Weg mit dem Speck

Traditionelles Material, neue Technologie, neues Design – das gerade abgeschlossene EU-Projekt MEM4WIN zeigt Zukunft und Chancen einer neuen Bauart der Isolierglasverglasung.

30.06.2016
Lisec
© Lisec

Vierfach-Verglasung ist ein heißes Thema. Doch eine Scheibe mehr ist nicht praxistauglich, so der Tenor der Experten. Das ist richtig – in der herkömmlichen Konstruktionsweise. Wie es dennoch funktioniert, zeigt eine Bauart der Isolierverglasung, die im EU-geförderten „Energy-efficient Buildings PPP“-Projekt MEM4WIN entwickelt wurde. Das Ergebnis des kürzlich abgeschlossenen Projekts zeigt, wie das Weg-lassen von Material das Isolierglas stärkt.

Was ist MEM4WIN? 

MEM4WIN (Abkürzung für „Membranes for Windows“, deutsch „Membrane für Fenster“) ist ein EU-gefördertes Projekt, innerhalb dessen Lisec eine neue IG-Einheit für Vierfach-Verglasung mit ultradünnen Glasmembranen entwickelt, die optional als rahmenloses öffenbares Fenster für die direkte Anwendung in Fassaden verwendbar ist. Aufgrund dieses Ansatzes können im Vergleich zum Stand der Technik Ug-Werte von 0,3 W/m²K, eine Gewichtsreduzierung von mehr als 50 Prozent und eine Kostensenkung von 20 Prozent erreicht werden. Das modulare Konzept erlaubt die Integration unterschiedlicher Funktionen. Im Projekt werden unter anderem integriert: Mikrospiegel für Sonnenschutz und Tageslichtsteuerung der Universität Kassel, organische Photovoltaik (OPV) zur Stromerzeugung der Firma Belectric OPV GmbH, Solarkollektoren für die thermische Energieerzeugung der Firma Energy Glas GmbH sowie organische Leuchtdioden (OLEDs) für die künstliche Beleuchtung der Firma Philips.

Meinung des Marktes

Viele haben dieses Thema schon aufgegriffen und versucht mit der bestehenden Konstruktionsweise an die Ziele heran zu gehen. Besonders gut beschrieben, warum es nicht funktioniert, hat der Bericht „Darf es eine Scheibe mehr sein?“ aus GLAS, Ausgabe 1/2016, Seite 18-21. Zusammenfassend lässt sich aus diesem Artikel Folgendes festhalten:
• Erhöhter Nutzen des Vierfach-Iso-Elements ist nur bei wenigen Glasaufbauten unter optimalen Randbedingungen darstellbar.
• Hoher Primärenergiebedarf der Herstellung durch notwendigen Einsatz von 4 Millimeter ESG (thermo-mechanische Gründe), zusätzliche Scheibe.
• Hoher Transportaufwand (erhöhter Logistikaufwand).
• Die Lebensdauer wirft Fragen auf, die wegen unzureichender Langzeiterfahrung noch nicht beantwortet werden können.
• Eine Kostenamortisation im Vergleich zu Dreifach-Verglasung ist wegen zu geringer Verbesserung illusorisch.
• Auch in der Ästhetik gibt es deutliche Minuspunkte: Drei ESG-Scheiben mit Beschichtung erlauben keine Verzerrungsfreie Durchsicht und Vierfach-Isoliergläser spiegeln stark. 

Fazit: Der erhebliche Mehraufwand rechnet sich ökologisch, energetisch und wirtschaftlich nicht.

Tatsächliche Anforderungen an das Isolierglas

Legt man jede einzelne Scheibe des Isolierglases auf die tatsächliche Anforderung aus, so wird die äußere Scheibe auf die Windlast ausgelegt und kann je nach Scheibengröße entsprechend dick ausfallen. Auf die innerste Scheibe kommen maximal sicherheitstechnische Anforderungen, wie ESG oder VSG. Die mittleren Scheiben können so dünn wie möglich sein. Die Grenze ist nur eine wirtschaftliche. Preislich kann derzeit das Zwei-Millimeter-Glas mit dem Vier-Millimeter-Glas verglichen werden und ist der Schlüssel um die beschriebenen Nachteile in Vorteile umzuwandeln.

Das große Bild links zeigt die enorme Festigkeit und Flexibilität dieser thermisch behandelten Dünngläser. Sie zeigt einen Footballspieler, der mit voller Wucht gegen ein 2,85 Millimeter Einscheibensicherheitsglas läuft und zurückgeschleudert wird. Dabei schmiegt sich das Glas kurzfristig an seinen Körper an. Warum? Dünnglas ist mehr eine Membran als eine Scheibe. Das ermöglicht die Aufnahme der Klimalasten im Glas selbst und entlastet den Randverbund. Erst dadurch ist diese Elementdicke möglich. Für die inneren Scheiben gilt: Je dünner das Glas, desto glockenförmiger verformt es sich bei der Beanspruchung durch den Gasdruck. Das schafft mehr Volumen bei weniger Maximalverformung. Dadurch entspannt sich der Gasdruck im Inneren der Scheibe überproportional. Der Gasdruck hat wechselwirkend auch wieder Einfluss auf die Belastung des Glases sowie des Randverbunds. Das heißt: Verringert man die Glasdicke, entspannt sich der Gasdruck und senkt die Belastung auf das Glas sowie auf den Randverbund, wodurch Statik und Lebensdauer erheblich verbessert werden.

Asymmetrischer Modulaufbau und Auswirkung auf die Optik

Durch einen asymmetrischen Isolierglasaufbau (dickere Außenscheibe, dünnere Innenscheibe) wird nicht nur die Klimalast nach innen abgeleitet, sondern eine wesentlich bessere Fassadenoptik erzielt.

Auswirkung der halben Glasdicke auf die Lebensdauer

Tests beim ift Rosenheim haben bestätigt, dass das Vierfach-Isolierglas bei Verwendung von Dünngläsern und flexiblen Abstandhaltern trotz Verwendung von 72 Millimeter Paketdicke Gasleckraten von nur 0,6 Prozent pro Jahr aufweist. Die Grenzwerte nach DIN 1279-3 liegen bei einem Prozent pro Jahr. Diese Werte sind für manche Zweifach-Isoliergläser mit einer geringen Paketdicke und dickem Glas schwer erreichbar. Mit herkömmlicher Konstruktionsweise waren mit Stand der Technik Paketdicken von maximal 50 Millimeter möglich. Je mehr Gas verwendet wurde und desto dicker die Glasscheiben waren, desto größer wurde die Pumpwirkung. Dicke Gläser verstärken durch deren großen Widerstand gegen Verformung die Klimalast auf den Randverbund. Somit beweisen die Tests, dass bei der Verwendung von Dünnglas die Lebensdauer von Zweifach- und Dreifach-Iso-Elementen massiv verbessert werden kann bzw. Paketdicken von mehr als 50 Millimeter mit hoher Lebensdauer möglich werden.

Halbe Glasdicke schafft Raum für Isolierung

Ein weiterer Vorteil bei der Reduzierung der Glasdicke ist, dass die Millimeter-Breite an nicht verwendetem Material für den Scheibenzwischenraum (SZR) verwendet werden kann. Anhand des Beispiels in Abbildung 2 (oben) können bei einer gleichen Paketdicke von 52 Millimeter ganze 6 Millimeter mehr für den isolierenden SZR verwendet werden. In Abhängigkeit von Systemprofilen für Fenster- oder Fassadensysteme sind laut Stand der Technik maximal 60 Millimeter Paketdicken möglich. Ein dickeres Isolierglas war mit früheren Voraussetzungen nicht sinnvoll. Durch die neue Technologie mit der Verwendung von Dünnglas kann mit einem SZR von 20 Millimeter und Argonfüllung ein Ug-Wert von 0,3 W/m²K erreicht werden. 

Ist der Transmissionsnachteil immer ein Nachteil?

Transmissionsnachteile durch die zusätzliche Scheibe können bei Bedarf mit Antireflektions-Schichten behoben werden. Bei der Verwendung von mehreren AR-Schichten können bessere Transmissionen erreicht werden als bei Dreifach-Glas. Bei großen Fassadensystemen besteht eher die Gefahr einer Überhitzung, was den Transmissionsnachteil in eine positive Eigenschaft umwandelt. 

Temperatur im Vierfach-Isolierglas

Damit das Glas die Klimalasten aufnehmen kann, wird vorgespanntes Glas eingesetzt. Dieses weist zusätzlich eine Temperaturwechselbeständigkeit von über 200 Kelvin auf (TVG 100 K). Somit sind die hohen Temperaturen an der Low-E-Schicht von über 80 Grad Celsius kein Problem (siehe Abbildung 3 oben). Thermische Brüche, welche auch teilweise bei Zwei- und Dreifachfach-Isolierglas mit nicht vorgespannten Gläsern auftreten, stellen hier kein Problem dar.

Auswirkung der halben Glasdicke auf das Isolierglasgewicht

Trotz der Verwendung eines Vierfach-Glases ist das Glasgewicht geringer als bei herkömmlichen Dreifach-Gläsern. Dreifach-Glas kann mit dem Gewicht von üblichem Zweifach-Glas hergestellt werden. Bei einem Zweifach-Glas mit 4-16-4 bekommt man eine eingesetzte Glasmenge von 8 Millimeter. Bei einem Dreifach-Glas mit 4-12-4-12-4 beträgt die eingesetzte Glasdicke 12 Millimeter. Bei einem Vierfach-Glas mit Dünnglas (4-20-2-20-2-20-2) lässt sich eine eingesetzte Glasdicke von 10 Millimetern realisieren. Dieses Vierfach-Isolierglas kann gewichtstechnisch zwischen einem regulären Zweifach- und Dreifach-Iso-Element hergestellt werden.

Auswirkung der halben Glasdicke auf die Schallschutzeigenschaften

Ein guter Nebeneffekt ist, dass durch die Wahl unterschiedlicher Glasdicken im Isolierglas die Schallschutzeigenschaften verbessert werden. Verwendet man bei einem Mehrfachisolierglas durchgehend die gleiche Glasdicke, ist die Schallschutzeigenschaft des Glases annähernd die gleiche wie bei einer Einzelscheibe derselben Glasstärke.

Auswirkung der halben Glasdicke auf die Wertschöpfungskette

Durch eine Halbierung der Glasdicke können doppelt so viel Quadratmeter Rohglas angeliefert und gelagert werden. Das spart Kosten. Bei der Auslieferung ändert sich im Dreifach-Glas nichts. Beim Vierfach-Glas ergibt sich durch eine breitere Paketdicke eine schlechtere Bilanz bei der Auslieferung. Betrachtet man jedoch die Transportstrecken bei der Anlieferung sowie Auslieferung, werden für die Anlieferung meist wesentlich längere Wege in Kauf genommen als für die Auslieferung, was die Bilanz für das Vierfach-Glas wieder verbessert. 

Positive Auswirkung auf den Energieverbrauch der Herstellung

Vergleicht man ein Vier-Millimeter Floatglas mit einem Zwei-Millimeter vorgespannten Glas, ergibt das eine Primärenergieeinsparung von über 16 Prozent. Dies wurde von der Universität Kassel auf der Basis von realen Betriebsdaten nach standardisierten Verfahren berechnet. Grund für die hohe Einsparung ist, dass das Vorspannen im Vergleich zur Floatglas-Herstellung wesentlich weniger Energie benötigt.

Auswirkung der Gaswahl auf die Isolierglasbreite

Daneben wurde die Herstellungsenergie unterschiedlicher Füllgase betrachtet. Dabei stellte sich heraus, dass Krypton, verglichen mit Argon, das 450-Fache an Energie bei der Herstellung (Extraktion) benötigt. Mit Krypton ließe sich zwar ein besserer U-Wert bei geringerer Tiefe der Verglasung realisieren, dies macht aber bei einem solch hohen Mehrverbrauch in der Herstellung keinen Sinn. Das ist der Grund, warum wir zur Erreichung des U-Werts von 0,3 W/m²K Argon und eine für Argon ideale SZR-Breite von 20 Millimeter gewählt haben.

Möglichkeiten, Funktion, integration

Konstruktionen wie das MEM4WIN-Fenstersystem sind dafür gedacht vom Standpunkt des derzeit Machbaren nach vorne zu schauen. Wir brauchen Lösungen für die Energiewende im Gebäudesektor. Fenster sollen nicht nur besser dämmen, sie sollen auch Energie liefern und den Energieeintrag in den Raum steuern. Und das Fenster sollte auf smarte Weise Funktionen übernehmen, die für das Wohlbefinden der Gebäudenutzer entscheidend sind: Beschattung, Lichtlenkung, Beleuchtung und Schallreduktion. Das kann das moderne Fenster! Bereits weit entwickelte Beispiele aus dem Projekt MEM4WIN sind der rahmenlos öffenbare Fensterflügel mit organischer Photovoltaik oder eine solarthermische Integration im Parapet-Bereich.

Fazit

Gebäude sind für rund 40 Prozent des Energieverbrauchs in Europa verantwortlich (Odyssee indicators, www.buildip.eu). Durch den ressourcenschonenden Einsatz von Material, bewusstes Weglassen an den richtigen Stellen und in Verbindung mit der Dünnglastechnologie haben wir mehr Ziele erreicht als ursprünglich gedacht. Im Projekt MEM4WIN konnten wir zeigen, dass Isoliergläser das Potential haben, durch eine deutliche Senkung der Herstellungsenergie und einen U-Wert von 0,3W/m²K verstärkt zur Reduzierung des Energieverbrauchs beizutragen. Gleichzeitig konnten essentielle Eigenschaften, wie Lebensdauer, Gewicht, Schallschutz, Ästhetik und Kosten verbessert werden. Somit konnten wir die am Markt herrschende Meinung zu technischen Grenzen verändern, die bisherigen Nachteile entkräften und sogar in Vorteile umwandeln. 
 

Glas

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