gebruikmaakt van twee lagen coating is de tweede laag aan de binnenzijde van binnenglasplaat (layer 3) (figuur 4). Mann: ‘In de verschillende gebieden op de wereld zijn uiteraard verschillende woningen in gebruik, maar in dit onderzoek willen we een goede vergelijking kunnen maken en gebruiken we dus hetzelfde modelhuis voor elke situatie. Hierin zijn alle mogelijke factoren meegenomen die invloed kunnen hebben op de energiehuishouding, zoals weersomstandigheden, bodemtemperatuur, warmte-uitwisseling tussen de verschillende ruimtes enzovoorts. Verder gaan we uit van een vijfpersoons huishouden, een verlichtingsniveau van 500 lx en elektrische apparatuur met een vermogen van 300 W op de begane grond.’ In totaal zijn er vijf soorten energie-efficiënte beglazingen in tien verschillende klimaten gesimuleerd. Daarbij is gekozen voor drie beglazingen die de commercieel beschikbare energie-efficiënte beglazing vertegenwoordigen (statische irb, low-e en gecombineerd) en twee nieuwe bij tno ontwikkelde thermochrome oplossingen: thermochroom en gecombineerd thermochroom/low-e (tabel 1 en figuur 5).

Het hoogste besparingspotentiaal voor alle systemen is te vinden in warme klimaten, waar de koelbehoefte is te temperen door de warmtecomponent van zonnestraling te weren

Klimaatzones

Tot slot zijn er tien locaties gekozen die verschillende klimaatzones vertegenwoordigen. Om locaties te selecteren met een verschillende warmte- en koudevraagratio, is eerst het jaarlijkse energiegebruik voor verwarming, koeling en verlichting gemodelleerd van de woning met dubbele beglazing. Daarna is de warmte- en koudevraag voor elke locatie vergeleken. De locaties (tabel 2) zijn als volgt:

Een hete locatie met uitsluitend een koelvraag gedurende het hele jaar (Abu Dhabi/uae).
Een hete locatie met een koelvraag die driemaal groter is dan de warmtevraag (Rome/Italië).
Vier locaties in een warm tot gematigd klimaat waar de jaarlijkse warmtevraag 2 tot 5 maal zo hoog is als de koudevraag (Bolzano/Italië, Beek/Nederland, Moscow/Rusland, Ulaanbaatar/Mongolië).
Drie locaties met een gematigd tot koud klimaat waar de jaarlijkse warmtevraag tienmaal de koudevraag is, maar met verschillen en temperatuur verspreid over het jaar (Yakutsk/Rusland, Östersund/Zweden, Aberdeen/Schotland).
Een koude locatie met praktisch geen koudevraag (Reykjavik/IJsland).

8. Demonstratiemodel dubbele beglazing met thermochrome coating.

Onderzoek en conclusie

Uiteindelijk zijn met het simulatieprogramma Energy Plus (versie 9.2.0) de verschillende combinaties van woning, beglazingen en locaties doorgerekend. Het programma berekent hierbij de energieconsumptie en de thermische belasting in gedefinieerde tijdstappen, gebaseerd op het gemodelleerde gebouw in een specifieke omgeving en inclusief gebruikers (figuur 7). Voor dit onderzoek is gekozen voor een simulatieperiode van een jaar waarbij elke maand gegevens zijn verzameld. Een belangrijke conclusie luidde dat het hoogste besparingspotentiaal voor alle systemen te vinden is in warme klimaten, waar de koelbehoefte is te temperen door de warmtecomponent van zonnestraling te weren. Zodra er gedurende het jaar ook een substantieel bedrag van verwarming nodig is, presteren de beglazingen zonder low-e eigenschappen onder ten opzichte van standaard glas. Voor gematigde klimaten is een perfecte balans tussen verwarming- en koelkosten te bereiken met dubbel glas dat een thermochrome beglazing combineert met low-e gecoat glas. Hierbij is de mate waarin warmte wordt toegelaten afhankelijk van de temperatuur. Met deze resultaten waren de wetenschappers in staat om een aanbeveling te doen voor de beste beglazing op een specifieke locatie. Bijvoorbeeld: een gecombineerde statische irb/low-e voor een heet klimaat waarbij een energiebesparing van 24 – 34 procent is te behalen ten opzichte van doorzichtige beglazing. In koude klimaten presteert low-e-beglazing het best vanwege de hoogste besparing op verwarmingskosten die oplopen tot 20 – 23 procent. Een reductie van het jaarlijkse energieverbruik ligt rond de 20 procent. Bij alle locaties in een gematigd klimaat – waar zowel verwarming als koeling een significante impact hebben op de kosten – levert de gecombineerde thermochrome beglazing de beste resultaten met verbeteringen van 15 – 22 procent. Dit omdat ze een grote reductie van de jaarlijkse koelkosten realiseren (tussen de 44 – 51 procent) en ook de warmtebehoefte met rond de 20 procent verlagen. Mann: ‘Betrekken we de resultaten op Nederland, dan praten we over een verbeteringen van rond de 20 procent en een jaarlijkse reductie van CO₂-emissies voor de gebouwde omgeving van 4,5 Mton. Dit geldt wanneer alle gebouwen worden uitgerust met de thermochroom/low-e-beglazing. Aanvullend hebben we aangetoond dat een individueel huishouden met een woonoppervlak van 172 m² en 25 procent raamoppervlak in de gevel, jaarlijks tot 638 euro kan besparen door een reductie van het stroomverbruik en gas.’

Toekomstige aandachtspunten

Ondanks het feit dat dit model beter is dan de voorgaande gebruikte modellen, is er altijd ruimte voor verbetering. Zo is het constructiemateriaal van de woningen nu voor elke woning hetzelfde gekozen, terwijl dit in werkelijkheid niet aan de orde is. Daarnaast is geen rekening gehouden met de hysterese bij het schakelen van het thermochrome materiaal wat invloed kan hebben op de energiebesparingen. Mann: ‘In toekomstig werk zullen we de impact van optische hysterese op de energieconsumptie van een woning onderzoeken. Hiervoor willen we nu echter eerst de productietechnologie voor de coating opschalen, zodat we ook praktijkexperimenten kunnen uitvoeren.’

Tekst: ing. M. de Wit – Blok, freelance journaliste.
Fotografie: Industrie