Zukunft Isolierglas Vierfach dünn + vorgespannt Druck ganz entspannt und Vakuum? Prof. Dr. Franz Feldmeier Hochschule Rosenheim

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1 Zukunft Isolierglas Vierfach dünn + vorgespannt Druck ganz entspannt und Vakuum? Prof. Dr. Franz Feldmeier Hochschule Rosenheim

2 Warum Glas? Glas ist transparent! Tageslicht Kontakt zu draußen solare Energiegewinne Nachteile Risiko von Glasbruch schlechte Wärmedämmung (Einfachglas U = 6 W/m²K) Heizwärmebedarf Tauwasserrisiko Lösung Doppelglas einfach U = 3 W/m²K, Wärmedämm-Isolierglas U = 1,1 W/m²K

3 Double Glass window Vorteil Wärmedämmung verbessert U = 3 W/m²K Nebenbei Integration von Sonnenschutz im Raum zwischen den Scheiben Nachteil komplexe Konstruktion Verbundfenster Kasten-Fenster aufwändige Reinigung vier Flächen höhere Kosten

4 Verbesserung bei Fensterglas Wärmeverlust verringern Schalldämmung Zusatzflügel sparen Thomas Stetson U.S. Pat (1865) Abstandhalter: Holzleiste Dichtstoff: Fenster-Kitt Zweifach oder Mehrfachglas (Mittelscheiben können dünn sein) möglichst wenig Feuchte einschließen Ein-/Ausbauchen ermöglichen um Temperaturunterschiede zu kompensieren.

5 Mehrscheiben-Isolierglas hermetisch dichter Umfang Glas-Glas verschweißt GADO Glas-Metall gelötet Thermopane Glas-Polymer geklebt Alfred Arnold Isolar Glas 1959

6 Mehrscheiben-Isolierglas mit einem gut geschützten Zwischenraum Beschichtungen coatings Gasfüllung gas filling Füllung Luft oder ein anderes Gas Beschichtung Hochleistungsbeschichtungen geringe Emissivität Selektiver Sonnenschutz

7 Isolierglas Entwicklung Ug W/m²K 3,0 1 G 2 IG Argon 2,0 3 IG lowe Coating 1,0 0,5 2 IG lowe/gas Vakuum +lowe 3 IG lowe/ar 4 IG lowe/ar lowe/ar WSV82 WSV95 EnEV02 EnEV13

8 Isolierglas Wärmetransport klarer Himmel Außen- Luft Wind Außenflächen Innen- Luft Innenflächen Wärmetransport durch Strahlung Leitung Strömung Tauwasser

9 Strahlungsaustausch mit dem klaren (kalten) Himmel - entscheidend für Dachfenster klarer Himmel Tauwasser Risiko Äußere Lufttemperatur U = 3 W/m²K Temperatur der äußeren Oberfläche sinkt Tauwasser-Risiko an der äußeren Oberfläche steigt

10 Strahlungsaustausch mit dem klaren (kalten) Himmel - entscheidend für Dachfenster Klarer Himmel Tauwasser- Risiko steigt Äußere Lufttemperatur U = 1,2 W/m²K Verbesserung Temperatur der äußeren Oberfläche sinkt weiter Tauwasser-Risiko an der äußeren Oberfläche steigt weiter

11 Strahlungsaustausch mit dem klaren (kalten) Himmel - entscheidend für Dachfenster klarer Himmel Verringertes Tauwsserrisiko Äußere Lufttemperatur lowe coating Verbesserung Strahlungsaustausch wird reduziert Oberflächentemperaturabsenkung wird reduziert Tauwasserrisiko an der äußeren Oberfläche wird reduziert

12 U-Wert von Isolierglas Physikalische Grundlagen R g h = h r 1 + h 1 g h g = λ szr 3 r = 4σ T 1 1 m + 1 ε ε 1 2 Nu Außerdem: p V T = constant

13 Wärmetransport im Zwischenraum Luft im Zwischenraum Leitung/Konvektion hg = 1,5 W/m²K 30% IR Emission/Absorption der Glasoberflächen Strahlungsaustausch 1 1 Rg = = h + h 3,7 + r g 1,5 = 0,19 hr = 3,7 W/m²K 70% U = 2,8 W/m²

14 High tech Verbesserung: low E Beschichtung Argon Füllung reduziert Leitung/Konvektion hg = 1,1 W/m²K 21% lowe Beschichtung stark reduzierter Strahlungsaustausch 1 1 Rg = = h + h 0,2 + r g 1,1 0,75 hr = 0,2 W/m²K 4% U = 1,1 W/m²

15 High tech Weitere Verbesserung: Vakuum verhindert Wärmeleitung Kein Gas in SZR Keine Leitung/Konvektion Microspacer zusätzliche Leitung lowe Beschichtung stark reduzierter Strahlungsaustausch hg = 0,0 W/m²K 0% hs = 1? W/m²K 20% hr = 0,2 W/m²K 4% U = 0,2 W/m²K 0,9..1,1 W/m²K

16 VIG Vacuum Insulating Glass 2004 (triple) U = 0,7 W/m²K 2014 U = 0,9..1,2 W/m²K

17 VIG Forschung Ziel: Basics U 0,5 W/m²K Ergebnis: VIG ist technisch machbar Markteinführung in Ziel: flexibler Randverbund Zuverlässige Produktion

18 Warum ein flexibler Randverbund? reference:

19 VIG Randverbund starrer Randverbund gelötete Glas-Glas-Verbindung Temperaturdifferenzen erzeugen große mechanische Spannungen Begrenzung der Scheibengröße Flexibler Randverbund geschweißte Glass-Metall-Verbindung verringert mechanische Spannung Ergebnis 2013 Weiterhin viele Probleme HP-VIG High Performance VIG: U = 0,25 W/m²K immer noch der Rand

20 Low tech Lösung Doppelglas Dreifach-Glas Vierfach-Glas... Vorteil Wärmedämmung weiter verbessert Nachteil Gewicht 4mm Dreifachglas 30 kg/m² Klimalasten Temperaturdifferenzen Luftdruckänderung Verformung und Glasbruchrisiko

21 Thermische Widerstand 15 mm SZR mit Argon and low-e-beschichtung 1 R m K g = = 0,75 ² h W r + hg 0,2 + 1,1 entspricht 30 mm Mineralwolle oder einer äquivalenten Wärmeleitfähigkeit von 0,020 W/mK 1 U-Wert 2IG 3IG 4IG 5IG U in W/m²K 1,1 0,6 0,4 0,3

22 Isolierglas Lastverteilung

23 Mechanische Belastung durch Klimalast Glasbruch bei Dreischeiben Isolierglas Glasbruch bei Zweischeiben- Isolierglas

24 Klimalast Temperatur 3 K 1 kpa T ca v + p w a rm SZR = SZR1+SZR2 +SZR3 Luftdruck 10 mbar 1kPa 80 m 1 kpa - p Low pressure c o ld + p High pressure Überlagerung DIN 18008: ± 16 kpa T cav - p US Pat T.D. Stetson 1865!

25 Allgemeine Berechnungsmethode Mehrscheiben-Isolierglas Flächen-, Linien und Punktlast

26 Nachweis DIN und -2 Großer SZR große Klimabelastung

27 Nachweis DIN und -2 dunkler Bereich: nicht nachweisbar 4IG 4/20/4/20/4/20/4 8nl Wind 1,10 kpa Klima: 16,0 kpa 2, ,0 1,5 1,0 0,5 kurze Kante in m Außen + Innenscheibe von Dreifachglas vorspannen 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 lange Kante in m

28 Mechanische Beanspruchung Temperatur bei Sonneneinstrahlung Randbedingung DIN EN Sommer beide Mittelscheiben vorspannen

29 Eigenschaften Überblick Glas 4mm, SZR optimal 2IG 3IG 4IG SZR in mm Dicke in mm Wärmedämmung (U-Wert in W/m²K) 1,1 0,53 0,35 + Tageslicht (Lichttransmission in %) Solarenergie (g-wert in %) Gewicht in kg/m² therm. Beanspruchung ( C) mech. Beanspruchung (1x1m²) durch Klima (Auslastung in %)

30 Mögliche Maßnahmen 4IG Lösungsansatz SZR in mm 20 Krypton Dicke in mm 76 Rahmenkonstruktion Wärmedämmung (U-Wert in W/m²K) 0,35 Ziel 0,30 Tageslicht Fe-armes Glas 65 (Lichttransmission in %) Antireflex-Coating Solarenergie Fe-armes Glas 46 (g-wert in %) Antireflex-Coating Gewicht in kg/m² 40 dünnes Glas therm. Beanspruchung ( C) 51 vorspannen mech. Beanspruchung (1x1m²) Vorspannen 175 durch Klima (Auslastung in %) Druck-"entspannt"

31 Entwicklung MEM4WIN

32 aktuelle Forschung Druckentspanntes Isolierglas Permanent druckentspanntes MIG Dauerhaft geöffnetes MIG um klimatische Einflüsse (Temperatur, Luftdruck) zu reduzieren Druckangepasstes MIG Einmaligem Druckausgleich am Einbauort um Höhenunterschied zwischen Herstell- u. Einbauort auszugleichen Ergebnisse Mai 2015

33 ift Forschung Druckangepasstes Isolierglas sicheres Verschließen nach dem Druckausgleich Gasfüllung Dichtheit nachgewiesen nach EN Ventil (Hülse und Stift) Kapillar-Rohr (Metall / Kunststoff) Reference: HELANTEC

34 ift Forschung Dauerhaft druckentspanntes Isolierglas erfüllt nicht EN (nicht hermetisch dicht) keine Gasfüllung Begrenzung bei soft coatings Risiko der Tauwasserbildung Mehrere Zwischenräume optimierte Wärmedämmung große Zwischenräume Integration von Sonnenschutz

35 Permanent druckentspannt offene Systeme: Dampfdruckausgleich Seifert Schmid ift 1985 Vitrage respirant, M.Cossavella, CSTB, GPD 2009

36 Permanent druckentspannt offene Systeme: Dampfdruckausgleich CSTB 2014 Avis techniques Normal: Es tritt kein Tauwasser auf! Aber manchmal: Es gibt Tauwasser!

37 Permanent Pressure equalized HIT: High Insulation Technology (1993) Entwicklungsziele Tageslicht Wärmedämmung Schallschutz Variabel Sichtschutz Sonnenschutz Blendschutz Geringer Aufwand Wartung Reinigung

38 Permanent druckentspannt HIT: High Insulation Technology (1993) großer SZR Druckausgleich (Membran)Druckausdehnungsgefäß offenes Rohr mit Filter und Trocknung offene Kapillare

39 Permanent druckentspannt ift Neubau Belüftete Kasten-Fenster-Fassade Entwicklungsziele Energie-Effizienz thermische Behaglichkeit angenehme Beleuchtung Raumakustik Sicherheit Funktionalität Produktion und Montage

40 Permanent druckentspannt Closed Cavity Facade CCF kontolliert belüftete geschlossenen Kasten-Fenster-Fassade Außen: Einfach-Weißglas Sonnenschutz und Lichtlenkung im geschlossenen Fassadenzwischenraum Innen: Wärmedämmglas starr (U=0,7 W/m²K) Versorgung des Fassadenzwischenraums mit sauberer und trockener Luft reference: Gartner

41 Fassaden Versuchsanlage an der Hochschule Rosenheim Vergleichende In-Situ-Untersuchung Integrale Betrachtung: Fassade Gebäudetechnik Nutzung Energetisches Verhalten Thermischer Komfort Visueller Komfort Reference: HSRo/Gartner

42 Aktuelle Forschung ift 2015: Permanent druckangepasst Nachteil Risiko von Tauwasser Beschränkung bei soft coatings Entwicklungsziele Begrenzung der Druckdifferenz Erhalten der Lastverteilung Zwischenraum sauber und trocken Erfüllen von EN Mögliche Lösungen Begrenzung des Volumenstromes durch Ventile oder Kapillare ein partielle Druckausgleich genügt

43 ift Partiell druckentspannt Theorie: Simulation des Volumenstroms und der Wasserabsorption Max. Druck mbar g/annum Offener SZR 0 6,9 Geschlossen SZR 10 0 Ventil *) ±3 1,0 Kapillare *) ±3 4,4 *) Ventil öffnet bei ±3 mbar Kapillare angepasst (±3 mbar) Wasser absorbiert

44 ift Partiell druckentspannt Experimentell Untersuchung: EN Temperaturzyklen geschlossen 180mm 90mm offen Deformation in mm Größe: 700 x Kapillare: 0,5 mm

45 ift Partiell druckentspannt Experimentelles Ergebnis: EN Temperaturzyklen Größe: 700 x Kapillare: 0,5 mm

46 ift Partiell druckentspannt Experimentelles Ergebnis: EN Temperaturzyklen Größe: 700 x Kapillare: 0,5 mm

47 ift Partiell druckentspannt Experimentelles Ergebnis: EN Freilandversuch Größe: 700 x Kapillare: 1,5 x ,0 x 240 0,75 x 450

48 ift 2015: Pressure equalized IGU Ergebnisse Partiell druckentspanntes Isolierglas Gute Übereinstimmung zwischen Modell/Berechnung und Experiment Entwicklungsziele Begrenzung der Druckdifferenz Erhalten der Lastverteilung SZR bleibt trocken und sauber EN wird erfüllt Lösungen Anpassung des Volumenstromes bei Kapillarrohr (Durchmesser/Länge) maximale Trocknungsmittelmenge und Ventile könnten noch günstiger sein (verfügbar und zuverlässig) Mehr Erfahrung mit großen Zwischenräumen erforderlich