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Dec 08, 2023

Nachhaltiges Bauen: Mit intelligentem Glas thermischen Komfort in hochverglasten Gebäuden erreichen

Datum: 12. April 2023 Autoren: Reem Taher, Walid Abdelmoneim Abdelkader und

Datum: 12. April 2023

Autoren: Reem Taher, Walid Abdelmoneim Abdelkader und Ahmed A. Medhat A. Fahim

Quelle:IOP-Konferenzreihe: Erd- und Umweltwissenschaften, Band 1113, Visionen für zukünftige Städte (VFC-2022) 23.09.2022 – 25.09.2022 Kairo, Ägypten

DOI:10.1088/1755-1315/1113/1/012021

Der herkömmliche Gebäudeentwurf sieht statische Lösungen für die Gebäudehülle vor, obwohl die klimatischen Eigenschaften variable Parameter sind, was zu einer Diskrepanz zwischen Gebäude und Umgebung und damit zu einer unangenehmen thermischen Umgebung für die Bewohner führt. Dementsprechend sind die Außenfassaden vieler herkömmlicher Gebäude zu einer thermischen Belastung für ihre Bewohner geworden und erfordern mechanische Lösungen zur Erzielung thermischen Komforts, was sich negativ auf die Umwelt auswirkt und Energiekrisen, Luftverschmutzung und globale Erwärmung verursacht.

Es wird angenommen, dass der Einsatz von intelligentem Glas in der Gebäudehülle optimale Lösungen zur Anpassung von Gebäuden an die variablen Klima- und Umwelteigenschaften bieten und so den thermischen Komfort der Nutzer verbessern und darüber hinaus zur Erreichung der Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) beitragen kann Ziel ist es, die Gesundheit zu verbessern, den Klimawandel zu bekämpfen und einen verantwortungsvollen Energieverbrauch zu erreichen. Dies wird durch die Simulation eines hochverglasten Bürogebäudes mit der DesignBuilder-Software im Basisfall und nach Anwendung der vorgeschlagenen Smart-Glass-Techniken bestätigt. Anschließend werden Kühllasten berechnet, um die Energieeffizienz zu untersuchen.

Der menschliche Komfort ist ein wichtiges Ziel im architektonischen Designprozess. Während der Nutzung des Gebäudes müssen sich die Menschen im Gebäude sicher und gesund aufhalten. Sobald Sicherheit und Gesundheit gewährleistet sind, benötigen sie Raumklimakomfort, der insbesondere thermischen Komfort umfasst, nicht nur für das Glück, sondern auch für Produktivität und soziale Interaktionen. [1]

Gebäude müssen genau auf ihre Umgebung abgestimmt sein und intelligent mit den örtlichen Umweltbedingungen interagieren. Diese Interaktion wird logischerweise am meisten von der Gebäudehülle übernommen (hauptsächlich als Reaktion auf gewünschte oder unerwünschte klimatische Bedingungen), bei denen sich das Klima ändert. Daher sollten Gebäudehüllen, insbesondere stark verglaste Gebäudehüllen, intelligent gestaltet sein, um mit den umgebenden Umweltbedingungen zu interagieren und im Vergleich zur statischen und herkömmlichen Hüllenleistung eine hohe Leistung zu bieten.[2],[3]

2.1. Nachhaltigkeit, grüne und intelligente Architektur

Die Integration umweltfreundlicher Designtechniken und intelligenter Technologie in das Gebäude reduziert nicht nur den Energieverbrauch und die Umweltbelastung, sondern senkt auch die Betriebs- und Wartungskosten, schafft ein angenehmes und komfortables Arbeitsumfeld, verbessert die Gesundheit der Benutzer, erhöht ihre Produktivität und steigert den Wert des Gebäudes und Mieteinnahmen. Intelligente Architektur trägt mit intelligenten Anwendungen und moderner Technologie, die in die Kommunikationstechnologie in Gebäudeelementen integriert ist, zur Erreichung der Ziele für nachhaltige Entwicklung bei. Jedes intelligente Gebäude ist ein grünes Gebäude, nicht umgekehrt. Intelligente Gebäude weisen durch eine positive dynamische Interaktion zwischen Gebäudeelementen und der Umwelt eine effektive Leistung gegenüber der Umwelt auf. [4] Abbildung 1 zeigt die Gemeinsamkeiten von intelligenten und umweltfreundlichen Gebäuden.

2.2 Intelligentes Fenster

„Intelligente Hülle“ ist definiert als fortschrittliche Leistung der Gebäudehülle mit intelligentem Design in Bezug auf Klimabedingungen und technologischen Lösungen für den Bau wie intelligente Fenster, intelligente Isolierung, intelligente Fassade sowie intelligente Systeme und intelligente technologische Ausrüstungslösungen wie intelligente Managementsysteme um den Benutzern die besten Bedingungen wie thermischen Komfort, Wohlbefinden in Innenräumen, effiziente Energieeinsparung und effiziente Nutzung der Umwelt zu bieten. Die adaptive Reaktion einer intelligenten Hülle kann auf passive oder aktive Weise oder eine Kombination aus beidem erfolgen. Passive Reaktionen erfolgen ohne Eingriff des Insassen. Andererseits erfolgt eine aktive Reaktion durch die Integration automatischer Steuerungsgeräte und -systeme in Gebäudehüllenelemente. Intelligente Gebäudehüllen sind in der Lage, von den Benutzern selbst zu lernen und die erforderlichen Konfigurationen aufgrund sich ändernder Umgebungsbedingungen zu erwarten. Außerdem schulen sie Benutzer, modifizieren ihre Aktionen, lernen die Bedürfnisse der Bewohner kennen und wählen für jeden Reiz die am besten geeignete Aktion aus und führen diese aus. [5], [6]

Intelligente Fenster werden definiert als „die Art von Fenstern, die unerwünschte Sonnenstrahlung teilweise blockieren und dazu beitragen können, dass Gebäude ein höheres Energieeffizienzniveau aufrechterhalten.“ Das intelligente Fenster kann verschiedene äußere Reize wahrnehmen, sei es Umweltbedingungen (Wärme, Licht usw.) oder elektrischen Strom, und durch Änderung seiner Eigenschaften (z. B. Solarfaktor, Strahlung aus dem Sonnenspektrum) reagieren, um die Innentemperatur und das Licht zu steuern über Glas übertragen. Dementsprechend sollte das intelligente Fenster die Wärmeabsorption, die Wärmeabsorption, die Wärmedurchlässigkeit, die Sicht und die optische Durchlässigkeit steuern. [7], [8] „Variable Transmission Glazing (VTG) ist ein intelligentes Fenster, bei dem die Transmissionseigenschaften variieren, um optimale Licht- und Wärmeumgebungen zu erreichen.“ [9] VGTs werden auch dynamische oder schaltbare Verglasungen genannt und haben eine selbstbeschattende Funktion. Dynamische intelligente Verglasungseinheiten können in drei Kategorien eingeteilt werden: chromische (thermochrome, photochrome und elektrochrome), Flüssigkristallgeräte und Schwebeteilchengeräte. Außerdem können sie in aktive und passive Verglasungen eingeteilt werden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Aktive Verglasungssysteme können durch ein Gebäudemanagementsystem (BMS) gesteuert werden, das auf die Bedürfnisse der Bewohner und Umgebungsveränderungen reagiert. EC-Verglasungen bieten im Vergleich zu SPD- und LCD-Glas einen besseren Schutz vor Sonnen- und UV-Strahlung. Passive Verglasungssysteme benötigen keine elektrischen Reize; Sie verändern ihre Eigenschaften durch natürliche Reize (z. B. Wärme und Licht) selbst. [10], [11]

DesignBuilder ist das Simulationstool für die in diesem Dokument vorgestellte Fallstudie. Es handelt sich um ein benutzerfreundliches Umweltmodellierungsprogramm, mit dem wir mit virtuellen Gebäudemodellen arbeiten können. EnergyPlus ist die Simulations-Engine, die in der Fallstudie verwendet wird. EnergyPlus ist eine vorgefertigte Software, die in die DesignBuilder-Umgebung integriert ist und die Durchführung vollständiger Simulationen ermöglicht, ohne die Benutzeroberfläche zu verlassen. „EnergyPlus-Berechnungen basieren auf ASHRAE-Definitionen mit unterschiedlichen Methoden zur Datenverarbeitung.“ [12], [13]

Die Studie besteht aus fünf Phasen: Standortanalyse und Gebäudebeschreibung – Analyse der Spezifikationen der Elemente der Gebäudehülle und Simulation dieses Basisfalls – Anwendung der vorgeschlagenen intelligenten Techniklösungen auf die Hülle und Simulation jedes einzelnen Falles – Simulation der Kühllasten des Basisfalls und des Vorschlags Intelligente Fälle – analytischer Vergleich und Schlussfolgerung ihrer Effizienz bei der Erfüllung thermischer Komfortanforderungen und der Energieeinsparung.

Derzeit werden Bürogebäude mit einer großen Außenverglasung gebaut und verfügen über keine natürliche Belüftung, was sich auf die Luftqualität und den thermischen Komfort der Mitarbeiter an ihren Arbeitsplätzen und damit auf ihre Gesundheit, Produktivität und Anpassungsfähigkeit auswirkt. [14] Auf dieser Grundlage handelt es sich bei der ausgewählten Fallstudie um ein geplantes Bürogebäude mit ca. 85 % einfach verglaster Fläche; Abbildung 3 zeigt das mit den Tools des Simulationsprogramms erstellte Gebäudemodell. Dementsprechend stellt diese Gebäudehülle eine thermische Belastung für die Bewohner dar, was zu einem umfassenden Einsatz mechanischer Technologien zur Erzielung thermischen Komforts führt. Die Fallstudie befindet sich im Bereich des Flughafens Kairo und hat einen halbquadratischen Grundriss, wie in den Abbildungen 4–6 dargestellt.

4.1. Datenanalyse

Die meisten architektonischen Räume in diesem Bürogebäude haben zwei Ausrichtungen. Dementsprechend wurden für das Erdgeschoss und die typischen Stockwerke vier Büroräume mit den Ausrichtungen Nord und Ost-Nord und West-Süd sowie Ost-Süd und West (wie in den Abbildungen 7, 8 und 9 dargestellt) für die Untersuchung ausgewählt die thermische Leistung dieser Räume und vergleichen sie mit den Grenzen des thermischen Komforts. Und ebenso werden die gleichen Ausrichtungen noch einmal für die vier Büros im letzten Stockwerk untersucht (wie in Abbildung 10 dargestellt), um die Auswirkung der thermischen Dachlasten zu bestimmen.

4.2. Basisfallsimulation

4.2.1. Eingabedaten

Design-Builder-Dialoge ermöglichen das Laden von Daten in die Modellräume (Aktivität, Konstruktion, Öffnungen, Beleuchtung, HVAC, Ausgänge und CFD-Dialoge). [13] Aktivitätsdialoge definieren Gebäudenutzungsdaten, einschließlich Daten zur Belegung, internen Temperatursollwerten, Gerätelasten und -plänen, Lüftungsraten und Beleuchtungsstärken. Beleuchtungsdialoge identifizieren Beleuchtungsleistungsdichten für die Allgemein- und Arbeitsbeleuchtung. Baudialoge identifizieren generische Baudaten; Eröffnungsdialoge identifizieren Fensterdaten und Verglasungstyp. Tabelle 1 fasst diese Daten zusammen.

Tabelle 1: Eingabekonstruktions- und Öffnungsdaten für Basisfall (Autor)

4.2.2. Ausgabedaten

Den Eingabedaten zufolge wurde die Simulation am 19. August durchgeführt, da die Sommerdesignwoche vom 19. bis 25. August dauert. Tabelle 2 enthält die Ergebnisse der Komfortdaten: Der stündliche Durchschnitt der Betriebstemperatur, die Außentemperatur der Trockenkugel und die relative Luftfeuchtigkeit.

Tabelle 2: Komfortdatenausgaben der Basisfallsimulation (Forscher)

4.3. Neusimulation

Aus der vorherigen Simulation geht hervor, dass das Gebäude aufgrund der großen Glasfläche thermisch unbequem ist, insbesondere in den Büros Süd/Ost und Süd/West. Dementsprechend werden im folgenden Abschnitt einige vorgeschlagene Smart Glass-Elemente erörtert, die durch die aktuellen Glaseinheiten ersetzt werden sollen, um die Wärmeleistung zu verbessern.

4.3.1. Eingabedaten

Die vorgeschlagenen Smart-Glass-Techniken:

A. Thermochrome Verglasung: TC-Glas kann seine thermooptischen Eigenschaften aufgrund eines Temperaturunterschieds auf der Außenseite verändern. TC-Folie absorbiert Wärme, was einen Phasenübergang oder eine chemische Reaktion verursacht. Sobald die Temperatur den Übergangspunkt (65 °C, minimale Transparenz) überschreitet, wird das Glas undurchsichtig und bei niedrigeren Temperaturen (10 °C, maximale Transparenz) transparent, wie in Abbildung 19 dargestellt. Das häufigste thermochrome Material ist Vanadiumoxid VO2 , das eine Übergangstemperatur von 68 °C hat. [6]

B. Elektrochrome Verglasung: SAGE Electrochromics Inc. SageGlass Green 9 mm Lami Full Clear 49 % T. EC besteht aus zwei Glasschichten, zwei Schichten transparenter Leiter, einer elektrochromen Schicht, einem Elektrolyten und einer Ionenspeicherschicht. Bei eingeschalteter Stromversorgung strömen Ionen aus der elektrochromen Schicht und das Glas verdunkelt sich. Es wird wieder transparent, wenn die Richtung des elektrischen Feldes umgekehrt wird (Abbildung 20). [6], [16]

C. Low-E-Glas: Eine doppelt verglaste Einheit aus einer Außenschicht aus Viracon Low E II (Klarglasscheibe mit Low-E-Beschichtung auf der Oberfläche Nr. 2) – 6 mm Argon – 6 mm Generic-Klarglasscheibe. Beschichtungen mit niedrigem Emissionsgrad sind spektral selektive dünne Filme, die auf eine Mehrfachverglasungseinheit aufgetragen werden und das sichtbare Licht durchlassen und die IR- und UV-Wellenlängen blockieren, die im Allgemeinen Wärme erzeugen, um die Strahlungswärmeemission zu reduzieren und für Wärmeisolierung zu sorgen. Die Beschichtung wird minimal auf eine dem Hohlraum zugewandte Oberfläche der Glasscheiben aufgetragen; seine Position hängt von den klimatischen Bedingungen ab. In heißen Klimazonen ist es zur Erhöhung der Reflexion und Reduzierung der Sonnenenergieübertragung besser, die Innenfläche der äußeren Glasscheibe zu beschichten (Abbildung 21). [17]

4.3.2 Ausgabedaten

Im folgenden Teil werden die Ergebnisse von Smart-Glass-Lösungen für die ausgewählten Büros (nach Süden/Osten und Süd/West ausgerichtet) erörtert.

A. Thermochrome Verglasung

TC kontrollierte effektiv die Menge der durch das Fenster eindringenden Sonnenenergie und sorgte so für Schatten. Tabelle 3 enthält Diagramme, die die Betriebstemperatur für die Fallstudienbüros in ihrem Basisfall und in diesem vorgeschlagenen Fall vergleichen.

Tabelle 3: Ergebnisse von thermochromem Glas. (Autor)

B. Elektrochrome Verglasung

Ausgänge Elektrochrome Fenster steuern effektiv die Menge an Sonnen- und Lichtenergie, die durch das Fenster dringen kann, und sorgen so für Schatten. Tabelle 4 enthält Diagramme, die die Betriebstemperaturen der Fallstudienbüros in ihrem Basisfall und diesem vorgeschlagenen Fall vergleichen.

Tabelle 4: Ergebnisse elektrochromer Verglasungen. (Forscher)

C. Low-E-Glasausgänge

Diese Verglasungseinheit sorgte für Sonnen- und Wärmekontrolle und ermöglichte gleichzeitig ein höheres Maß an natürlichem Tageslicht oder sichtbarer Lichtdurchlässigkeit. Der Wärmedämmwert (U-Wert) wird im Vergleich zu unbeschichteten Einfachverglasungen um über 60 % verbessert. Tabelle 5 enthält Diagramme, die die Betriebstemperatur der Fallstudienbüros in ihrem Basisfall und diesem vorgeschlagenen Fall vergleichen.

Tabelle 5: Ergebnisse von Low-E-Verglasungen. (Forscher)

4.4. Kühllasten

In dieser Fallstudie wird ein typisches Split-Klimaanlagensystem verwendet. Ein verpacktes Einzelzonen-Split-System verwendet einheitliche (werkseitig hergestellte) Geräte, die vollständig in sich geschlossen sind, um für Heizung und Kühlung zu sorgen. Das Split-Unit-System ist das am weitesten verbreitete Klimaanlagensystem in Ägypten. In diesem Fall wird in jedem Büroraum ein Split-No-Frischluftsystem installiert, um thermischen Komfort zu erreichen. Für das Gebäude im Basisfall und jede intelligente Lösung wird die Solltemperatur in jedem Raum in zwei Durchläufen bei 23 °C (empfohlen, um Energie zu sparen) und 20 °C (normalerweise eingestellt) angepasst und simuliert. Die Energieleistungsergebnisse für den gesamten Zeitraum vom 19. August sind in Tabelle 6 für die Situation mit einem Split-Unit-System aufgeführt.

Tabelle 6: Kühllastausgänge (Forscher)

Thermische Leistung: Die vorherigen Simulationen haben die Wirksamkeit der Nachrüstung des vorhandenen Glases mit intelligentem Glas bei der Verbesserung der Wärmeleistung des Gebäudes nachgewiesen, und zwar bei jedem Typ in unterschiedlichem Ausmaß. Ergebnisse zeigen, dass elektrochrome Verglasungen die beste thermische Leistung erzielen, da die Betriebstemperatur um etwa 3–7 °C gesenkt wird. Thermochrome Verglasungen bieten die geringste Wärmeleistung, da die Betriebstemperatur um etwa 2–5 °C gesenkt wird. Laut Simulationsergebnissen ist die Reihenfolge dieser Lösungen auf die bessere thermische Leistung zurückzuführen: elektrochrome Verglasung; Doppelverglasung mit Low-E-Beschichtung; thermochrome Verglasung (Abbildung 34).

Energieverbrauch: Aus dem analytischen Vergleich der Ergebnisse der Gebäudesimulation mit den vorgeschlagenen intelligenten Lösungen und Split-Klimageräten geht hervor, dass intelligente Hüllen den Energieverbrauch für die Kühlung je nach Lösungstyp um etwa 21 bis 36,4 % senken können, wie in Abbildung 35 dargestellt Abbildung 36 fasst die gesamten Brennstoffabbauleistungen (in kW) für die Fallstudie im Basisfall im Vergleich zu jeder simulierten intelligenten Lösung zusammen, wenn die Solltemperatur der Klimaanlage auf 20 oder 23 °C eingestellt ist. Der Energieverbrauch sinkt um ca. 12,5 % bis 14,5 %, wenn die Solltemperatur der Split-Einheit von 20 °C auf 23 °C geändert wird.

Intelligente Architektur trägt mit intelligenten Anwendungen und modernen Technologien, die sich in die Kommunikationstechnologie innerhalb von Gebäudeelementen integrieren, zur Erreichung der Ziele einer nachhaltigen Entwicklung bei. In diesem Artikel wird ein Überblick über intelligente Glassysteme gegeben, die zur Schaffung einer nachhaltigen, intelligenten Gebäudehülle beitragen, die dem Klimawandel entgegenwirkt und den thermischen Komfort für die Bewohner ihrer bebauten Umgebung verbessert. Darüber hinaus zeigt es die Möglichkeit, diese intelligenten Lösungen in Ägypten anzuwenden.

Der analytische Vergleich der Simulationsergebnisse bewies die Wirksamkeit der Nachrüstung des vorhandenen Glases mit intelligentem Glas bei der Anpassung an die Umgebungsbedingungen und der Verbesserung der Wärmeleistung des Gebäudes, jeweils in unterschiedlichem Ausmaß. Ergebnisse zeigen, dass elektrochrome Verglasungen die beste thermische Leistung erzielen, da die Betriebstemperatur um etwa 3–7 °C gesenkt wird. Thermochrome Verglasungen bieten die geringste Wärmeleistung, da die Betriebstemperatur um etwa 2–5 °C gesenkt wird. Die Energieanalyse zeigt, dass der Einsatz von Split-Klimaanlagen in Räumen mit den vorgeschlagenen Smart-Glass-Lösungen den Energieverbrauch für die Kühlung je nach simuliertem Lösungstyp um etwa 21 bis 36,4 % senken kann. Thermochrome Verglasungen erzielen die besten Ergebnisse, da sie etwa 36,40 % des Energieverbrauchs einsparen. Obwohl elektrochrome Verglasungen eine bessere Wärmeleistung aufweisen, sparen sie durch den Einsatz von Strom etwa 21 % des Energieverbrauchs ein.

[1] Gamal A 2013 Design Economics of Smart Skins of Office Building – Towards Aneconomic Evaluation Model of Ventilated Double Skin Facade (V. DSF) Design, Using IT Application in Greater Cairo (Gizeh, Ägypten: Ph.D., Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Kairo). [2] Vischer J 2008 Towards an Environmental Psychology of Workspace: How People are Affected by Environments for Work Architectural Science Review 51(2) 97-108. [3] Laftchiev E und Nikovski D 2016 Ein IoT-System zur Schätzung des persönlichen thermischen Komforts 2016 IEEE 3rd World Forum on Internet of Things (WF-IoT) (Virginia, USA: IEEE) 672–677. [4] Radwan AH 2012 Intelligente Architektur zwischen zeitgenössischer Funktionalität und architektonischer Morphologie (Kairo: Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Al Azhar-Universität). [5] Wigginton M und Harris J 2002 Intelligent Skins (Oxford: Architectural Press). [6] Casini M 2016 Smart Buildings Advanced Materials and Nanotechnology to Improve EnergyEfficiency and Environmental Performance (Sawston, Cambridge, UK: Woodhead Publishing). [7] Kamalisarvestani M, Saidur R, Mekhilef S und Javadi FS 2013 Leistung, Materialien und Beschichtungstechnologien thermochromer Dünnfilme auf intelligenten Fenstern Renewable and Sustainable Energy Reviews 26 353-364. [8] Baetens R, Jelle BP und Gustavsen A 2010 Eigenschaften, Anforderungen und Möglichkeiten intelligenter Fenster für dynamische Tageslicht- und Solarenergiesteuerung in Gebäuden: Eine Übersicht über den neuesten Stand der Technik Solarenergiematerialien und Solarzellen 94(2) 87-105. [9] Allen K und Wu Y 2015 Smart Window A Window for Dynamic Control of Building Energy Performance Internationale Konferenz CISBAT 2015 Future Buildings and Districts Sustainability from Nano to Urban Scale (Lausanne, Schweiz: LESO-PB, EPFL) 65-70. [10] Juaristi M, Monge-Barrio A, Knaack und Gómez-Acebo T 2018 Intelligente und multifunktionale Materialien und ihre mögliche Anwendung in Fassadensystemen Journal of Facade Design and Engineering 6(3), 1933. [11] Bahlol WS 2013 Smart Glas und seine Vorteile für den Energieverbrauch in Gebäuden Chinesisch-ägyptisches Forschungsjournal 2 157-174. [12] Scanferla M und Motuzienė V 2017 Energy Efficient Glazed Office Building Envelope Solutions for Different European Climates Environmental Protection Engineering 9(4) 470-481. [13] DesignBuilder Software 2009 DesignBuilder 2.1 Benutzerhandbuch (© 2009 DesignBuilder Software). [14] Casini M 2014 Intelligente Fenster für die Energieeffizienz von Gebäuden. Tagungsband der zweiten internationalen Konferenz über Fortschritte im Bau-, Bau- und Umweltingenieurwesen – ACSEE (USA: Institute of Research Engineers and Doctors) 273-281 [15] FACADE SERIES. (2018). Abgerufen am 9. November 2020 von G.James: https://professional.gjames.com/facades/650-500-series [16] Gavrilovic D und Stojic J 2011 Verwendung von „intelligenten“ Glaspaneelen in Gewerbe- und Wohngebäuden Architektur und Civil Engineering 9(2) S. 261–268. [17] Rissman J und Kennan H 2013 Low-Emissivity Windows (Washington: American Energy Innovation Council). [18] Ressourcen. 2021 Abgerufen am 8. 2022 von Efficient Energy Choices: https://www.efficientenergychoices.com.au/files/Lowe%20Glazing%20NGP_Section_03.pdf [19] Windows verstehen. (2018, April). Von Efficient Windows Collaborative: https://efficientwindows.org/low-e-coating/