Publikation ift Rosenheim

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1 Seite 1 von 10 Dipl.-Ing. (FH) Michel Freinberger Bauphysik/Sonnenschutz Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Benitz-Wildenburg Leiter PR & Kommunikation ift Rosenheim Planung und Bewertung von Sonnenschutzeinrichtungen im Isolierglas Gebäude mit großflächigen Glasfassaden liegen unverändert im Trend, weil das Bedürfnis nach hellem Tageslicht und repräsentativen Fassaden ungebrochen ist. Dies steht aber teilweise im Widerspruch zu bauklimatischen Gesichtspunkten, denn für die Gebäudenutzung sind behagliche Bedingungen mit angenehmen Temperaturen und blendfreiem Licht unverzichtbar. Fachplaner und Architekten müssen deshalb durch eine intelligente Gebäudeplanung beide Aspekte berücksichtigen. Ohne leistungsfähige Sonnenschutz- und Lichtlenkungsmaßnahmen ist dies nur schwer zu realisieren. Neuartige Sonnenschutzsysteme ergänzen die klassischen Sonnenschutzeinrichtungen wie Sonnenschutzverglasung oder außen- bzw. innenliegenden Verschattungen. Gerade bewegliche Systeme können flexibel auf die unterschiedlichen jahreszeitlichen und tagesabhängigen Einflüsse reagieren und erreichen deshalb einen hohen Effizienzgrad für alle Einsatzbedingungen. Hierzu zählen vor allem Sonnenschutzelemente im Scheibenzwischenraum (SZR) von Mehrscheiben-Isolierglas (MIG). Entscheidend für einen langjährigen und störungsfreien Einsatz am Bau ist das Wissen um die Gebrauchstauglichkeit, die Einsatzgebiete und die Grenzen dieser Systeme. Ein Forschungsprojekt am ift Rosenheim hatte zum Ziel diese Fragen zu klären. Bild 1 ift Langzeitversuch mit natürlichen Klimabedingungen

2 Seite 2 von 10 Tabelle 1 Bewertung von Sonnenschutzsystemen für Gebäudenutzung Sonnenschutz Vorteile Zu beachten Sonnenschutz Niedriger g-wert (<0,2) Funktionsfähig auch bei großen im SZR v. MIG* Windlasten und Gebäudehöhen Tageslichtnutzung bei allen Strahlungsverhältnissen (tages- /jahreszeitlich) Anpassung an Nutzerbedürfnisse Leichte Reinigung Einfacher Einbau, keine Schnittstellen zwischen Glas und Sonnenschutz Sonnenschutz außen - fest Sonnenschutz außen - beweglich Sonnenschutz innen * Sonnenschutzglas statisch Sonnenschutzglas schaltbar Niedriger g-wert (<0,2) Funktionsfähig auch bei großen Windlasten und Gebäudehöhen Reinigung der festen Elemente vertretbar Architektonisches Gestaltungselement Teilweise auch als Fluchtweg nutzbar Hagelschutz für Fassade Niedriger g-wert (<0,2) Tageslichtnutzung bei allen Strahlungsverhältnissen (tages- /jahreszeitlich) Anpassung an Nutzerbedürfnisse Funktionsfähig auch bei großen Windlasten und Gebäudehöhen Tageslichtnutzung bei allen Strahlungsverhältnissen (tages- /jahreszeitlich) Anpassung an Nutzerbedürfnisse Einfacher Einbau, keine Schnittstellen zur Fassade Niedrige g-werte möglich (0,2 0,5) Funktionsfähig auch bei großen Windlasten und Gebäudehöhen Leichte Reinigung Einfacher Einbau, keine Schnittstellen zwischen Glas und Sonnenschutz Niedrige g-werte möglich (0,2 0,5) Funktionsfähig auch bei großen Windlasten und Gebäudehöhen Tageslichtnutzung bei allen Strahlungsverhältnissen Anpassung an Nutzerbedürfnisse Leichte Reinigung Einfacher Einbau, keine Schnittstellen zwischen Glas und Sonnenschutz Austausch nur als komplette Einheit möglich Hohe Temperaturbelastung im Scheibenzwischenraum Hohe Anforderung an Produktqualität und Gebrauchstauglichkeit Nur bedingte Anpassung an die tages-/ jahreszeitlichen Strahlungsverhältnisse Keine Anpassung an Nutzerverhältnisse Aufwändige Schnittstellenplanung mit Fassade und Verglasung Eingeschränkte Funktionsfähigkeit bei großen Windlasten und Gebäudehöhen Reinigung der filigranen Elemente ist aufwändig Nur mittlere g-werte möglich (0,4-0,6) Reinigung der filigranen Elemente ist aufwändig Beeinflussung der Innenraumgestaltung Bei niedrigen g-werten eingeschränkte Tageslichtnutzung Einfärbung der Verglasung durch Beschichtung Austausch nur als komplette Glaseinheit möglich Keine Anpassung an Nutzerbedürfnisse und tages- bzw. jahreszeitliche Strahlung Erhöhte Temperaturbelastung im Scheibenzwischenraum Einfärbung der Verglasung durch Beschichtung Austausch nur als komplette Glaseinheit möglich Erhöhte Temperaturbelastung im Scheibenzwischenraum Hohe Anforderung an Produktqualität u Gebrauchstauglichkeit

3 Seite 3 von 10 1 Sonnenschutz im Scheibenzwischenraum von Isolierglas Seit einigen Jahren sind MIG am Markt verfügbar, die Funktionen des Isolierglases und des Sonnenschutzes kombinieren, indem im SZR eine Sonnenschutzvorrichtung integriert wird. Der Einbau von Sonnenschutzelementen wie Jalousien, Behänge oder Gitterstrukturen im hermetisch abgeschlossenen SZR bietet interessante systemische Vorteile: Der Sonnenschutz befindet sich außerhalb der bewitterten Zone. Somit ergeben sich Einsatzmöglichkeiten auch bei höheren Windlasten und Gebäudehöhen. Der Reinigungsaufwand reduziert sich auf die Glasflächenanteile Einfache Abstimmungen zwischen Fassadenbau-, Isolierglas- und Sonnenschutzhersteller, weil Isolierglas und Sonnenschutz aus einer Hand geliefert werden Die energetischen Leistungseigenschaften sind vergleichbar mit außenliegenden Sonnenschutzsystemen Bild 2 Systemische Darstellung von Sonnenschutzelementen im SZR Neben dem reinen energetischen und lichttechnischen Aspekten ist bei der Planung von Sonnenschutzsystemen die thermische Belastung der Konstruktionselemente und den sich ergebenden Oberflächentemperaturen zu berücksichtigen. Durch die Absorption der Solarstrahlung sind an den integrierten Einbauten im SZR hohe Temperaturen zu erwarten. Temperaturmessungen bei solarer Bestrahlung haben gezeigt, dass Temperaturen von 80 C im SZR möglich sind. Je nach Einbausituation und integriertem Sonnenschutzsystem können deshalb auch Temperaturbelastungen an den raumseitigen Oberflächen von Glas und Fassade entstehen, die eine Beeinträchtigung der Nutzer- Komfortbedingungen ergeben.

4 Seite 4 von 10 Bild 3 Unterschiedliche Sonnenschutzsysteme auf der ift Sonderschau Licht und Schatten (fensterbau/frontale 2004) 2 Beurteilung der Behaglichkeit Bei der energetischen Charakterisierung von Verschattungssystemen hat sich gezeigt, dass erhöhte Temperaturen an der Oberfläche (Strahlungsasymmetrie) auftrete, die einen Einfluss auf die Behaglichkeit der Gebäudenutzer haben. Diese können nach DIN Raumlufttechnik - Gesundheitstechnische Anforderungen, VDI-Lüftungsregeln, ISO 7730 Gemäßigtes Umgebungsklima - Ermittlung des PMV und des PPD und Beschreibung der Bedingungen für thermische Behaglichkeit und CEN CR 1752 Lüftung von Gebäuden - Auslegungskriterien für Innenräume beurteilt werden. Die DIN stellt an die Differenz zwischen warmen und kälteren Wandflächen die Anforderung von T<19,0 Kelvin. Bei vollverglasten Fassaden bedeutet dies, dass die Strahlungstemperatur der Glassfassade die Strahlungstemperatur der anderen Wandflächen um nicht mehr als 19 Kelvin überschreiten darf. Für die Bewertung konkreter Einbausituationen bietet sich auch das detaillierte Verfahren der ISO 7730 (Beschreibung der Bedingungen für thermische

5 Seite 5 von 10 Behaglichkeit) an, das mit den Eingangskenngrößen Lufttemperatur, Strahlungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Tätigkeit, Bekleidungsgrad und Luftgeschwindigkeit, ein sogenanntes Predicted Mean Vote (PMV) ermittelt. Auf einer Bewertungsscala von 3 (=kalt) bis +3 (heiß) wird so eine typische Bewertung einer großen Personenanzahl prognostiziert. Aus dem PMV wird dann die Anzahl, der mit dem thermischen Umfeld unzufriedenen Personen, errechnet (PPD = Predicted Percentage Dissatisfied) und in 3 Kategorien eingeteilt: A hohes Erwartungsniveau PPD < 6% -0,2 < PMV < +0,2 B mittleres Erwartungsniveau PPD < 10% -0,5 < PMV < +0,5 C niedriges Erwartungsniveau PPD < 15% -0,7 < PMV < +0,7 Für konkrete Bauvorhaben und Isolierglasaufbauten mit integrierten Einbauten lassen sich somit gemäss ISO 7730 die im Labor ermittelten Oberflächentemperaturen in eine dieser 3 Bewertungskategorien einordnen. Bei allen drei Verfahren wird die Dauer der auftretenden Temperaturen nicht berücksichtigt. Die Zusammenhänge zwischen g-wert, Oberflächentemperaturen, resultierenden Raumtemperaturen und Behaglichkeitsbedingungen sind sehr komplex. Ein einfach zu bedienendes Simulationstool für die Bemessung nach ISO 7730 wurde von der University of Cardiff entwickelt und kann unter bezogen werden. 3 Bestimmung von Oberflächentemperaturen und g-wert Zur Bestimmung der raumseitigen Oberflächentemperaturen und des g- Wertes steht das kalorimetrische Messverfahren, mit dem auch komplexe Aufbauten sehr detailliert bewertet werden können, sowie ein Berechnungsverfahren nach DIN EN Berechnung der Solarstrahlung und des Lichttransmissionsgrades für einfachere Konstruktionen zur Verfügung. Bei dem kalorimetrischen Messverfahren wird das zu prüfende Bauteil mit einer künstlichen Sonne bestrahlt. Die durch das Bauteil transmittierte Energie wird mit Hilfe eines Flüssigkeitskalorimeters gemessen. Aus dem Quotienten der gemessenen transmittierten Energie und der Strahlungsleistung auf das zu bewertende Bauteil, ergibt sich direkt der Gesamtenergiedurchlassgrad g. Dieses Verfahren lässt sich auf alle transparenten, transluzenten, lichtlenkenden und streuenden Bauteile anwenden. Darüber hinaus können auch die Oberflächentemperaturen unter Berücksichtigung der äußeren und inneren Wärmeübergangswiderstände, der Einstrahlungsleistung und des Einstrah-

6 Seite 6 von 10 lungswinkels bestimmt werden. Die Kennwerte können so auch für spezielle jahreszeitliche und tagesabhängige Situationen exakt bestimmt werden. Bild 4 Kalorimetrische Messungen im ift Rosenheim Die Berechnung des g-wertes und der Oberflächentemperatur kann auch nach dem Verfahren der DIN EN Sonnenschutzeinrichtungen in Kombination mit Verglasungen - Berechnung der Solarstrahlung und des Lichttransmissionsgrades erfolgen. Das Verfahren ist gültig für alle parallel zur Verglasung angeordnete Sonnenschutzvorrichtungen. Erforderliche Eingangsparameter sind die Strahlungstransmission, die Reflexionsdaten der Einzelglasscheiben und der Einbauteile sowie die Emissionsgrade für die Wärmestrahlung. Die Bestimmung der Spektraldaten für die Elemente im SZR ist in der Praxis aufwändig. Insbesondere ist die rechnerische Bestimmung von Netz- und Gitterstrukturen im SZR nicht möglich. Da bei den Systemen eine Vielzahl von unterschiedlichen Einstellungsmöglichkeiten vorhanden ist die den g-wert beeinflussen, sollte der g-wert für typische Anwendungsfälle gemessen oder berechnet werden, denn die Bestimmung des bestmöglichen g-wertes ist für eine genaue Gebäudeplanung nicht ausreichend. Folgende Faktoren haben einen Einfluss auf die Temperatur im SZR und damit auch auf den g-wert: Einbausituation (Vertikal- oder Überkopfverglasung) Orientierung der Fassade Wärmeübergangswiderstände innen und außen Einstrahlungsleistung Einstrahlungswinkel Raumtemperatur Außentemperatur Art und Position der Beschichtung Absorptionsgrad des Einbaus und Lamellenfarbe

7 Seite 7 von 10 4 Anforderungen an Sonnenschutzsysteme im Scheibenzwischenraum Die wichtigsten Kriterien zur Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit sind die Sicherstellung der Gasdichtheit des Randverbundes Vermeidung von Feuchtigkeitsaufnahme des Randverbundes Verhindern von Fogging (Niederschlag von Materialemissionen an der Scheibeninnenseite) Dauerfunktionsfähigkeit des Einbaus Um den Sonnenschutz im SZR zu integrieren muss der Abstand der beiden Scheiben erhöht werden, damit die beweglichen Teile des Sonnenschutzes auch bei ungünstigen klimatischen Verhältnissen nicht die Glasoberflächen berühren können. Deshalb gehört die ausreichende Dimensionierung der Glassscheiben zum Pflichtprogramm der Hersteller. Der vergrößerte SZR verursacht aber auch höhere interne Systemlasten. Dies führt zu einer erhöhten Belastung des Randverbundes der Isolierglaseinheit und größeren Durchbiegungen der Glasscheiben. Für die Planung und den fachgerechten Einsatz muss die Frage geklärt werden in welchen Fällen die vergrößerte Belastung des Randverbundes die Gebrauchstauglichkeit der Isolierglaseinheit negativ beeinflusst. Die Feuchtigkeitsaufnahme des Trocknungsmittels und die Gasverlustrate für gasgefülltes Isolierglas können als wichtige Beurteilungskriterien der Lebensdauer herangezogen werden. Die Anforderungen für normales Isolierglas gemäß der europäischen Produktnorm DIN EN 1279 Glas im Bauwesen Mehrscheiben-Isolierglas reichen zur Beurteilung für MIG mit Einbauten im SZR nicht aus. Es ist notwendig die Systeme im Originalaufbau zu prüfen, um die Funktionstauglichkeit von Kabeldurchführungen und die Einflüsse von konstruktiven Merkmale beurteilen zu können. Bild 5 Übersicht wichtiger Anforderungen an Sonnenschutzelemente im SZR

8 Seite 8 von 10 5 UV-Belastung und Foggingverhalten Der UV-Anteil der solaren Strahlung in Verbindung mit hohen Temperaturen ist in der Lage chemische Verbindungen zu spalten und damit Stoffänderungen herbeizuführen. Die Folge ist eine Austreten organischer flüchtiger Stoffe aus Kunststoffteilen, die sich als Fogging an den inneren Scheibenoberflächen niederschlagen können und so zu einer Beeinträchtigung der Transparenz führen können. Die Sicherstellung der Foggingfreiheit wird durch eine simulierte UV Belastung überprüft (Prüfung nach DIN EN Glas im Bauwesen - Mehrscheiben-Isolierglas - Teil 6 - Werkseigene Produktionskontrolle und Auditprüfungen, Anhang C). Die UV-Belastung hat über den langen Nutzungszeitraum auch einen großen Einfluss der Einbauteile und muss deshalb für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit im Rahmen einer Dauerfunktionsprüfung berücksichtigt werden. 6 Bewertung der Dauerfunktion Neben den Kriterien für das MIG müssen die mechanischen Eigenschaft der integrierten Einbauten für den erwarteten Nutzungszeitraum von ca. 20 Jahren geprüft und beurteilt werden. Ein Austausch der integrierten Einbauten ist in der Regel nicht möglich, so dass ein kompletter Austausch der Isolierglaseinheit mit Einbauten erforderlich ist. Die Beurteilungsvorschläge gemäß den Produktnormen DIN EN Abschlüsse - Anforderungen und Klassifizierung, DIN EN Abschlüsse innen - Leistungs- und Sicherheitsanforderungen und DIN EN Abschlüsse - Widerstand gegen wiederholte Bedienungen sind nur bedingt auf Sonnenschutzeinrichtungen im SZR von MIG anwendbar und müssen deshalb modifiziert werden. Ziel der Prüfung ist die Funktionsfähigkeit des Einbaus über einen Nutzungszeitraum von ca. 20 Jahren zu simulieren. Dazu wurden folgenden Annahmen getroffen: Nutzungszeitraum ca. 20 Jahre ca. 3 Zyklen pro Tag für die Anzahl der Auf-, Ab- und Wende- Bewegungen Zyklenanzahl gesamt Eine positive Beurteilung ergibt sich, wenn die Funktionsfähigkeit der Einbauten voll erhalten bleibt und keine Verschmutzung oder Gebrauchs- /Abriebspuren auf dem Glas oder den Einbauten entstehen.

9 Seite 9 von 10 Anforderungen an Mehrscheiben - Isolierglas mit integrierten Einbauten Europäischen Normen Anforderungen an den Einbau zusätzliche bauphysikalische Anforderungen Feuchtigkeits - aufnahme DIN EN Fogging DIN EN mit erhöhter Temperaturbelastung g-wert für unterschiedliche Lamellenstellungen / Einstrahlungen Gasdichtheit DIN EN Dauerfunktions - prüfung für Zyklen Temperaturbelastung bei simulierter solarer Bestrahlung Fogging DIN EN Anhang C Dauerfunktions - prüfung bei UV - Bestrahlung für Zyklen Gesamtenergie - durchlassgrad g Isolierglas Wärmedurchgangs - koeffizient Ug EN 673, EN 674 Nachweis Mehrscheiben-Isolierglas mit integriertem Einbau Tabelle 2 Weg zur geprüften Gebrauchstauglichkeit 7 Fazit Zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit von Sonnenschutzelementen im Scheibenzwischenraum von Isolierglas sind die normativen Vorgaben und die Anforderungen an die Dauerfunktionsfähigkeit zu erfüllen. Die Gebrauchstauglichkeit hängt von der Qualität der Verarbeitung und der Einzelkomponenten sowie dem komplexen Zusammenspiel der einzelnen Bauteile ab. Die Ergebnisse des ift Forschungsprojektes Integrale Bewertung innovativer Gebäudehüllen (IBIG) werden in einer ift Richtlinie zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit von Einbauten im SZR zusammengefasst, die den Herstellern ein objektives und verlässliches Nachweisverfahren an die Hand gibt.

10 Seite 10 von 10 Autoreninfo: Dipl.-Ing. (FH) Michel Freinberger ist in der Abteilung Bauphysik verantwortlich für den Bereich Sonnenschutz. Nach dem Ingenieurstudium betreute er in einem Ingenieurbüro für Fassadentechnik verschiedene Bauprojekte bevor er im ift-rosenheim das Forschungsprojekt Integrale Bewertung innovativer Gebäudehüllen leitete. Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Benitz-Wildenburg leitet den Bereich PR & Kommunikation. Nach mehrjähriger Tätigkeit als Projektleiter in einem Fassadenbauunternehmen, verantwortete er in einem führenden Bauverlag die Fachinformationen für den Innenausbau und die Holzbranche. Sein Wissen gibt er im Rahmen eines Lehrauftrages an der FH-Rosenheim an den Ingenieurnachwuchs weiter.