Glastechnik für eine transparente Architektur

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1 Glastechnik für eine transparente Architektur Rohfassung ohne Abbildungen und Tabellen - Veröffentlicht: GFF (06/2008), o. Jg., S Glas im Spannungsfeld moderner Sonnenschutzanforderungen und optimierter Solarenergienutzung Text und Abbildungen: Dipl.-Ing. (FH) - Dipl.-REFA-Ing. Jens Baumgartner (VDI) Der dank seiner kompletten Verglasung viel bestaunte Crystal Palace von Sir Joseph Paxton zur 1. Weltausstellung 1851 in London ist keineswegs so transparent, wie er auf vielen zeitgenössischen Bildern erscheint. Um zumindest zeitweise ein Überhitzen zu verhindern, muss vor den Fenstern ein ausgeklügeltes Sonnenschutzsystem aus außen angebrachten Leinwänden mit einem Bewässerungssystem zur Befeuchtung installiert werden. Heute können eine Vielzahl von Maßnahmen Gebäude mit hohem Glasanteil vor Überhitzung schützten. Zu den Möglichkeiten und Grenzen der Glastechnik nachfolgend einige Betrachtungen. Licht - Medium des solaren Energieaustauschs Um 1920 beginnt mit dem 'Neuen Bauen' ein Paradigmenwechsel, der vom 'Fenster in der Wand' zur lichtdurchlässigen 'Glasmembran', zur Wand aus Glas, führt. Mit diesem epochalen Schritt verliert die alte Trennung zwischen Innen und Außen an Bedeutung, der fließende Übergang mit Glas setzt neue bauliche Akzente. Schon am Anfang dieser Entwicklung macht sich das aus dem Gewächshausbau bekannte Phänomen der Überhitzung bei Gebäuden mit hohem Glasanteil deutlich bemerkbar, denn das in großen Mengen frei in die Räume einfallende Licht ist Träger der solaren Energie. Eine früh erdachte prinzipielle Lösung des Problems stellt die Funktionentrennung der von Fenstern übernommenen Aufgaben dar. Sie haben, unabhängig davon, ob sie in Steinoder Glaswänden eingebaut sind, die grundlegenden Funktionen der Lüftung, Beleuchtung und Aussicht. Hypothetisch möglich wird eine Trennung der Funktionen durch die immer größere Leistungsfähigkeit der Klimatechnik [1]. Die Vordenker des modernen Bauens entscheiden sich jedoch gegen eine Separation und versuchen durch vielerlei bauliche Maßnahmen, wie der 'brise-soleil' von Le Corbusier, die Sonnenwärme aus den Räumen herauszuhalten - mit mäßigem Erfolg.

2 Nach dem 2. Weltkrieg kommt es aus Sonnenschutz- und konstruktiven Gründen zur Funktionentrennung. Es entstehen voll klimatisierte Gebäude mit Sonnenschutzgläsern, die dunkel eingefärbt und/ oder mit dicken reflektierenden metallischen Schichten versehenen sind. Sie erlauben weder eine natürliche Belüftung noch Aus- oder Einblicke. Ab den 1990er Jahren stellen die Glastechnologen neue Verfahren für die Herstellung von Sonnenschutzgläsern zur Verfügung, die viel Tageslicht und trotzdem wenig Solarstrahlung in einen Raum lassen. Solares Strahlungsangebot [2; 3; 4] Die Sonne ist eine unerschöpfliche Energiequelle, die ständig eine Leistung von ca. 3,7x10 26 Watt in den Weltraum strahlt. Die auf eine Fläche von einem Quadratmeter bezogene Solarstrahlungsintensität in der Stratosphäre drückt die Solarkonstante aus, die einen mittleren Wert von ca W/m² hat. Erfasst wird durch die Solarkonstante das kurzwellige Spektrum von 200 nm bis 2500 nm, in das der 'Visuelle Spektralbereich' (VIS) - das sichtbare Licht von 380 nm bis 780 nm - eingeschlossen ist. Davor (ca nm) befindet sich die 'Ultraviolette Strahlung' (UV), dahinter die 'Nahe Infrarotstrahlung' (NIR) mit Wellenlängen von nm. Beim Durchqueren der Erdatmosphäre wird ein Teil der solaren Strahlung durch den Wasserdampf- und Kohlendioxidgehalt der Luft gestreut, wodurch die diffuse Strahlung (D) entsteht. Weitere Anteile werden durch Wolken reflektiert oder durch die Atmosphäre absorbiert. Der Teil der direkt auf die Erde treffenden Strahlung stellt die direkte Strahlung (I) dar. Diffuse (D) und direkte (I) Anteile ergeben die Globalstrahlung (G), die in nördlichen Breiten eine Strahlungsleistung von ca. 800 W/m² an einem klaren Sommertag und nur noch ca. 50 W/m² an einem trüben Wintertag erreicht. Die direkte Strahlung trifft auf die Erdoberfläche und teilt sich in absorbierte (A) und reflektierte (R) Energieanteile auf. Der reflektierte Anteil stellt das langwellige Strahlungs- Spektrum im fernen Infrarotbereich dar. Diese Wärmestrahlung trifft auch auf Bauwerke und darf deshalb bei Hochhäusern generell und bei Gebäuden am Wasser oder in der Umgebung von viel Sand und Gestein nicht übersehen werden. Damit addiert sich die z.b. auf ein Fenster auftreffende Gesamtstrahlung (G Ges ) aus I + D + R. In nördlichen Regionen überwiegt die diffuse Strahlung mit Anteilen im Sommer von ca. 50 und im Winter bis zu 100 Prozent. Die direkte Strahlung beträgt im Mittel etwa 30 und der Anteil, den R liefert, liegt bei ca. 20 Prozent.

3 Der 'Glashauseffekt' Die spektrale Verteilung hängt vom Weg der Strahlen durch die Atmosphäre und den meteorologischen Bedingungen vor Ort ab. Um einheitliche Kenndaten für Verglasungen zu erhalten, wird G auf ein Referenzspektrum bezogen, das dem Durchgang durch das 1,5- fache der Atmosphäre entspricht (AM 1,5). Die spektrale Augenempfindlichkeit ist für verschiedene Beleuchtungssituationen ebenfalls sehr unterschiedlich, so dass sie in Form einer sehr schmalen und sehr hohen Glockenkurve normiert wird. Sie berücksichtigt, dass das Auge bei ca. 550 nm am empfindlichsten ist, während es blaues und rotes Licht im unteren bzw. höheren Wellenspektrum nicht so intensiv wahrnimmt [4]. Energie wird von jedem Körper - abhängig von seinem Emissionsgrad ɛ - emittiert, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt. Die Sonneneinstrahlung erreicht ihre höchste Energiedichte bei etwa 550 nm, das entspricht der Wärmestrahlung eines Körpers (hier: Sonne) mit einer Temperatur von rund 5900 K. Durch ein 'Wunder der Chemie' (Wigginton) ist die spektrale Durchlässigkeit von Glas der Sonnenstrahlungskurve sehr ähnlich [5]. Somit treffen bei einer Wellenlänge von ca. 550 nm drei Eigenschaften zusammen: Die maximale Energiedichte der direkten Strahlung, die höchste Durchlässigkeit des Glases für diese Wellenlänge und die höchste Empfindlichkeit des Auges. Trifft die Strahlung des VIS- Bereichs auf eine normale 3 mm dicke Flachglasscheibe, wird ein Teil der Strahlung vom Glas reflektiert (ca. 8%), ein Teil absorbiert (ca. 4%) und der größte Anteil transmittiert (ca. 88%). Daher gelangen allein durch die Bandbreite des sichtbaren, erwünschten Tageslichtes (VIS- Bereich) ca. 50% der Energie durch Fenster in die Räume. Auf den NIR- Bereich entfallen 44% und die restlichen 6% auf die UV- Strahlung. Der 'Glashauseffekt' entsteht, wenn der transmittierte Anteil aus dem kurzwelligen Spektrum in einem verglasten Raum auf Gegenstände (Masse) trifft, diese erwärmt und dann als langwellige Wärmestrahlung emittiert wird, die nicht durch das Glas nach außen treten kann. Für Zweifach- Isolierverglasungen unterteilt die DIN EN 410 [6] die Strahlungsleistung (ɸ e ) ( nm) in den direkten Strahlungsreflexionsgrad (ϱ e ), der aus der Absorption entstehenden sekundären Wärmestrahlung (q), die nach außen und innen (q e bzw. q i ) abgegeben wird, und den direkten Strahlungstransmissionsgrad (τ e ). Eine Bewertung der solaren Gewinne durch ein Fenster ermöglicht der Gesamtenergiedurchlassgrad (g), der

4 sich zusammensetzt aus g = τ e + q i. Mit dem Lichttransmissionsgrad (τ V ) ( nm) lässt sich als Maß der Wirksamkeit einer Sonnenschutzverglasung die Selektivität (s) ermitteln, die sich aus der Division des Lichttransmissionsgrads (τ v ) durch den Strahlungstransmissionsgrad (τ e ) ergibt (s = τ v / τ e ) [7]. Glastechnische Reduzierung des Energieaustauschs Als Fazit ergibt sich für Deutschland und weite Teile Europas, dass der Sonnenschutz Vorrang vor der passiven Energiegewinnung durch solare Einstrahlung hat. Für die notwendige Begrenzung der Aufheizung von Räumen durch das Glas bieten sich die physikalischen Glaseigenschaften der Absorption und Reflexion an. Die Absorption, die von der Farbe eines Körpers abhängt, ist im kurzwelligen Bereich (ca. 200 bis 2500 nm), in dem sich auch das sichtbare Licht (380 nm bis 780 nm) befindet, entscheidend. Jeder reale Körper absorbiert nicht nur, sondern reflektiert immer auch einen Teil der auftreffenden Sonnenstrahlung. Der ALBEDO- Wert gibt den Solarstrahlungsanteil wieder, den ein Körper oder die natürliche Umgebung abstrahlt (Tab. 2) [2]. So hat ein silberner Anstrich einen Strahlungs- Reflexionsgrad von 75% und einen Absorptionsgrad von 25%, Felsgestein von etwa 16 zu 84 Prozent. Die Absorption verringert im kurzwelligen Spektrum den solaren Wärmestrom durch das Wirkprinzip des 'Schluckens' der Sonnenstrahlung, ihre Umwandlung in Wärmeenergie und die Abgabe der Wärme an die Umgebung. Bei Glasfassaden kommt durchgefärbtes Glas in den Farben Grün, Grau, Bronze oder Blau zum Einsatz. Die Anmutung der Fassaden wird aufgrund ihrer geringen Reflexion matt und sie vermitteln einen massiven Eindruck, wie von Glasgebäuden aus den 1970er und 1980er Jahren bekannt (Abb. 1). Zudem haben nur grün gefärbte Gläser die Eigenschaft, die Strahlung aus dem NIR auszuschalten. Alle anderen Farben reduzieren die Energieeinstrahlung im sichtbaren Tageslichtbereich. Da sich die Scheiben aufheizen, müssen sie vorgespannt werden und bei Isolierverglasungen auf der Außenseite liegen. Die Selektivität s dieser Sonnenschutz- Verglasungen ist mit maximal 1,2 sehr gering. Im langwelligen Bereich (ab ca nm) wird die Reflexion zum entscheidenden Wirkprinzip. Da 50% der gesamten Solarenergie im sichtbaren Spektralbereich enthalten sind, ist es unmöglich, die Wärmestrahlen um mehr als 50% zu senken, ohne gleichzeitig die Lichtstrahlentransmission erheblich zu reduzieren. Soll bei großen Glasflächen ein

5 höherer Wärmeschutz erreicht werden, muss auch die Sonneneinstrahlung im sichtbaren Spektralbereich reflektiert werden. Im Extremfall würde eine dicke Silber- Beschichtung 100% der eingestrahlten Sonnenenergie reflektieren, g wäre 0% und auch die Lichttransmission würde auf 0% fallen. Praktisch werden dünne, hoch reflektierende metallische Schichten aus Edelstahl, Chrom oder Titan auf der Außenseite oder der Innenseite der äußeren Scheibe aufgebracht. Für die solare Transmission g sind Werte unter 0,20 möglich und die Lichttransmission kann unter 30 Prozent sinken. Gebäude mit derartigen Verglasungen sind in den 1970er und 1980er Jahren weltweit entstanden und müssen wegen der geringen τ V - Werte selbst bei wolkenlosem Himmel tagsüber beleuchtet werden. Die häufig verwendeten farbig reflektierenden Schichten vermitteln zudem einen kompakten Fassadeneindruck. Die Selektivität s dieser Spiegelfassaden kann den Wert 2 überschreiten. Hoch selektive Beschichtungen Soll nur die kurz- und langwellige infrarote Wärmestrahlung ausgeschaltet werden, wird der Emissionsgrad (ɛ) entscheidend. Ein geringer Emissionsgrad bewirkt eine hohe Reflexion im NIR und IR- Bereich [2; 3; 4]. Diese ca. 100 nm dünnen Metall- und Schutzschichten werden als Low- ɛ- Beschichtungen bezeichnet. Für Wärmeschutzverglasungen kommen geringe Schichtdicken mit ɛ- Werten von 0,02 bis 0,09 und für den Sonnenschutz höhere Schichtdicken mit ɛ- Werten von 0,14 bis 0,20 zum Einsatz [3]. Sie erhöhen die Reflexion für die infrarote Wärmestrahlung (NIR, IR), während die Reflexion für die sichtbare Strahlung (VIS) weitgehend unverändert bleibt. Metalle haben niedrige ɛ- Werte, die von der Beschaffenheit der Materialoberfläche und der Temperatur des Körpers abhängen. Sie strahlen nur etwa zwei bis zehn Prozent der aufgenommenen Wärme wieder ab, Glas dagegen mehr als 80 Prozent. Werden durch das Aufbringen dünner Metallschichten auf dem Glas die positiven Eigenschaften der Transparenz des Glases und der niedrigen Emission von Metallen verbunden, lassen sich sowohl der Sonnen- als auch der Wärmeschutz mit Glas wesentlich verbessern [2; 4]. Die Beschichtungen werden zum einen durch das Kathodenzerstäubungsverfahren (Sputtern) aufgebracht, das auch als soft coating bezeichnet wird. Auf dem Glas wird eine Edelmetallschicht erzeugt, die eine hohe Elektronendichte und damit eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Diese Beschichtung hat eine hohe IR- Reflexion und damit eine

6 geringe Emission ɛ. Da die Soft- Coating- Schichten empfindlich auf Umwelteinflüsse reagieren, müssen sie im Scheibenzwischenraum von Isolierverglasungen liegen. Bei der Sprühpyrolyse (hard coating) aufgebrachte Halbleiterschichten weisen eine geringere Reflexion im IR- Bereich aufgrund ihrer wesentlich geringeren Elektronendichte auf. Da sie auf Umwelteinflüsse wenig empfindlich reagieren, können sie auch auf den Außenseiten von Sonnenschutzgläsern eingesetzt werden und so den Emissionswert noch weiter verbessern. Eine dritte Möglichkeit stellt das Einbrennen von farben dar. Durch eine gezielte Einstellung der Siebdruck- Schichtdicke und Farbverteilung kann die Außenreflexion und damit die Sonnenschutzwirkung von Glas beeinflusst werden [2; 8; 9]. Durch die Art der Herstellung, die Schichtenkombinationen und die Schichtdicken werden die Eigenschaften einer Verglasung wesentlich beeinflusst. Befindet sich die Metallschicht z.b. auf der Außenseite der Innenscheibe (Position 3) einer Isolierverglasung, wirkt sie als Wärmeschutz, liegt sie dagegen auf der Innenseite der Außenscheibe (Position 2), wirkt sie als Sonnenschutz. Maximale Sonnen- und Wärmeschutzwerte werden erreicht, wenn doppelte Low- ɛ- Beschichtungen auf Position 2 und einfache Beschichtungen auf Position 3 liegen [7; 8]. So lassen sich hochwirksame Sonnenschutzgläser 50/25 mit einem τ V von 50% und einem g- Wert von nur noch 25% herstellen. Die Selektivität s erreicht damit den Wert 2, der heute die Grenze des technisch Machbaren markiert. Schaltbare Verglasungen Sonnenschutzgläser mit zweifacher Low- ɛ- Beschichtung und einer Selektivität s größer 2 sind in der An- und Durchsicht nicht immer farbneutral. Schaltbare Verglasungen könnten in Zukunft in der Anmutung und der Durchsicht neutrale Verglasungen ermöglichen. Außerdem müssen für die heute üblichen großen Glasflächen noch höhere s- Werte realisiert werden, um den Aufwand der künstlichen Klimatisierung weiter zu senken. Einsatzbereite schaltbare Schichten zwischen der Verglasung könnten darüber hinaus den Lichtfluss direkt dynamisch an die Anforderungen der Nutzer anpassen. Außen- und innenliegende Sonnenschutzsysteme, die stark in die Fassadengestaltung eingreifen, wären dann überflüssig. Schaltbare Gläser weisen durch physikalisch oder chemisch veränderbare Eigenschaften reversible Schaltzustände zwischen transparent und opak auf, die - nach Bedarf - niedrige oder hohe g- Werte und trotzdem ausreichende τ V - Werte erreichen. Im Sommer könnte

7 die Wärme draußen bleiben und der technische Aufwand für die künstliche Klimatisierung der Räume entfallen und im Winter eine mögliche passive Wärmegewinnung die Heizlast reduzieren. Trotz langjähriger Forschungsprojekte mit viel versprechenden Ergebnissen ist eine Marktreife dieser Systeme jedoch noch nicht gegeben. Zusammenfassung und Ausblick Am Markt ist ein breites Spektrum an Gläsern mit hoher, mittlerer und geringer Selektivität vorhanden. Gläser hoher Selektivität (s > 2) basieren auf dem Wirkprinzip der Reflexion durch dicke metallische Schichten sowie zweifach Low- ɛ- Beschichtung. Gläser mit mittlerer Selektivität (s < 1,6) entstehen durch eine Kombination der Wirkprinzipien der Absorption und der Reflexion mit einer Low- ɛ- Beschichtung sowie Gläser mit geringer Selektivität (s < 1,2), die reine Absorptionsgläser sind. Gläser mit höchsten Selektivwerten reduzieren bei Gebäuden mit großem Glasanteil an der Fassade die Wärmelasten erheblich, machen eine Klimatisierung durch eine spezielle Ausführung der Fassaden und/ oder Lüftungsanlagen jedoch nicht überflüssig. Erst schaltbare Verglasungen könnten nach ihrer Einsatzreife die Wärmeeinstrahlung ganz verhindern, bzw. im Winter solare Energiegewinne ermöglichen.

8 Literatur: [1] Vgl.: Hawkes, Dean; Forster, Wayne: Energieeffizientes Bauen, Stuttgart; München: Deutsche Verlags- Anstalt, [2] Vgl.: Grimm, Friedrich: Energieeffizientes Bauen mit Glas, München: Callway Verlag, [3] Vgl.: Wagner, Andreas; Herkel, Sebastian; Kohne, Walter: Energieeffiziente Fenster und Verglasungen, 3., vollst. überarb. Aufl., Karlsruhe: BINE Informationsdienst, [4] Vgl.: Bäckmann, Reinhard: Sonnenschutz Teil II, Bochum: Kleffmann- Verlag, [5] Vgl.: Wigginton, Michael: Glas in der Architektur, Stuttgart: Deutsche Verlags- Anstalt, [6] Vgl.: DIN EN 410 : : Bestimmung der lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngrößen von Verglasungen. [7] Vgl.: Pültz, Gunter: Bauklimatischer Entwurf für moderne Glasarchitektur, Berlin: Ernst & Sohn, [8] Vgl.: Fröhler, Alfons W.: Lexikon für Glas und Glasprodukte, Schorndorf: Hofmann Verlag, [9] Vgl.: Flachglas Markenkreis (Hrsg.): GlasHandbuch 2008, Gelsenkirchen, [10] Vgl.: Kuchling, Horst: Taschenbuch der Physik, 12. durchges. Aufl., Thun; Frankfurt/ Main: Verlag Harri Deutsch, [11] Vgl.: BINE Informationsdienst (Hrsg.): Hightech- Materialien für Gebäudefassaden. Internet: Stand: