Sonnenschutz im Isolierglas

Transkript

1 Seite 2 von 12 Dipl.-Ing. (FH) Michel Freinberger Bauphysik/Sonnenschutz Dr. Philipp Plathner Leiter Normung, Bauphysik/Lichttechnik 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 Sonnenschutzund 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 3 von 12 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 4 von 12 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 5 von 12 Bild 3 Unterschiedliche Sonnenschutzsysteme auf der ift Sonderschau Licht und Schatten (fensterbau/frontale 2004) 2 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

5 Seite 6 von 12 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 4 Übersicht wichtiger Anforderungen an Sonnenschutzelemente im SZR 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 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

6 Seite 7 von 12 Oberflächentemperaturen unter Berücksichtigung der äußeren und inneren Wärmeübergangswiderstände, der Einstrahlungsleistung und des Einstrahlungswinkels bestimmt werden. Die Kennwerte können so auch für spezielle jahreszeitliche und tagesabhängige Situationen exakt bestimmt werden. Bild 5 Kalorimetrische Messungen im ift Rosenheim 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 4 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 Anhang C). Die UV-Belastung hat über den langen Nutzungszeitraum auch einen großen

7 Seite 8 von 12 Einfluss der Einbauteile und muss deshalb für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit im Rahmen einer Dauerfunktionsprüfung berücksichtigt werden. 5 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 13569, DIN EN und DIN EN 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.

8 Seite 9 von 12 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 6 Dimensionierung der Scheibendicke Grundlage der Glasdickenberechnung sind die Technischen Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen - TRLV (DIBt 9/1998). Bei MIG sind zusätzlich die Klimalasten für den Spannungsnachweis zu berücksichtigen, die durch die Ausdehnung des eingeschlossenen Gases aufgrund von Temperatur- und Luftdruckänderungen entstehen. Beide Größen führen zu einer Druckdifferenz zwischen der Außenatmosphäre und dem eingeschlossenen Gasvolumen und in Folge zu einer flächigen Belastung der Glasscheiben. Zur Berechnung muss die sommerliche und die winterlichen Einwirkungen herangezogen werden. Je nach Klimabedingungen am Einbauort kann sowohl ein Unter- als auch ein Überdruck im SZR entstehen, der

9 Seite 10 von 12 dann zu Ein- oder Ausbauchungen der Scheiben führt. Bei Systemen mit integrierten Einbauten sind diese Lasten aufgrund des vergrößerten SZR höher und in der Berechnung entsprechend zu berücksichtigen. Bild 6 Vorzeichen bei Einwirkung und Verformung von Vertikalverglasungen (Auszug aus der TRLV, Bild B2) Winterlicher Lastfall Die kalten Temperaturen im winterlichen Lastfall können bei ungünstigen klimatischen Bedingungen zu einbauchenden Scheiben führen. In der Folge kann dies zu einer mechanischen Funktionsbeeinträchtigung der eingebauten Sonnenschutzelemente führen. Die Scheibendicken sollten zusätzlich zu den statischen Erfordernissen für den Winterfall so bemessen werden, dass die rechnerische Durchbiegung eine Berührung der Lamellen bzw. Leiterkordeln mit der Glasoberfläche verhindert. Liegen keine genauen Daten für Einbauund Produktionsort vor, werden in der TRLV allgemeine Randbedingungen vorgegeben, die eine Bemessung für den ungünstigsten Fall ermöglichen. Bei unbeheizten Gebäuden ist gemäß der TRLV mit einer zusätzlichen Temperaturdifferenz zu rechnen. Es empfiehlt sich deshalb für die Bauphase im Winter eine Bewegung der integrierten Einbauten auszuschließen. Sommerlicher Lastfall Aufgrund der absorbierten Solarstrahlung an den integrierten Einbauten kommt es zu einer höheren Temperaturbelastung im Scheibenzwischenraum. Die Höhe der Temperaturen ist je nach Absorptionsgrad des Systemaufbaus und der Einbausituation unterschiedlich. Zur Berechnung des sommerlichen Lastfalls ist es notwendig die erhöhte Temperaturbelastung durch zusätzliche Werte für T bzw. p0 zu berücksichtigen. Die Tabelle B1 der TRLV definiert hierfür folgende Randbedingungen:

10 Seite 11 von 12 Lufttemperatur innen und außen 28 C mittlerer Luftdruck 1010 hpa H zwischen Herstellung und Gebrauch +600 m oder genaue Angaben Berücksichtigung der Temperaturdifferenz T zwischen Herstellung und Gebrauch Berücksichtigung besonderer Temperaturbedingungen Da für die Bemessung der Scheibendicken der ungünstigste Fall aus einer Vielzahl unterschiedlicher Fälle ermittelt werden muss, ist die Verwendung von Computerprogramme zu empfehlen. Einwirkungskombination Ursache für erhöhte Temperaturdifferenz T in K p 0 in kn/m² Sommer Absorption zwischen 30% und 50% innenliegender Sonnenschutz (ventiliert) Absorption größer 50 % innenliegender Sonnenschutz (nicht ventiliert) dahinterliegende Wärmedämmung (Paneel) Winter unbeheiztes Gebäude Tabelle 3 Werte für T und p0 zur Berücksichtigung besonderer Temperaturbedingungen am Einbauort (Auszug aus der TRLV, Tabelle B1) Systeme, für die der Gesamtabsorptionsgrad nicht bekannt ist, sollten gemäß der Tabelle B1 für die Berechnung mit einem zusätzlichen T von +35 C beaufschlagt werden. Für integrierte Einbauten werden keine speziellen Werte vorgegeben. Je nach Verwendung und Art des Einbaus ist zu entscheiden in welcher Größenordnung ein T zu berücksichtigen ist (Einflussfaktoren s. Absatz Bestimmung von Oberflächentemperaturen und g-wert ). Erfolgt ein Nachweis über kalorimetrische Messungen, kann mit den tatsächlichen Temperaturen gerechnet werden. Für Systeme mit Lamellen ist der Absorptionsgrad abhängig vom Einstrahlungswinkel und der Einstellung der Lamellen. Im ift-rosenheim wurden für typische Randbedingungen folgende Absorptionsgrade des Gesamtsystems festgestellt. Folgende Temperatur- und Luftdruckänderungen können im SZR erwartet werden.

11 Seite 12 von 12 Lamellenfarbe Absorptionsgrad T in K p 0 in kn/m² Weiß ca. 50% ca. 21 C ca. +7 Silber ca % ca. 26 C ca. +8,5 Randbedingungen 30 Einstrahlung, Lamellenstellung 45, Zweischeiben-Isolierglas mit Wärmeschutzbeschichtung auf Position 3 Tabelle 4: Erhöhung von T und p 0 von Lamellen im SZR mit typischen Absorptionsgraden 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. 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. Dr. Philipp Plathner leitet den Bereich Normung und betreut zusätzlich alle lichttechnischen Arbeiten am ift Rosenheim. Nach abgeschlossenem Physikstudium arbeitete Dr. Plathner als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Building Research Establishment (BRE), England und an der University of Westminster, London wo er zum Thema Airborne movement of moisture in dwellings auch promovierte.