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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-17685
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1768/


Nitz, Peter Markus

Optische Modellierung und Vermessung thermotroper Systeme

Optical modelling and characterisation of thermotropic systems

Dokument1.pdf (7.231 KB) (md5sum: 9f0e8a4c3acce2c27e2f4109d63d782d)

Kurzfassung in Deutsch

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Einsatz in Sonnenkollektoren muß derzeit zurückgestellt werden, da die verwendeten organischen Materialien für eine Dauerbelastung bei Temperaturen um 100°C ungeeignet sind.
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.


Kurzfassung in Englisch

Thermotropic layers switch reversibly from a clear to a white diffusing state when heated. Thus, a self-regulating overheating protection for solar apertures (e.g. glazing) can be realised. In this work, concepts to describe the optical behaviour of thermotropic layers are developed and applied to optimise the systems.

Thermotropic hydrogels and polymer blends, both switching due to a phase separation process, are optimised with respect to several applications. A mixture and its separation is characterised by the phase diagram. The connection between phase diagram and optical properties is investigated by introducing a new parametrisation. The switching process should take place 'fast' in a small temperature interval. It is investigated how this may be achieved for a given phase diagram.

A correct description of absorption is needed because of the heating it causes in a system. Lorenz--Mie theory of light scattering of spheres had to be extended to absorbing matrix materials, because the solutions in literature could not be incorporated in simulations of radiative transport. Formally identical scattering coefficients are derived, leading to numerically other values of angular distribution of scattered light because of the imaginary part of the size parameter. In contrary to this, the results for cross sections of scattering and extinction differ formally and nominally from those derived with classical theory. I was achieved to derive self-consistent formulae for cross sections which can be used in radiative transport calculations. As main result, it is shown that for the given absorption indices of thermotropic materials, the classical scattering theory is a good approximation as long as the absorption is approximated in the rediative transport calculations.

Two methods of radiativ transport calculations were applied: N flux model and Monte Carlo method. The lateral offset of light in scattering media (which may cause large errors in the measurement of scattering layers) can only be simulated with the Monte Carlo method. Measured data were corrected and parameters of the layers could be identified, contributing to a better understanding of phase separation and growth of scattering domains.

Besides general parameter variations, optical characterisations of thermotropic layers and systems yielded many aspects for optimisation of the layers. Considering single scattering processes only, optimal backward scattering for both hydrogels and polymer blends is achieved with particles of approx. 90 nm radius. Taking into consideration the size distribution of domains, absorptions and calculating the behaviour of layered systems, the range of optimal mean particle radii is shifted to 100-200 nm. Radiative transport simulations allow for extrapolation of measured data to other substrates, layer thicknesses etc, thus providing inportand hints for the development of thermotropic systems like glazing units and other facade components.

Within this work, thermotropic insulating glazing units, a thermotropic transparent exterior insulation and finish, their influence on the energy consumption of a building and thermotropic covered solar collectors have been investigated. First estimations of optimal layer parameters like switching temperature with respect to the respective applications were derived. When using thermotropic glazing in a building, a lower switching temperature leads to a better overheating protection but at the same time the passive solar gains for room heating are reduced. Dynamic building simulations showed that the optimum switching temperature should be in the range around 20°C.

The thermotropic layers which are available at this point do fulfil the requirements of a building product. Long term stability still has to be shown and proven. For glazing units, both the function of overheating protection and the visual quality of the layers in the clear state are sufficient. Radiation transmitted in the scattering state has a highly diffuse character which may contribute to daylight room illumination.
The application of thermotropic layers in solar thermal collectors has to be postponed because the organic materials used are not stable at permanent temperatures of use in the range of 100°C.

Besides thermotropic hydrogels and polymer blends, there are several other approaches to realise thermotropic layers both in germany as well as internationally, which are investigated intensively. Therefore, it may be assumed that thermotropic products will reach the market within the next years.


SWD-Schlagwörter: Thermotropie
Freie Schlagwörter (deutsch): thermotrop schaltbare Schicht , schaltbare Verglasung
Freie Schlagwörter (englisch): thermotropic switchable glazing , smart windows
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Luther, Joachim (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.10.1999
Erstellungsjahr: 1999
Publikationsdatum: 23.05.2005
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