明日之城:智能玻璃是城市能源转型的关键



在由 3.20 x 15 米的 Seele 元素创建的“标志性皮肤”立面中,将几层楼连接起来,形成一个垂直的光学单元。 glasstec 上展出了相应的模型

René Müller 照片/seele

世界 70 亿居民中有一半以上居住在城市,到 2050 年,这个数字将增长到近 100
亿。为了避免大都市的气候崩溃,除了节能建筑之外别无他法。

玻璃幕墙可产生生态电力,提供隔热和防晒功能,还能自动适应光照条件,有助于保护气候。

威廉斯堡曾经是来汉堡的游客的禁忌之地。该社区被认为是乏味且缺乏景点。但它的形象正在发生变化:它现在已经成为汉萨城“最绿色的房子”的所在地。凭借所谓的生物反应器立面,这座五层楼高的 BIQ——缩写代表“具有生物智能商数的房子”——是可持续建筑和施工的开拓者。

藻类在立面上的玻璃板之间生长,并通过光和二氧化碳的结合产生生物量和热量。热量通过热交换器直接输送到 15 套公寓用于取暖,而生物质量则被撇去。它用于生产沼气,燃料电池将其转化为电能和热能。

控制系统分配能量并同时调节藻类的生长,通过始终从光合作用过程所需的燃料电池向藻类提供准确数量的二氧化碳 (CO2)。这些生物每年产生 4,500 千瓦时的电力——足够两个家庭使用。在示范项目中,剩余电力需求由公共电网满足。相比之下,在晴朗的日子里,外墙会产生多余的热量。它被送入当地的供热网络或储存在地热探头中。在冬季,当生物反应器产生较少的热能时,BIQ 从这些储存设施中提取所需的能量。

藻屋可以在未来的建设项目中发挥先锋作用。城市是绝对的二氧化碳生产者:在全球范围内,它们消耗了所用初级能源的 75%,并导致了 80% 的温室气体排放,随着世界人口的增长,这种趋势呈上升趋势。据弗劳恩霍夫建筑物理研究所 (Institut für Bauphysik - IBP) 负责人克劳斯·塞德鲍尔 (Klaus Sedlbauer) 称,因此我们必须找到一种快速应对这一趋势的方法。

“我们将大约 40% 的主要能源用于建筑物的供暖和制冷。这里有巨大的节省潜力。目的是在中欧解决这个问题”。此外,Sedlbauer 说,建筑物中使用的化石燃料必须由可再生能源载体和绿色能源替代。

城市规划者和建筑师现在必须迅速采取行动:需要智能住宅,它可以自行发电和供热,同时提供舒适安全的生活环境。IBP 与其他 11 个弗劳恩霍夫研究所一起,目前正在为“Morgenstadt”(明日之城)项目进行重要的基础工作。

基于六个城市——新加坡、哥本哈根、纽约、柏林、弗莱堡和东京——研究人员正在开发旨在在具有不同特征和条件的大都市成功实现能源转型的概念。科学家们现在已经清楚一件事:通过许多不同的能源载体将能源生产和消费联系起来的智能电力和供热网络将成为任何地方的基本先决条件。

采用智能技术和楼宇自动化的楼宇将成为这些“智能电网”的关键支柱。例如,太阳能技术比藻类更容易集成到房屋中。太阳能组件可以用螺丝固定在屋顶和发电窗户上,也可以集成到建筑外壳中。

额外的电池存储单元有助于直接在建筑物中消耗尽可能多的太阳能。直接利用的问题是太阳能波动很大,需要的时候往往得不到。电池吸收多余的能量并在需要时提供太阳能。

太阳能热设施反过来为热水加热提供能量,屋顶上的加热集热器将太阳光线转化为热量。热交换器用于加热存储单元中的水,然后可用于厨房、浴室并节省热能。集热器还可以与所谓的吸附式空调系统相结合,将热量转化为冷量,从而也可以在夏季有目的地利用余热。

此外,如果对现有建筑物进行大力改造,将进一步减少二氧化碳排放量。例如,柏林应用科技大学(柏林工业大学)的研究人员在其“Intelligente Energieversorgung für Berlin 2037”(“柏林 2037 智能能源供应”)研究中确定,首都的整体能源需求可以减少 45 至50% 仅通过使用节能措施,例如新的供暖系统和窗户。

明日之城(摩根施塔特)将成为现实,高性能模块、集热器和节能窗户可以在所有应用中普遍使用,这一事实取决于一个关键条件:玻璃的创新。现代玻璃幕墙可抵御夏季炎热,无需使用耗电的空调系统。

当受到张力或其他触发因素(如太阳光线或加热)时,使用所谓的电致铬纳米颗粒增强的窗玻璃会改变其半透明性,从而用作太阳或眩光保护元件。另一方面,窗户外墙的隔热效果非常好,冬天没有热量可以散逸到外面——但是,另一方面,冬天的太阳能可以穿透室内的房间。

此外,玻璃保护太阳能模块和集热器的敏感吸收涂层免受外部天气条件的影响,并且由于特殊的涂层和纹理,有助于将更多的光用于电力和热生产。新的平板玻璃只有几毫米厚,可以为光伏行业提供额外的推动:它能够生产特别稳定的双层玻璃模块或带有嵌入式光伏薄膜的玻璃夹层。

2014 年 10 月 20 日至 24 日,在杜塞尔多夫举行的 glasstec 2014 是世界上规模最大、最具国际性的玻璃行业贸易展览会,它将反映出玻璃作为气候保护目标材料的日益重要的意义。在“智能建筑外壳”关键主题的框架内,将对面向未来、高效节能和可持续建筑外壳的决定性因素进行全面审视。

由斯图加特大学组织的“玻璃技术现场”特别展将使用大幅面、立面模型和一对一模型的例子,展示立面和能源领域的最新发展。

除其他特色外,特别展览还将展示现代隔热、防晒玻璃和可切换玻璃如何融入建筑。德国公司seele设计的模块化结构“标志性皮肤”玻璃幕墙就是一个例子。

立面元素看起来是完全同质的,没有任何可见的柱子或支柱、侧向支撑或其他固定元素。该单元由内部和外部玻璃组成。在玻璃板之间有一个自我调节的压力补偿系统,它通过与外部气候的相互作用确保被动通风。

根据seele的说法,玻璃夹层具有出色的隔热和隔音效果,并能够集成太阳能保护元件。3.20 x 15 米的最大元素尺寸延伸到几层楼以形成一个垂直的光学单元。单元可以单独设计:客户可以自由选择透明区域的排列、形式和大小,以及内外玻璃表面的印刷和配色方案。

Josef Gartner 公司是意大利 Permasteelisa 集团的子公司,开发了一种不同类型的功能独立的外墙。CCF façade(Closed Cavity Façade)的特点是内外立面外壳之间的空间被完全封装。封闭的腔室中注入干燥且清洁的空气,压力略有过压,以防止在窗玻璃上形成任何冷凝物和污垢——确保它们不必在昂贵、复杂的过程中定期清洁。

在专家看来,未来建筑外壳的解决方案将包括更大程度的光伏集成。美国市场研究公司 Nanomarkets 的分析师估计,到 2019 年,建筑一体化光伏 (BIPV) 玻璃市场的价值将从 8.23 亿增加到 27 亿美元,增长两倍多。在他们目前的 BIPV 报告中,他们将 BIPV 玻璃评估为零能耗房屋的关键技术,由于美国和欧洲的新建筑指南,这将成为未来的标准。

光伏行业已经为迎接技术挑战做好了准备。Heliatek 或 Belectric OPV 等公司现在可以制造完全透明的太阳能薄膜,可以作为隐形发电厂使用。除了有机光伏制造商,越来越多的薄层组件生产商也在开发光伏薄膜。

例如,来自中国汉能集团的子公司加利福尼亚州的 Miasolé 正在使用光敏铜膜,现在效率水平已超过 14%——几乎与使用传统硅模块所能达到的效率水平相当。

随着太阳能薄膜的趋势,新的生产方法也成为人们关注的焦点。硅电池在昂贵的过程中从硅块中锯出,而薄层模块在特殊烤箱中“烘烤”。相比之下,柔性电池可以通过卷对卷气相沉积或辊压连续快速地生产。

秋季,东德工厂和机械制造商 3D-Micromac 将为第一家太阳能生产商提供用于薄层卷对卷加工的机器。3D 专家 Thomas Kießling 解释说:“灵活、经济高效地生产的光伏可能成为主要趋势”。

然而,为了成功推动 BIPV 向前发展,未来玻璃和光伏行业必须更加紧密地合作。哪些太阳能电池适合,谁在建筑玻璃中集成太阳能薄膜,这一切的成本是多少?

“仍有许多悬而未决的问题”,德国工程联合会 (VDMA) 玻璃技术论坛的发言人 Timo Feuerbach 说。在 2014 年 10 月 20 日至 21 日举行的 glasstec“太阳能与玻璃相遇”大会上,各行业将有机会为合作铺平道路——从而使明日之城更近一步。

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