Slimme glascoating kan energiegebruik drastisch beperken

Jaap van Peperstraten

Er is een onzichtbare coating voor vensterglas ontwikkeld waarvan de kristalstructuur verandert bij een bepaalde temperatuur. Daardoor veranderen ook de elektrische en optische eigenschappen van de coating zodat de coating in de winter warmtestraling van de zon doorlaat, maar die straling in de zomer tegenhoudt. Vergeleken met onbehandeld vensterglas kan het gebruik van energiezuinige slimme ramen veel energie besparen. Dit blijkt uit onderzoek door TNO, uitgevoerd in het Brightlands Materials Center, het innovatiecentrum van TNO en de provincie Limburg. Het gaat hier om een simulatiestudie waarbij de energieconsumptie van een doorsnee vrijstaande woning met zes soorten ramen is gesimuleerd op tien verschillende locaties in diverse klimaatzones.

De gebouwde omgeving is goed voor ongeveer een derde van het totale energieverbruik en de CO2-emissie wereldwijd. Een groot deel van deze energie die wordt gebruikt voor het verwarmen en koelen van gebouwen kan drastisch worden verminderd door de toepassing van energiezuinige beglazing. Tot nu toe wordt er, ook in Nederland, vaak HR++ glas toegepast dat zich voornamelijk richt op het beperken van het verlies van radiatorwarmte in de winter. Deze lage emissiviteitcoating (low e-coating) op het
glas verhoogt dus de isolatie van het glas, maar is in de zomer van weinig betekenis gelet op de zonnewarmte die binnenkomt. Er bestaan wel reflectieve glassystemen
die de warmte van de zon tegenhouden zodat er in de zomer minder koeling via energiegebruik nodig is. Een dergelijk glassysteem is voornamelijk geoptimaliseerd voor hete klimaten om energie voor koeling te besparen.

Maar voor Nederland is er niet echt iets beschikbaar dat voor onze koude winters en hete zomers is geoptimaliseerd. Er is een beter isolatiesysteem nodig waarmee je ‘s winters de radiatorwarmte binnenhoudt en de zonnewarmte kunt gebruiken voor verwarming van je huis. Tegelijkertijd moet dat systeem in de zomer de zonnewarmte
kunnen blokkeren zodat je geen hoge temperatuur in de woning hebt waartegen een koelsysteem wordt ingezet. De onderzoekers van het Brightlands Materials Center willen juist dát bereiken via een glassysteem. Zij gaan ervan uit dat hun glascoating samen met de lage emissiviteitcoating kan leiden tot een energiebesparing van 22% ten opzichte van onbehandeld dubbelglas. Dat is een verbetering van tien procent ten opzichte van dubbel glas met alleen een lage emissiviteitscoating.

Thermochromic Window
Thermochromic Window

VERANDERING KRISTALSTRUCTUUR
Ongeveer de helft van het wereldwijde energieverbruik voor gebouwen wordt gebruikt voor verwarming en koeling. Energiezuinige ramen kunnen dit drastisch verminderen. Er zijn slimme thermochrome ramen ontwikkeld die door een aangebrachte onzichtbare coating kunnen schakelen tussen het doorlaten van warmtestraling van de zon bij lage temperaturen (in de winter) en het tegenhouden ervan bij hoge temperaturen (in de zomer). Door temperatuurverandering van het glas verandert de kristalstructuur van de coating. Zodoende blijft de warmte in de zomer buiten en in de winter binnen en dat verlaagt de behoefte aan verwarming en koeling. Men spreekt van een unieke coating die niet te vergelijken is met andere schakelbare ramen met elektrisch geschakelde systemen. Die zijn over het algemeen complexer en duurder en moeten door de gebruiker zelf geschakeld worden.

Daniel Mann, wetenschapper bij TNO, legt de achtergrond van het onderzoek uit. “Bij het Brightlands Materials Center richten we ons op het ontwikkelen van nieuwe materialen en systemen om de energieefficiency van gebouwen te verhogen. Daarbij richten we ons voornamelijk op de transparante delen van gebouwgevels zoals energie-efficiënte ramen. We zijn uitgekomen bij thermochrome ramen die reageren op temperatuurschommelingen.” (noot van de redactie: Er zijn ook thermochromische inkten die van kleur veranderen om temperatuurschommelingen aan te geven.) “Op die ramen zit een heel dunne coating waarin het metaaloxide vanadiumdioxide is aangebracht dat zijn kristalstructuur kan veranderen bij een bepaalde temperatuur. Die verandering leidt ertoe dat het vensterglas ’s winters de zonnestraling in z’n geheel doorlaat, zowel het zichtbare als het infrarood deel. Dat laatste draagt vooral bij aan de warmteontwikkeling. Maar in de zomer wordt het zichtbare deel van de zonnestraling nog steeds doorgelaten, terwijl het infrarode deel grotendeels wordt geblokkeerd.”

Daniel Mann
Daniel Mann

COATINGMATRIX
Voor Nederland wordt de combinatie van thermochrome ramen met lage emissiviteitcoating (HR++ glas) als het meest geschikte systeem gezien voor energiebesparing bij verwarmen en koelen. De lage emissiviteitcoating verlaagt ‘s winters de verwarmingskosten door de isolatie van het glas te verhogen zodat de radiatorwarmte langer binnenblijft. De coating van de thermochrome ramen heeft daar geen impact op. Maar een lage emissiviteitcoating speelt eigenlijk geen rol om ‘s zomers de zonnewarmte buiten te houden. Dat lukt wel met thermochrome ramen waarbij je tevens ’s winters de zonnewarmte kunt gebruiken voor verwarming van de woning. Een combinatie met een infrarood reflectiecoating is niet handig, want die houdt ook ’s winters de zonnewarmte tegen. De in de studie toegepaste thermochrome coating is de best presterende enkellaagse coating die ooit is gerapporteerd. Bij de thermochrome coating draait het om verandering van de kristalstructuur.

Bij een lage temperatuur is die monoklien, terwijl die bij een hoge temperatuur rutiel is. De omslagtemperatuur kan in het laboratorium bij de samenstelling van de coating worden bepaald. De functionele component daarin is vanadiumdioxide, dat als onderdeel van de coatingmatrix de structuurverandering in gang zet. Bij een lage temperatuur is de kristalstructuur transparant en wordt de zonnestraling in zijn geheel doorgelaten, dus zowel het licht als de warmte. Bij een hoge temperatuur verandert de kristalstructuur zodanig dat het licht wordt doorgelaten, maar de warmte wordt gereflecteerd. De omslagtemperatuur kan eigenlijk iedere waarde zijn tussen 0 en 68  graden, maar uit simulaties is gebleken dat die temperatuur het best kan worden afgestemd op een waarde tussen de 15 en 20 graden Celsius. De specifieke omslagtemperatuur wordt per situatie van het gebouw bepaald om zo een optimum in het energiegebruik te bereiken. Meestal zal die temperatuur rond de 19 graden zijn.

VO2 crystal structure

HOOGSTE RENDEMENT
Daniel Mann: “De combinatie van lage emissiviteitcoating met thermochrome ramen kun je het best bij een dubbelglas systeem uitvoeren. Dan heb je dus in totaal vier oppervlakken. De thermochrome coating komt dan aan de binnenzijde van het glas aan de buitenkant. De lage emissiviteitcoating wordt opgebracht op het derde oppervlak, dus op de buitenkant van het binnenste glas. Zodoende komen beide coatings niet in contact met de buitenwereld en heb je het hoogste rendement in het Noordwest-Europese klimaatsysteem. In hete klimaten kun je het best infrarood-reflectieve glascoatings toepassen. Onze thermochrome glascoating is tot nu toe alleen in ons laboratorium aangebracht als een vloeibare dipcoating, maar we zijn hier een coatinglijn aan het installeren die een industriële schaal benadert. De aangebrachte laagdikte is van invloed op de doorlaatbaarheid van het zichtbare licht, maar ook op het verschil in infraroodtransmissie tussen de twee kristalstructuren. In het algemeen is de laagdikte een paar honderd nanometers.” Na het aanbrengen van de coating volgt een belangrijke stap, namelijk het uitharden daarvan in een oven. Daartoe wordt de coating verhit tot een temperatuur tussen de 400 tot 500 graden Celsius zodat de coating kristalliseert in de gewenste structuur en tegelijk een goede hechting realiseert. Tot nu toe is thermochrome glascoating vooral in zeer hoge kwaliteit aangebracht op glasoppervlakken van tien bij tien centimeter. Momenteel wordt er wel opgeschaald naar vlakken van vijftig bij vijftig centimeter, maar de doorgaande coatinglijn die nu wordt geïnstalleerd, maakt het mogelijk glas te coaten op een breedte van 1 meter 20. Besloten is om in het vervolgonderzoek de focus op Nederland te richten voor wat betreft ons klimaat en onze woningvoorraad. Allereerst is dit ook nog een simulatiestudie met gesimuleerde woningen die zijn ontworpen op basis van veel voorkomende woningtypes in Nederland in verschillende windrichtingen.

Dipcoater
Dipcoater

ENERGIEBESPARINGSPOTENTIEEL
Het totale energieverbruik kan worden onderverdeeld in drie grote economische sectoren: gebouwen, transport en industrie. De bouwsector draagt ongeveer een derde bij aan het totale energieverbruik en de CO2-uitstoot, waarbij meer dan 50% van deze energie wordt gebruikt voor verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC). Dit betekent dat ongeveer een vijfde van het totale energieverbruik wereldwijd het gevolg is van het gebruik van HVAC-systemen in gebouwen, en verwacht wordt dat dit percentage in de toekomst nog verder zal groeien. Een groot deel van dit energieverbruik is het gevolg van warmteverlies door ramen in koude omstandigheden of van afkoeling wegens binnenkomende zonnewarmte via ramen. Daarom zijn ramen goed voor meer dan 30% van het totale energieverbruik in gebouwen. Berekend is dat wanneer alle gebouwen in Europa uitgerust zijn met energiezuinige beglazing, het totale energieverbruik van de bouwsector met meer dan 30% kan dalen in de meeste Europese landen. Dit levert een jaarlijkse energiebesparing op van 75,5 Mt olie-equivalenten en een jaarlijkse emissiereductie van 94,5 Mt CO2. Uit de simulatiestudie bleek overigens dat het grootste energiebesparingspotentieel voor alle systemen zich in de warme klimaten bevindt, waar hoge koelkosten kunnen worden verminderd door de zonnewarmte van een raam te verlagen.

Energiebesparende raam

ROL APPLICATEURS
Het gebruik van dit nieuwe beglazingssysteem in Nederland kan leiden tot een jaarlijkse kostenbesparing van 638 euro per woning (172 vierkante meter, 25% raamgevel) en tot een jaarlijkse landelijke CO2-besparing van 4,5 Mt. Uit het onderzoek blijkt ook dat de verdere ontwikkeling van thermochrome slimme ramen tot marktklare producten een enorme economische, ecologische en maatschappelijke impact kan hebben op alle gematigde klimaatregio’s op het noordelijk halfrond. De onderzoekers gaan uit van een enorm potentieel voor het verder verbeteren van de toch al zeer goede zonne-eigenschappen van hun thermochrome coating. Momenteel begint de opschaling van laboratorium naar pilotschaal en vervolgens de doorontwikkeling naar een marktrijp product. De verwachting is dat de ramen over drie à vier jaar op de markt gebracht kunnen worden. De kosten van het product zijn laag in vergelijking met andere (schakelende) glascoatings. De onderzoekers verwachten een terugverdientijd van zeven jaar, wat vergelijkbaar is met die van zonnepanelen. Oppervlaktebehandelaars doen er goed aan de ontwikkelingen op dit gebied te volgen, zegt Daniel Mann. “Wij zijn een onderzoeksinstituut: we ontwikkelen een product maar gaan het niet verkopen. Op een bepaald moment moet een bedrijf het overnemen. Gezien het enorme potentieel aan energiebesparing en de hoeveelheid ramen in woningen in de Benelux en daarbuiten, kun je gerust spreken van een commercieel interessante toepassing.”

Window layers

Reacties