Um das Tageslicht in Räumen genau zu dosieren und seine unerwünschten Begleiterscheinungen zu vermeiden, hat sich im Laufe der Jahrzehnte eine Vielzahl an Sonnenschutzlösungen in der Architektur etabliert. Sie erfüllen zumeist eine oder zwei der folgenden Funktionen:
• Verschattung (z. Brise-soleils),
• Lichtdämpfung (z. halbtransparente Rollos, Sonnenschutzgläser)
• Lichtlenkung oder -streuung (z. »Lightshelves«, Prismenverglasung)
Prinzipiell eignen sich vor allem bewegliche Verschattungslösungen (z. außen liegende Jalousien), um zwischen dem schwankenden Tageslichtangebot im Freien und dem (mehr oder minder) konstanten Lichtbedarf im Gebäudeinneren zu vermitteln. Bei ihnen kommt es jedoch entscheidend auf die Art der Steuerung an: Gerade manuell betriebene Jalousien sind bei Sonnenschein oft komplett geschlossen, während gleichzeitig das elektrische Licht eingeschaltet ist.
Wichtig ist außerdem das Verhältnis von direktem und diffusem Licht, das der Sonnenschutz passieren lässt. Das gilt besonders für Fenster mit Blickverbindung ins Freie. So akzeptieren Büronutzer z. eine abgedunkelte, aber »scharfe« Sicht nach draußen, wie sie gefärbte Sonnenschutzgläser erzeugen. Hingegen wird bereits ein geringfügiger Grad an Unschärfe durch Lichtstreuung als inakzeptabel bewertet. Daher scheiden z.Matt- oder Prismengläser für Sichtfenster aus. Lamellenraffstores erzeugen zwar keine Unschärfe, blockieren jedoch zumindest teilweise die Sicht nach draußen. Je nach Lamelleneinstellung und Distanz zur Jalousie geht damit der »Blick in die Ferne« verloren, der aus psychologischer wie auch aus physiologischer Sicht (Entspannung der Augen bei der Bildschirmarbeit) für das Wohlbefinden wichtig ist.
Sogenannte schaltbare Gläser mit variabler Lichttransmission vermeiden viele der zuvor genannten Nachteile und ermöglichen es den Büronutzern dennoch, die Helligkeit – anders als bei herkömmlichen Sonnenschutzgläsern – bedarfsgerecht zu steuern. Gegenüber außen liegenden, beweglichen Verschattungen haben sie weiterhin den Vorteil einer geringen Witterungsanfälligkeit (z. gegenüber Wind).
Schaltbare Gläser – ein Überblick
Die bisher entwickelten schaltbaren Gläser lassen sich in drei Kategorien einteilen: chromogene Beschichtungen, sogenannte »Suspended Particle Devices (SPDs)« und mikro-elektromechanische Systeme (sogenannte Micro-Blinds«, Abb. 1 und 4). Bei den chromogenen Beschichtungen wiederum unterscheidet man zwischen thermochromen und photochromen Oberflächen, die ihre Farbe automatisch je nach Temperatur (thermochrom) bzw. Lichteinfall (photochrom) verändern, sowie vom Nutzer steuerbaren elektrochromen und gasochromen Beschichtungen.
Im Gegensatz zu chromogenen Glasbeschichtungen basieren Suspended Particle Devices auf einer Kunststofffolie, in die Milliarden kleinster Flüssigkeitströpfchen mit darin enthaltenen stabförmigen Kristallen eingebettet sind. Wird andie Folie elektrische Spannung angelegt, richten sich die Kristalle parallel zueinander aus; die Scheibe wird transparent.
Auf einem ähnlichen Funktionsprinzip basiert die vor einigen Jahren in Kanada entwickelte Micro-Blind-Technologie. Hier ist das Glas mit einer Beschichtung aus mikrometerkleinen Schuppen versehen, die je nach angelegter Spannung flach auf dem Glas liegen oder sich zusammenrollen. Diese Formveränderung steuert wiederum den Lichteinfall durch das Glas.
Leistungsmerkmale schaltbarer Gläser
Schaltbare Gläser zur Tageslichtsteuerung sollten im klaren Zustand eine möglichst hohe und im getönten Zustand eine möglichst geringe Lichttransmission besitzen. Als »klar« werden gemeinhin Verglasungen mit einer Transmission von t ≥ 60 % wahrgenommen; dieser Wert kann daher auch als Mindestanforderung für schaltbare Gläser gelten. Im getönten Zustand hingegen sollen die Gläser möglichst einen separaten Sonnenschutz entbehrlich machen. Dies ist erfahrungsgemäß dann der Fall, wenn ihre Lichttransmission sich bis auf 1 % reduzieren lässt.
Des weiteren sollte der Schaltvorgang möglichst flexibel steuerbar sein. Als ideal hat sich hier die Integration in ein Gebäudemanagement-System erwiesen, das den Nutzern jederzeit die Möglichkeit offen lässt, manuell einzugreifen. Thermo- und photochrome Verglasungen sind aufgrund ihres »Selbstauslöser«-Effekts daher für Büroräume eher ungeeignet.
Bei gasochromen Verglasungen wird das Füllgas im Scheibenzwischenraum auf Knopfdruck eingefärbt. Der Schaltvorgang geht relativ schnell vonstatten; allerdings benötigen gasochrome Gläser nicht nur einen Elektroanschluss, sondern auch ein recht aufwendiges System aus Pumpen, Gasbehältern und Rohrleitungen. Auch deswegen sind gasochrome Gläser – ebenso wie Micro-Blinds – bislang nicht über das Forschungsstadium hinausgekommen. Bei SPDs gibt es zwar einige Hersteller und Produkte, allerdings bisher kaum Anwendungen an Fassaden.
Damit sind von den in Abb. 4 angeführten Technologien bisher nur elektrochrome Verglasungen sowohl praxistauglich als auch in breitem Umfang marktverfügbar. Die ihnen zugrunde liegende Technologie ist bereits seit dem 19. Jahrhundert bekannt, und an ihrer konkreten Entwicklung wird bereits seit den 80er-Jahren gearbeitet. Doch erst in den vergangenen Jahren haben Hersteller in größerem Ausmaß in die Serienfertigung elektrochromer Verglasungen investiert, so dass diese potenziell für den Massenmarkt interessant wurden.
Eigenschaften elektrochromer Gläser
Bei der Herstellung elektrochromer Gläser wird Floatglas im Sputter-Verfahren mit nanometerdicken Schichten aus Metalloxiden beschichtet und anschließend zu Isolierglaseinheiten weiterverarbeitet. Der Herstellungsprozess ähnelt im Prinzip demjenigen herkömmlicher, Low-E-beschichtete Gläser. Der Grad der Einfärbung lässt sich manuell oder automatisch, abhängig von beliebigen Stellgrößen (Helligkeit im Freien, Sonnenstand, Raumlufttemperatur etc.) verändern.
Elektrochrome Gläser eignen sich für alle Arten von Räumen, in denen Tageslichteinfall oder Überhitzung reduziert werden sollen. Beschränkungen bestehen lediglich durch die maximale, mit einem Schaltkreis einfärbbare Scheibengröße. Beim Hersteller SageGlass beträgt sie derzeit 1,5 ≈ 3 Meter; auf Wunsch lassen sich die Scheiben in mehrere separat schaltbare Felder aufteilen (Abb.
Der g-Wert typischer elektrochromer Verglasungen variiert zwischen 0,41 im klaren und 0,09 im voll getönten Zustand. Das unterstreicht die Wirksamkeit dieser Verglasungen beim sommerlichen Wärmeschutz, die Forscher schon in den 90er-Jahren in theoretischen und empirischen Studien nachgewiesen haben [1]. Auch die Modellierung elektrochromer Gläser in thermischen Gebäudesimulationen ist relativ einfach.
Neben dem sommerlichen Wärmeschutz sind elektrochrome Gläser auch ein probates Mittel gegen nächtliche »Lichtverschmutzung« durch Kunstlicht. Hierzu wird die Verglasung nachts abgedunkelt, um insbesondere bei großflächig verglasten Gebäuden den Austritt von Kunstlicht ins Freie zu minimieren.
Die Installation elektrochromer Gläser funktioniert ähnlich wie bei herkömmlichen Verglasungen, bislang mit der einzigen Ausnahme, dass ein Elektroanschluss erforderlich war. In jüngster Zeit haben die Hersteller allerdings auch autarke Lösungen entwickelt, die aus Verglasung und Rahmen, außen aufgebrachten Solarzellen, einer Batterie zur Stromspeicherung sowie einem WiFi-Controller für die Steuerung bestehen. Die autarke Energieversorgung ist insofern sinnvoll, als elektrochrome Verglasungen für den Schaltvorgang nur wenig Strom verbrauchen – laut SageGlass reichen 60 Watt Dauerleistung aus, um eine Glasfläche von rund 180 m2 zu betreiben.
Bei warmem Wetter und direkter Sonneneinstrahlung dauert es rund drei bis fünf Minuten, bis die Verglasung 90 % ihrer maximalen Farbintensität erreicht hat. Bei moderaten Temperaturen und ohne Sonneneinstrahlung sind es rund 5 –10 Minuten, bei kühlem Wetter etwas länger. Ferner hängt die Schaltgeschwindigkeit auch von der Scheibengröße ab. Grundsätzlich lassen sich elektrochrome Gläser stufenlos zwischen »farblos« und »voll getönt« regeln. In der praktischen Anwendung hat es sich allerdings als sinnvoll erwiesen, eine Stufenschaltung für bestimmte Werte (z. t = 62 %, 20 %, 6 % und 2 %, vgl. Abb. 5) vorzusehen.
Um mit dem Sonnenschutz ein Maximum an Energieeinsparung erzielen zu können, sollte das Kunstlicht im Raum dimmbar und gemeinsam mit der Verschattungssteuerung – sowie, falls vorhanden, mit der Kühlung – in ein übergeordnetes Gebäudemanagement eingebunden sein.
Hinweise für den Betrieb
Die Akzeptanz schaltbarer Verglasungen durch Gebäudenutzer hängt nicht allein von quantitativen Aspekten wie der Raumtemperatur oder der Lichttransmission ab, sondern auch von der Qualität des Tageslichts, das in den Raum gelangt. Das betrifft vor allem die Lichtfarbe. Um nicht nur Tageslicht, sondern auch Hitze aus den Räumen fernzuhalten, müssen die Gläser vor allem das langwellige (rote und infrarote) Licht überproportional stark ausfiltern. Folgerichtig lassen sie im eingefärbten Zustand vor allem kurzwelliges (bläuliches) Licht passieren – sie färben sich blau, wie auch die Messkurven in Abb. 5 zeigen. Liegt das Maximum der Lichttransmission im klaren Zustand (Tvis = 62 %) noch bei rund 600 Nanometern, verschiebt es sich bei reduzierter Lichttransmission immer stärker nach links in den kurzwelligen (blauen) Bereich. Das kann nicht nur die Farbwahrnehmung im Raum beeinträchtigen, sondern die Nutzer auch irritieren: An einem bewölkten Tag erwarten wir es üblicherweise nicht, markant blaues Tageslicht in einem Raum vorzufinden.
Allerdings lässt sich die Problematik der Lichtverfärbung bei elektrochromen Gläsern relativ leicht umgehen, indem stets ein Teil der Verglasungsflächen im Raum im klaren Zustand verbleibt.
Wie Abb. 7 zeigt, genügt schon ein sehr geringer Anteil »ungetönter« Gläser in einem Raum, um die Tageslichtfarbe neutral erscheinen zu lassen. Das liegt daran, dass durch eine klare Glasscheibe (Lichttransmission t = 60 %) 30-mal so viel Tageslicht fällt wie durch eine gleich große vollständig getönte (t = 2 %). Obwohl in der Schemazeichnung nur eine von neun Glasscheiben im Raum aus Klarglas besteht, gelangen durch diese doch mehr als vier Fünftel des gesamten Tageslichts in den Raum. Die Farbveränderung der getönten Scheiben betrifft somit weniger als 20 % des Lichts und wird optisch kaum wahrgenommen. Dabei ist es nahezu unerheblich, wo in einem Raum sich die Klarglasflächen befinden – sie können also z. auch in der Raumecke angebracht sein, wo kaum oder keine Direktblendung durch Sonnenlicht am Arbeitsplatz droht (Abb. 10).
Die Verglasungen im Feldversuch
Um die Aussagen bezüglich Lichttransmission und Nutzerakzeptanz empirisch zu untermauern, wurden an der De Montfort University in Leicester (UK) zwei Büroräume mit elektrochromen Verglasungen versehen. Sie werden nun im Rahmen eines zweijährigen Forschungsprojekts untersucht. Die beiden Räume teilen sich drei große Fassadenfenster – das mittlere Fenster wird dabei von der (bei einem früheren Umbau eingezogenen) Trennwand zwischen den Büros durchschnitten (Abb.
Bei dem Feldversuch werden sowohl physikalische Lichtmessungen vorgenommen als auch der subjektive Lichteindruck im Raum durch Probanden bewertet. Ein wesentlicher Aspekt sind dabei mögliche Veränderungen der Lichtfarbe, abhängig von der Zahl getönter und klarer Fensterscheiben in der Fassade.
Hierzu wurde in einem der beiden Räume für sechs unterschiedliche Blickrichtungen das jeweils ins Auge einfallende Lichtspektrum mit einem Spektrometer gemessen. Gleichzeitig gaben mehrere Testpersonen ihre Bewertung des Lichteindrucks ab. Der Versuch wurde für unterschiedliche Konstellationen aus klaren und getönten Fensterscheiben wiederholt.
Die Ergebnisse für eine Kombination aus fünf getönten und acht klaren Fensterscheiben zeigt Abb. Die hellgrünen Kurven geben die sechs Messergebnisse (eines pro Blickrichtung) an, die dunkelgrüne Kurve zeigt das zuvor per Tageslichtsimulation ermittelte theoretische Lichtspektrum. Ebenfalls abgebildet ist (hellblau) die frequenzabhängige Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges.
Subjektiv gaben die Probanden an, dass die Lichtfarbe auf sie neutral wirkte. Diesen Eindruck bestätigt auch Abb. 10, auf der sogar sieben der acht Fensterscheiben eingefärbt waren. Die gemessene Farbtemperatur im Raum betrug 4970 Kelvin, und der Farbwiedergabeindex (CRI) lag bei 93. Eine markante Blauverschiebung des Lichts war damit messtechnisch nicht festzustellen, und auch die Spektren für die sechs unterschiedlichen Blickrichtungen lagen nahe beieinander.
Aus anderen Feldversuchen lassen sich weitere Rückschlüsse für die Planung ziehen. Es zeigte sich, dass ein Lichtdurchlass von 3 % im komplett getönten Zustand nicht ausreicht, um Blendung komplett auszuschließen. Rund ein Viertel der Probanden nutzte in diesem Fall die zusätzlich angebrachten Verschattungsjalousien. Aufgrund der individuell unterschiedlichen Blendungsempfindlichkeit der Nutzer sollte der minimale Lichttransmissionsgrad unbedingt 2 % betragen, wenn auf eine zusätzliche Verschattung komplett verzichtet werden soll. Solche Produkte sind inzwischen verfügbar; einzelne Hersteller bieten sogar schon schaltbare Verglasungen mit Lichttransmissionen ab 1 % an.
