Optische Modellierung und Vermessung thermotroper Systeme

Thermotrope Schichten schalten bei Temperaturerhöhung reversibel von einem klaren Zustand in einen stark streuenden, milchig weissen Zustand. So soll ein selbstregelnder Überhitzungsschutz bei verschiedenen solaren Aperturen (Fenster, TWD-Fassaden etc.) realisiert werden. Es werden Konzepte vorgestellt und abgeleitet, mit deren Hilfe sich die optischen Eigenschaften thermotroper Schichtsysteme rechnerisch bestimmen lassen. <br>Thermotrope Hydrogele und Polymerblends, bei denen die Schaltung auf Entmischung zweier Komponenten beruht, wurden für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen optimiert. Der Zusammenhang zwischen dem Phasendiagramm, das eine Mischung charaktierisiert, und den optischen Eigenschaften der thermotropen Schicht wurde mittels einer eingeführten Parametrisierung untersucht. Die energetisch wirksame Schaltung der solaren Transmission sollte "schnell", also innerhalb eines möglichst engen Temperaturintervalles stattfinden. Es wurde untersucht, wie dies bei gegebenem Phasendiagramm zu erreichen ist. <br>Eine korrekte Beschreibung der Absorption ist wegen der dadurch bedingten Erwärmung zwingend. Es galt, die Lorenz--Mie--Theorie der Lichtstreuung an Kugeln auf absorbierende Einbettungsmedien zu erweitern. Es ergeben sich formal identische Streukoeffizienten, so daß sich in der Winkelverteilung des Streulichtes keine formalen Änderungen ergeben. Unterschiede entstehen, indem bei absorbierender Matrix der Mie--Größenparameters komplex ist und sich dadurch numerisch andere Werte ergeben. Im Gegensatz dazu ergeben sich für die Wirkungsquerschnitte von Streuung und Extinktion auch formale Unterschiede zur klassischen Theorie, sowohl in der Art der Definition und Herleitung wie auch im Ergebnis. Es gelang, wiederspruchsfrei einen Streuquerschnitt abzuleiten, der direkt in Strahlungstransportsimulationen verwendet werden kann. Als wesentliches Ergebnis gelang der Nachweis, daß die klassische Streutheorie für thermotrope Schichten und deren Absorptionsindices eine hinreichend gute Näherung darstellt. <br>Es wurden zwei Verfahren zur Simulation des Strahlungstransportes in inhomogenen Medien angewandt: N-Fluss-Modell und Monte Carlo-Methode. Der durch Streuung verursachte seitliche Versatz von Licht, der nur in der Monte Carlo-Methode berücksichtigt werden kann, verursacht bei der optischen Messung thermotroper Schichten Meßfehler, die je nach Größe von bestrahlter Fläche, Probe und Blenden beträchtlich groß werden können. Mit der Monte Carlo Methode wurden Messdaten korrigiert sowie Schichtparameter identifiziert, die zum Verständnis von Entmischung und Wachstum der Streuzentren beitragen. <br>Neben allgemeinen Parameterstudien lieferte die Vermessung thermotroper Schichten und Schichtsysteme viele Hinweise zur Optimierung. Betrachtet man die Einzelstreuung, so findet man für Hydrogele wie auch für Polymerblends optimale Rückstreuung bei Teilchenradien um 90 nm. Berücksichtigt man zudem Größenverteilungen von Streuzentren, die Absorptionen und berechnet das Verhalten eines Schichtverbundes, verschiebt sich durch die starke Mehrfachstreuung der Bereich optimaler mittlerer Teilchenradien zu 100-200 nm. Die Strahlungstransport-Simulation erlaubt auch die Extrapolation auf andere Substrate, Schichtdicken etc. und liefern so wichtige Anhaltspunkte für thermotrope Gesamtsysteme wie Verglasungseinheiten oder andere Fassadenkomponenten. <br>Thermotrope Wärmeschutzverglasungen, ein transparentes Wärmedämmverbundsystem, die Auswirkungen auf den Energiehaushalt eines Gebäudes sowie thermotrop geschützte Sonnenkollektoren wurden untersucht und erste Abschätzungen der optimalen Schichtparameter wie der Schalttemperatur abgeleitet. Beim Einsatz thermotroper Verglasungen in Gebäuden führt eine tiefere Schalttemperatur zu einem effektiveren Überhitzungsschutz, gleichzeitig reduziert sich aber die Heizenergieeinsparung durch solare Einträge. In dynamischen Gebäudesimulationen wurde eine optimale Schalttemperaturen um 20°C festgestellt. <br>Die derzeit verfügbaren thermotropen Schichten erfüllen weitgehend die optischen und thermischen Anforderungen, die an ein fertiges Produkt gestellt werden. Die Langzeitstabilität muß noch nachgewiesen werden. Im Verglasungsbereich ist neben Überhitzungsschutz die gute optische Qualität im klaren Zustand zu nennen. Die im geschalteten Zustand transmittierte Strahlung ist diffus, was sich positiv auf die Beleuchtung von Räumen mit Tageslicht auswirken kann. <br>Der Einsatz in Sonnenkollektoren muß derzeit zurückgestellt werden, da die verwendeten organischen Materialien für eine Dauerbelastung bei Temperaturen um 100°C ungeeignet sind. <br>Neben den beschriebenen thermotropen Hydrogelen und Polymerblends gibt es derzeit national wie auch international weitere thermotrope Systeme, die mit Nachdruck untersucht werden. Eine Verfügbarkeit thermotroper Schichtsysteme als marktfähige Produkte ist also für die nächsten Jahre zu erwarten.

Author dc:creator

• Nitz, Peter Markus

Contributors dc:contributor

• Luther, Joachim

• thermotrop schaltbare Schicht
• schaltbare Verglasung
• thermotropic switchable glazing
• smart windows

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