Vakuumisolierglas Eine Alternative zum Dreifachglas? Stand der Entwicklung und der Verfügbarkeit

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1 Dipl.-Ing. Projektkoordinator ProVIG, Glaser FMB GmbH & Co. KG, Beverungen Stand der Entwicklung und der Verfügbarkeit 1 Einleitung Glas und Fenster gehören zu den wichtigsten Bauteilen in der Architektur, mit denen Energie eingespart und Sonnenenergie genutzt werden kann. Zentraler Bestandteil der Fenster ist das Glas mit einem Anteil von 80 bis 90 %. Benötigt werden schlanke Rahmen mit einem U f -Wert von möglichst < 0,8 W/(m²K) und hochwärmedämmende und multifunktionale schlanke Gläser mit einem U g -Wert von < 0,7 W/(m²K). Die kommende EnEV bedeutet, dass im Neubau die Anforderungen an Fenstersysteme nur noch mit 3-fach- Isoliergläsern realisierbar sind. Durch drei Gläser, zwei Schichten, mindestens 14 mm SZR und Argonfüllung werden U g -Werte von 0,7 W/(m²K) erreicht. Die sehr guten U g -Werte von Dreifach- Isolierglas mit Kryptonfüllung von 0,5 W/(m²K) haben kaum Chancen, da das Edelgas sehr kostenintensiv ist. Standardprodukt für energieeffiziente Verglasungen ist im Moment also das Dreifach- Isolierglas, allerdings mit wesentlichen Nachteilen: eine Gewichtserhöhung um 50 %, die Scheibenpakete werden größer, der U g - Wert ist bei 0,7 W/(m²K) an der wirtschaftlichen und technischen Grenze, es können Probleme bei der Langzeitstabilität auftreten, benötigt werden verstärkte Profile und Beschläge für Fenster und Fassaden, erforderlich sind neue Produktionsanlagen für die Glas- und Fensterindustrie. Beste Voraussetzungen für Vakuumverglasungen. Mit Vakuum-Isolierglas (VIG) sind exzellente Dämmwerte bei schlankem Aufbau und geringem Gewicht möglich. Bei Verwendung hocheffizienter low- -Schichten mit Emissionsgraden < 0,03 und thermisch optimierten Stützen erreicht man U g -Werte < 0,5 W/(m 2 K). Mit einem Systemaufbau von weniger als 10 mm, bei 4 mm Glasdicke, ist Vakuum-Isolierglas deutlich schlanker und leichter als Dreifach-Isolierglas. Ein japanisches Unternehmen bietet Vakuumglas an, allerdings mit U g -Werten von 1,1 bis 1,3 W/(m 2 K). Diese Werte sind für aktuelle und zukünftige Anforderungen, insbesondere im EU- Raum, nicht ausreichend. Im Rahmen eines mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Forschungsprojektes konnte die prinzipielle Machbarkeit eines VIG mit einem U g -Werte von 0,5 W/(m 2 K) gezeigt werden. Neben der Entwicklung eines gasdichten Randverbundes wurden die mechanischen Eigenschaften von VIG mit einem speziellen thermischen Lastwechselverfahren untersucht. Im Anschlussprojekt ProVIG ( erfolgt die Entwicklung und praktische Erprobung von Produktionstechniken für VIG und die Materialund Systemprüfungen zur Sicherstellung der Funktionen und Langzeitstabilität. Einbezogen werden internationale VIG-Entwicklungsaktivitäten (Europa, USA und Australien), damit bis 2011 die industrielle Herstellung von VIG realisiert wird. 2 Prinzip und Entwicklungsstand von VIG Bei konventionellen Wärmeschutzverglasungen mit IR-reflektierenden Beschichtungen (low- - Schichten) verursacht die Wärmeleitung des ift Rosenheim Seite 63 von 194

2 Verglasung U g -Wert [W/(m 2 K)] g-wert In Tabelle 1 sind die Kenndaten von Zwei- und Dreischeiben-Isolierglas mit sehr guten Wärme- Lichttransmission v Energiebilanz [W/(m 2 K)] Süd Nord 2-WSV, Argon 1,1 0,62 0,80-0,39 0,51 3-WSV, Argon 0,7 0,51 0,72-0,52 0,22 Tabelle 1 Überblick thermischer und optischer Kenndaten verschiedener Verglasungen mit sehr guten Wärmedämmwerten bei Verwendung gleicher low- - Schichten Vakuumisolierglas 0,5 0,54 0,73-0,80-0,01 Unter sämtlichen Einflüssen und Belastungen sollen die im Randverbund verwendeten Materialien über die Lebensdauer des Glases vakuumdicht und mechanisch stabil sein. Neben der Vakuumdichtheit ist eine gewisse Elastizität nötig. Diese gleicht auftretende Spannungen aus und vermeidet so Rissbildungen durch Überbeanspruchungen an den Glaskanten. Bild 1 VIG mit Metallummantelung als gasdichter Randverbund Füllgases im Scheibenzwischenraum einen Großteil des Wärmedurchganges. Dies kann durch Evakuieren des Scheibenzwischenraumes deutlich reduziert werden. Die Dämmwirkung des evakuierten Zwischenraumes ist kaum noch vom Scheibenabstand abhängig, so dass dieser auf Werte < 1 mm reduziert werden kann. Dies ermöglicht sehr schlanke VIG- Aufbauten. Um den auf den Scheiben lastenden Atmosphärendruck von 10 Tonnen pro m 2 aufzunehmen, müssen im Scheibenzwischenraum in regelmäßigen Abständen kleine Stützen angebracht werden. Die Stützen mit einem Durchmesser von lediglich 0,5 mm behindern die Durchsicht nicht und können nur aus nächster Nähe wahrgenommen werden. Um den benötigten Unterdruck von 10-4 hpa aufrechtzuerhalten muss der Randverbund gasdicht sein (Bild 1). Als aussichtsreichstes Randverbundkonzept gilt die Metallummantelung. Zuerst werden die Metallbänder mit dem Glas ultraschallverschweißt oder gelötet. Die dabei entstehende chemische Verbindung zwischen Metall und Glas ist dauerhaft vakuumdicht. Unter Vakuum werden in einem zweiten Schritt die überstehenden Metallbänder laserverschweißt. Die Einheit ist somit evakuiert und verschlossen. Abschließend wird der Metallfolienverbund umgefalzt. Um das benötigte Vakuum sicherzustellen und zu halten, müssen die Gläser vor dem Übereinanderlegen und Verschließen vollständig von Feuchtigkeit befreit werden. Hiezu wird ein Plasmaverfahren genutzt. Sowohl Wärmeschutz- als auch Sonnenschutzverglasungen können als Vakuumisolierglas hergestellt werden. Während bei thermisch sehr guten Dreifach-Verglasungen zwei low- -Schichten eingesetzt werden, kommt VIG mit nur einer low- - Schicht aus. Infolge dessen erreicht VIG im Wärmeschutzaufbau höhere Werte für Gesamtenergiedurchlass (g-wert) und Lichttransmission ( v ) bei gleichem oder sogar besserem Wärmedämmwert. Dies schlägt sich in einem deutlich besseren äquivalenten Wärmedurchgangskoeffizienten U eq nieder, der neben den Wärmeverlusten auch die solaren Wärmegewinne berücksichtigt und somit von der Fassadenorientierung abhängt. Seite 64 von 194 ift Rosenheim

3 Bild 2 VIG-Herstellungsprozess dämmwerten sowie von VIG im Wärmeschutzaufbau dargestellt. Aufgrund des guten Dämmwertes mit nur einer low- -Schicht weist VIG als einziges der Systeme selbst auf der Nordseite Nettowärmegewinne auf. Nach Bewertung der Ergebnisse mit den Versuchsanlagen wird eine VIG-Produktionsanlage konzipiert und gebaut. Ab Mitte 2011 sollen VIG bis max x 1500 mm in unterschiedlichen Systemaufbauten hergestellt, getestet und für Anwendungen bereitgestellt werden. 3 Produktionstechnologien Im Rahmen von ProVIG erfolgt die Entwicklung neuer Produktions- und Verfahrenstechniken, die auf die einzusetzenden Vorprodukte und eine industrielle Serienfertigung abgestimmt sind. Gleichzeitig werden Material- und Systemtests durchgeführt, damit ein Versagen einzelner Komponenten und Verbunde über die Lebensdauer ausgeschlossen ist und eine Langzeitstabilität der VIG von > 25 Jahre sichergestellt wird. Der geplante VIG- Herstellprozess (Bild 2) ist in drei Bereiche gegliedert: 1. Vorfertigung 2. Entfeuchten/Fügen 3. Endbearbeitung und Qualitätsprüfung Die Prozesse und Verfahren werden in der ersten Phase mit Versuchsanlagen und Vorrichtungen für Testscheiben (ca x 1000 mm) entwickelt, getestet und optimiert. Begleitend erfolgen Material-, Komponenten- und Systemtests. In einer Vakuumanlage werden die Prozesse Plasma- Reinigen, Fügen und Verschweißen getestet und optimiert (Bild 3). 4 Glas- und Rahmen Um für das schlanke Vakuumisolierglas eine thermisch optimierte und gleichzeitig architektonisch ansprechende Lösung bereitstellen zu können, wird in einem ebenfalls vom Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie geförderten Projekt ( an der Entwicklung einer hochwärmedämmenden Rahmenkonstruktion ge- Bild 3 Versuchsanlage zur Herstellung von Vakuumisolierglas ift Rosenheim Seite 65 von 194

4 5 Zusammenfassung und Ausblick Bild 4 Wärmestromberechnungdes TopTherm 90 mit VIG arbeitet. Mittels neuartiger Fertigungsmethoden konnte ein Rahmenprofil mit einem U f -Wert von 0,7 W/(m 2 K) bei einer Rahmentiefe von nur 90 mm konzipiert, hergestellt und getestet werden (Top Therm 90). Mit einer Vakuumisolierverglasung der Standardgröße 1,23 m x 1,48 m mit U g = 0,5 W/m 2 K erreicht diese neue Konstruktion einen U W -Wert von nur 0,7 W/m 2 K (Bild 4). Vakuumisolierglas bietet eine interessante Alternative zu den heute handelsüblichen schweren und dicken Dreifachverglasungen. Vor allem dort, wo es um die Nutzung solarer Wärmegewinne geht, besitzt VIG deutliche Vorteile in der Energiebilanz. Die Machbarkeit von Vakuumisolierglas mit U g 0,5 W/(m 2 K) ist sichergestellt. Beste Energieeffizienz bei niedrigem Gewicht ermöglichen schlanke Konstruktionen mit großer Gestaltungsfreiheit und einfache Verarbeitung. Produktionstechniken für VIG werden entwickelt und sollen bis 2011 zur Verfügung stehen. Material- und Systemtests bestätigen bis Ende 2010 die Funktions- und Langzeitstabilität und Referenzanwendungen sind bewertet. Parallel erfolgen die Entwicklungen und Tests hochwärmedämmender und schlanker Rahmensysteme unter Einbeziehung der Vorteile von VIG. Thermische Kennwerte TopTherm 90 : U f < 0,7 W/(m 2 K) bei 90mm Bautiefe U W = 0,8 W/(m 2 K) mit Dreifachisolierglas U W = 0,7 W/(m 2 K) mit Vakuumisolierglas Seite 66 von 194 ift Rosenheim

5 Dipl.-Ing. Geboren am 24. August 1949 in Goldschau Maschinenbaustudium an der TU Paderborn Fa. Interpane, Lauenförde: Technischer Leiter HEGLA- Gruppe: Geschäftsführer LEWAG Holding AG, Beverungen: Alleinvorstand seit 2003 Selbstständige Management- und Unternehmensberatung Ehrenamtliche Tätigkeiten: seit 1994 Vorstand Forum Glastechnik im VDMA Mitglieder: 65 Firmen seit 1999 Beiratsmitglied der Fachmesse glasstec, Messe Düsseldorf seit 2005 Kurator: Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik (IWM), Freiburg Derzeitige Tätigkeitsschwerpunkte: Technologie-, Innovations-, Produkt-, Markt- und Strategieberatung in der Glasmaschinen- Glas- und Fensterindustrie. Planung, Leitung und Koordination von Innovations- und Forschungsprojekten (z. B. VIG HWFF ift Rosenheim Seite 67 von 194