Glas-Hybrid-Elemente - zukunftsfähige Bauelemente für transluzente Fassaden

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1 zukunftsfähige Bauelemente für transluzente Fassaden / 26

2 Glas-Hybrid-Elemente mit transluzenten Zwischenschichten zur Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäudehüllen Kurztitel: Transluzente Aktenzeichen: SF / II 3 F Zuwendungsgeber: Auftragnehmer: Projektleitung: weitere Bearbeiter: Bundesinstitut für Bau-, Stadt-, und Regionalplanung (BBSR) im Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR) Bauhaus-Universität Weimar F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde Professur Polymere Werkstoffe (zuvor JP Polymere Bindemittel und Baustoffe) Prof. Dr.-Ing. Andrea Dimmig-Osburg Institut für Konstruktiven Ingenieurbau Professur Stahlbau Professor Dr.-Ing. habil. Frank Werner Prof. Dr.-Ing. Andrea Dimmig-Osburg Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Werner Prof. Dr.-Ing Jörg Hildebrand Dipl.-Ing. Alexander Gypser Dipl.-Ing. Björn Wittor Dipl.-Ing. Martina Wolf / 26

3 Stand der Technik (Auswahl) Lichtstreuendes Isolierglas Vakuumisolationsglas (VIG) Vakuumisolationspaneel (VIP) transluzente Kapillarmatte U g -Wert: bis 0,8 W/(m² K) gasdichter Randverbund Strukturstützung erforderlich U g -Wert: 0,5 W/(m² K) Dauerhaftigkeit nicht transluzent U-Wert: 0,25 W/(m² K) Quelle: Fa. OKALUX, bine informationsdienst, Final Report IEA/ECBCS Annex 39 Subtask A / 26

4 EnEV / 26

5 Witterungsschutz - Wärmedämmung - Gebäudebeleuchtung Eigenschaften: tragfähige Wandelemente hohe Transluzenz witterungsbeständig, alterungsbeständig U-Wert-Reduktion im Vergleich zu zukunftsfähigen Fensterverglasungen Steigerung des Raumkomforts durch: gleichmäßigere Beleuchtungsstärkenverteilung gleichmäßigere Leuchtdichteverteilung guter Sonnen- und Blendschutz Forschungsprojekt: Glas-Hybrid-Elemente mit transluzenten Zwischenschichten zur Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäudehüllen (07/ /2011) Förderung durch Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstitutes für Bau-, Stadt- und Raumforschung / 26

6 dünne Schaumschicht zwischen Füllkörpern und Deckglas Variabler Aufbau evakuierte Füllkörper Glas Kunststoffschaum Füllkörper Kunststoffschaum Glas / 26

7 Technologische Grundlagen und Konzeption Vakuum im Zwischenraum Vorteile: maximale Transparenz geringe Konstruktionsdicke Schwierigkeiten: dauerhafter Randverbund notwendig Gasdiffusionsdichtheit der Klebstoffe Schweißen/Löten der Glasscheiben erhöhte Beanspruchung der Deckschichten Aussteifungen erforderlich Funktionsverlust bei punktueller Schädigung / 26

8 Technologische Grundlagen und Konzeption Schaum im Zwischenraum Vorteile: robust kein Funktionsverlust bei punktueller Schädigung Glas Schaum Glas Schwierigkeiten: geringe Transluzenz mit aktuellen Materialien UV-Beständigkeit / 26

9 Technologische Grundlagen und Konzeption Füllkörper im Zwischenraum Vorteile: robust kein Funktionsverlust bei punktueller Schädigung gute Transluzenz erreichbar Schwierigkeiten: Wärmeübertragung an Kontaktstellen erhöhter Herstellaufwand UV-Beständigkeit der Klebung / 26

10 dünne Schaumschicht zwischen Füllkörpern und Deckglas Variabler Aufbau evakuierte Füllkörper Deckschichten: Glas, Dicke: 4,0 mm Schaumstoff: Füllkörper: Dicke: 0,2 4 mm Glas, Kunststoff (PMMA) Durchmesser: 40 (45) mm Wandstärke: 1,5 und 0,9 mm (Glas) 3 mm (PMMA) Füllkörperinhalt: Luft (Außenluftdruck) Zwischenräume: Luft Verbindung: Aerogel Luft (reduzierter Luftdruck) Aerogel (Zwickel) Klebstoff (2K EP-Harz) / 26

11 Füllkörper-Varianten Unterschiedliche Anordnung von Füllkörpern Hohlkörper in Form von Kugeln und Rohren günstiger Eigenspannungszustand Kriterien: Anzahl, Realisierungsaufwand, Verfügbarkeit, Kosten / 26

12 Versuchselement Varianten: - Füllung der Röhren - Röhrendurchmesser Füllung der Röhrenzwischenräume möglich Einfluss auf Materialverhalten des Sandwichelementes Bestimmung mechanischer Eigenschaften Bestimmung Wärmeleitfähigkeit Vergleich mit numerischer Modellierung / 26

13 Bauhaus-Universität Weimar Glas-Hybrid-Elemente Bestimmung mechanischer Parameter - Biegezugfestigkeit Probekörper: Deckschichten: Röhren: Schaumlage: Geometrie: Konfiguration: Floatglas 4,0 mm Glas, d=1,6 mm, D=40,0 mm PMMI-Schaum 3,0 mm 800 x 200 mm Grundfläche 54,0 mm Gesamtdicke 3-Punkt Biegezugversuch Raumtemperatur F 600 mm / 26

14 Ergebnisse der Messungen an Versuchselementen GKS Röhren längs GKS Röhren quer / 26

15 Ergebnisse der Messungen an Versuchselementen ,3 N GKS Röhren quer GKS Röhren längs Glasscheibe 4mm 4000 Kraft F [N] ,7 N ,0 N Durchbiegung [mm] / 26

16 Wärmestrommessplatten-Gerät Aufbau/Funktionsweise schematisch: Temperierung von Probenober- und Unterseite Erzeugung eines konst. Wärmestromes durch T Erfassung des Wärmestromes mittels Wärmestrommessplatten Dämmung Heizplatte konst. Wärmestrom Probekörper Wärmestrommessplatte Wärmestrommessplatte Kühlplatte / 26

17 Wärmestrommessplatten-Gerät Kryostat Thermostat PC Wärmestrommessplatten-Gerät Datalogger / 26

18 Festlegung der Parameter Deckschichten: Glas, Dicke: 4,0 mm Wärmeleitfähigkeit: 2,0 W/(m K) (Floatglas) Schaumstoff: Dicke: 0,2 4 mm Wärmeleitfähigkeit: 0,0339 W/(m K) Füllkörper: Glas, (Kunststoff) Durchmesser: 40, 80, 100 mm Wandstärke: (0,5 4,0 mm) Wärmeleitfähigkeit: 2,0 W/(m K) Füllkörperinhalt: Gasdruck: 0,001 1 bar (entspricht l = 0,0003 0,0261 W/m. K) Zwischenräume: Wärmeleitfähigkeit (0,0014 0,0261 W/m. K) / 26

19 Messungergebnisse Aufbau-Nummer Material Röhren Röhreninhalt Durchmesser Wandstärke Bemerkung Dicke Versuchselement Zwickelinhalt Lambda U-Wert [mm] [mm] [mm] [W/(m K)] [W/(m² K)] 1 Glas 40 1,5 54,5 2 PMMA 40 3,0 54,5 3 Glas 40 1,5 54,5 4 Glas 45 0,9 60,0 Röhrenenden offen Röhrenenden offen Röhrenenden geschlossen Röhrenenden geschlossen Luft Luft 0,143 1,82 Aerogel Luft 0,122 1,62 Luft Aerogel 0,102 1,42 Aerogel Aerogel 0,084 1,23 Luft Luft 0,126 1,66 Aerogel Luft 0,106 1,46 Luft Aerogel 0,071 1,07 Aerogel Aerogel 0,059 0,92 Luft Luft 0,141 1,80 Aerogel Luft 0,120 1,61 Luft Vakuum 0,144 1,82 umgerechnet Aerogel Vakuumauf Element 0,120 1,60 von Luft Luft 0,170 1, mm Dicke: U = 0,53 W/(m² K) Aerogel Luft 0,135 1, mm Dicke: U = 0,36 W/(m² K) Luft Vakuum 0,167 1,89 Aerogel Vakuum 0,132 1, / 26

20 Randverbund Herstellung von Materialmuster mit unterschiedlichen Abmessungen / 26

21 Randverbund Überprüfung der Gasdichtheit der Lötverbindung über eingebrachte Bohrung Anlegen eines Unterdruckes Leckratenprüfung Ergebnis: Leckrate mbar l/s << 10-6 mbar l/s sehr dichte Anlagen Lötverbindung Schaumglas mit Kalk-Natron-Glas ist gasdicht / 26

22 Messergebnisse Elemente mit Schaumglas-Randverbund Ermittlung des Einflusses von Beschichtungen der Deckglasscheiben (Beschichtungen zur Reduzierung der Emissivität der Oberfläche) Aufbau-Nummer Schaumglasrahmen Höhe Breite allseitig Dicke Versuchselement Bemerkung Lambda U-Wert [mm] [mm] [mm] [W/(m K)] [W/(m² K)] ,0 Deckschichten unbeschichtet 0,137 2, ,0 umgerechnet auf Element von 100 mm Dicke: U = 0,44 W/(m² K) 150 mm Dicke: U = 0,30 W/(m² K) Low-e-Beschichtung an Pos.2 (obere Scheibe, Innenseite) 0,065 1, , ,0 Low-e-Beschichtung an Pos. 3 (untere Scheibe, Innenseite) 0,066 1,34 Low-e-Beschichtung an Pos.2 und 3 (beide Scheiben, Innenseite) 0,048 1, / 26

23 Weiterführender Ansatz zur Gebäudeintegration Schichten in und am Modul (von links nach rechts): externe Verschattung Beschichtung Deckmaterial außen Folierung interne Verschattung Modulrahmen Medium und Systemtechnik Lichtlenkung Deckmaterial innen reversible Montageelemente bestehendes Tragsystem Quelle: Timo Riechert / 26

24 Weiterführender Ansatz zur Gebäudeintegration Quelle: Timo Riechert / 26

25 Variante GKS mit Füllkörpern: Verbesserung der Kennwerte durch Verminderung des Wärmetransports durch Strahlung Variante GKS mit Schaumglas-Randverbund: großes Potenzial durch Evakuierbakeit, Reduzierung der Wärmestrahlung notwendig bei allen Varianten: Berücksichtigung der Wärmestrahlung Integration von anderen Werkstoffen / Medien / 26

26 zukunftsfähige Bauelemente für transluzente Fassaden / 26