Een door ETH Zürich ontwikkelde zonnegevel combineert elektriciteitsproductie met intelligente zonwering om een ​​optimale energiebalans te bereiken.

Het verwarmen of koelen van binnenruimtes kost energie. Slimmere gevels van gebouwen zouden veel van die energie kunnen besparen. Een systeem ontwikkeld door ETH Zürich maakt gebruik van verplaatsbare zonnepanelen om elektriciteit op te wekken en tegelijkertijd de juiste hoeveelheid zon of schaduw toe te staan ​​voor weersomstandigheden en intern gebruik.

Positieve energiebalans

Arno Schluter, Hoogleraar Architectuur en Bouwsystemen, en zijn onderzoeksgroep hebben een adaptief zonne-gevelsysteem ontwikkeld dat individuele kamers zo regelt dat ze in de loop van het jaar meer energie produceren dan ze verbruiken. Ze hebben zojuist hun bevindingen gerapporteerd in een recente editie van het tijdschrift Natuur Energie .

De innovatieve gevel bestaat uit arrays van beweegbare zonnepanelen die zijn gemonteerd op een netwerk van lichtgewicht staalkabels. Deze worden individueel bestuurd en verticaal en horizontaal bewogen door een zacht robotelement. Deze zachte robotactuators vormen het hart van het systeem:de combinatie van zachte materialen die onder druk van vorm veranderen en een stijve U-vormige verbinding zorgen ervoor dat ze op hun plaats kunnen worden vergrendeld om bestand te zijn tegen barre weersomstandigheden, zelfs stormen.

Onderzoekers hebben de weerbestendigheid van het systeem getest en metingen uitgevoerd met verschillende prototypes op de Hönggerberg Campus. Ze ontdekten dat de beweegbare zonnepanelen op een heldere zomerdag ongeveer 50 procent meer energie oogsten dan statische zonnepanelen die op een gevel van een gebouw zijn gemonteerd.

Besparingspotentieel gesimuleerd

Echter, de gevel wekt niet alleen elektriciteit op, maar kan ook regelen hoeveel licht en warmte de gebouwschil doorlaten, waardoor het binnenklimaat wordt gereguleerd. Een adaptief leeralgoritme regelt de beweging van de panelen, zodat de besparingen op het verwarmen en koelen van binnenruimten de netto energiebehoefte verlagen. Tegelijkertijd, het algoritme houdt ook rekening met het huidige gebruik van het gebouw en past het klimaat daarop aan.

Om te bepalen in welke mate het energieverbruik van een ruimte theoretisch zou kunnen worden verminderd, de onderzoekers simuleerden verschillende scenario's met behulp van gegevens van prototypes. Ze berekenden het energiebesparende potentieel van gebouwschil voorzien van beweegbare zonnegevels in Caïro, Zürich en Helsinki. Daarbij hebben ze simulaties uitgevoerd voor ruimtes in zowel kantoor- als woongebruik.

Grootste potentieel in gematigde streken

De resultaten tonen aan dat de energiebesparing in kantoren doorgaans hoger is dan in woonruimtes, in warme in plaats van in koude klimaten, en vooral in gematigde streken zoals Centraal-Europa. Arno Schlüter vat de bevindingen samen:"Hoe variabeler de omgevingsomstandigheden, hoe groter de voordelen van de adaptieve gevel."

De beste energiebalans werd gezien in de simulaties voor kantoorruimte in een gematigde zone (in dit geval Zürich) in gebouwen die volgens de laatste norm zijn gebouwd. In dit scenario, waar in de loop van het jaar zowel interieurverwarming als -koeling nodig waren, de adaptieve gevel genereerde 115 procent van de energie die nodig is voor een comfortabele ruimteomgeving.

Een even goed resultaat kwam van de simulatie voor een kantoorruimte in een huis in Caïro, gebouwd vóór 1920, waarvoor veel meer schaduw en koeling nodig was. In dit geval, de gevel produceerde 114 procent van de totale jaarlijkse energiebehoefte. Met andere woorden, de studie benadrukt het energiebesparingspotentieel voor zowel nieuwe als oude gebouwen, maar de gevel moet altijd worden beschouwd in samenhang met de binnenruimte en het gebruik ervan.

"We willen de afweging tussen gebruikerscomfort en energie-efficiëntie in gebouwen oplossen, " zegt Arno Schlüter. "In theorie de meest energiezuinige ruimte zou geen ramen hebben. We demonstreren dan ook graag hoe een intelligente interface tussen binnen en buiten van een gebouw kan zorgen voor optimaal gebruikscomfort en bovendien overtollige energie kan opwekken.”

Professor Schlüter's group will soon be able to measure the impact of the adaptive solar façade on a physical building:the system is part of the futuristic "HiLo" unit currently being constructed on the topmost platform of the NEST research building in Dübendorf.