Multifunktionale Gebäudehüllen

Die Eigenschaften eines Isolierglassystems müssen daher stets individuell an die spezifischen Randbedingungen angepasst werden.

Üblicherweise besteht eine Isolierglaseinheit aus mindestens zwei Glasscheiben, die durch einen Abstandhalter getrennt werden, welcher mit einem Trockenmittel gefüllt ist um eingeschlossene Restfeuchtigkeit aufzunehmen (Bild 1). Der Scheibenzwischenraum (SZR) kann mit Luft, aber auch mit Argon oder Krypton gefüllt werden, um die Isolationswirkung zu verbessern. In der Regel kommen heute zweistufige Randverbundsysteme zum Einsatz, um ein dauerhaft hermetisch dichtes System zu erhalten. Die Primärdichtung aus dauerplastischem Butyl hat die Funktion einer Wasserdampfsperre. Die Sekundärdichtung aus Silikon oder Polysulfid hat in erster Linie die Funktion den Gesamtaufbau statisch zusammenzuhalten. Dabei hat Silikon jedoch eine bessere UV-Beständigkeit und wird deshalb bei Structural-Glazing Anwendungen verwendet, da hierbei der Randverbund direkt der solaren Strahlung ausgesetzt ist. Polysulfid hingegen weist eine geringere Gasleckrate auf und wird meist bei gasgefüllten Isolierglaseinheiten verwendet.

Die Anforderungen an Isolierverglasungen werden heute immer vielfältiger und anspruchsvoller. Häufig kommt dem spröden Material Glas auch eine lastabtragende Funktion zu, wodurch die Verglasung zu einem wichtigen Bestandteil der statischen Gesamtkonstruktion wird. Zu diesem Zweck muss das Glas bezüglich statischen (z.B. Wind-, Schnee-, Klima- und Eigenlasten) sowie dynamischen Lasten (z.B. Körperanprall) bemessen werden und die erforderlichen Standsicherheits- und Gebrauchstauglichkeitsanforderungen erfüllen. Neben den konstruktiven Aspekten kommen dem Isolierglas weitere bauphysikalische und energietechnische Aufgaben zu, denen heute ein immer bedeutenderer Stellenwert zukommt. Nicht nur immer strengere Energieeinsparverordnungen müssen erfüllt werden, sondern auch den gestiegenen Bedürfnissen der Benutzer muss hierbei Rechnung getragen werden. Zum Teil müssen sich scheinbar widersprechende Anforderungen erfüllt werden: Tageslichtnutzung und solare Energiegewinne stehen oft im Widerspruch zu einem effektiven Sonnen- und Überhitzungsschutz. Eine ungehinderte Durchsicht erlaubt keinen effektiven Blendschutz. Ein besonderes farbiges Fassadendesign oder bestimmte Funktionsbeschichtungen führen oft zu einer veränderten Farbwiedergabe im Innenraum. Zudem sollen moderne Gebäudehüllen ästhetischen Ansprüchen genügen, dauerhaft ökonomisch im Unterhalt sein und für die gesamte Nutzungsdauer eine uneingeschränkte Funktion und Komfort bieten. Aus all diesen Gründen müssen die Eigenschaften einer modernen Isolierverglasung sorgfältig den jeweiligen Randbedingungen angepasst werden.

Um die Funktionsanforderungen an eine Isolierverglasung zu erfüllen kann der Scheibenzwischenraum (SZR) genutzt werden [1]. Neben Gasfüllungen und den gebräuchlichen Glasbeschichtungen, welche die Emissivität der Glasoberfläche verringern und den Licht- und Energieeintrag beeinflussen, können im SZR auch feststehende oder bewegliche Lamellensysteme, Streckmetall- und Metallgewebeeinlagen, lichtstreuende Kapillareinlagen oder hochisolierende Vakuumpaneele integriert werden. Auf diese Weise kann ein weites Feld an individuellen Ansprüchen abgedeckt werden, indem ein sinnvoller Kompromiss unterschiedlichster Anforderungen angestrebt wird. Trotz all der vorhandenen Möglichkeiten ist ein Limit an zukünftigem Entwicklungspotenzial absehbar. Dies wird in Bild 2 am Beispiel der Entwicklung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wertes) erkennbar.

Noch bis in die sechziger Jahre waren Einfachverglasungen mit einem U-Wert von U ∼ 6 W/(m²K) der Stand der Technik. Durch die Einführung der „Doppelverglasung“ konnte dieser Wert halbiert, die Isolationswirkung also verdoppelt werden. Lichtstreuende Kapillareinlagen, wie z.B „Okapane“ oder „Kapipane“ (Bild 3), reduzieren zusätzlich die Konvektion im SZR und erreichen U-Werte von ca. U ∼ 2 W/(m²K). Mittels speziellen low-E Schichten und Gasfüllungen werden heute Werte von U ∼ 1 W/(m²K) im Zweifachaufbau und U ∼ 0,6 W/(m²K) als Dreischeibenisolierglas erreicht. Neuartige Isoliergläser, die mit einem transluzenten Nanogel gefüllt sind, erreichen U-Werte bis zu U ∼ 0,3 W/(m²K) [2]. Flächen, die mit Vakuum Paneele belegt sind, können U-Werte von U ∼ 0,1 W/(m²K) aufweisen, sind aber dabei vollkommen opak.

Es wird deutlich, dass weitere Verbesserungen des Wärmedurchgangskoeffizients auf Kosten anderer Parameter gehen. Sei es die Transparenz der Verglasung, die maximale Größe der Einzelelemente oder der finanzielle Aufwand. Transparente Vakuum-Isoliergläser sind gegenwärtig noch nicht verfügbar und werden möglicherweise noch lange auf sich warten lassen, da es sich in der Praxis sehr schwierig gestaltet diese Elemente dauerhaft funktionsfähig zu behalten. Der Einsatz von transluzentem Nanogel als hocheffektiver Isolationswerkstoff im SZR stellt momentan vielleicht den besten Kompromiss dar unterschiedliche Anforderungen, wie hervorragend thermische Isolation, blendfreie Tageslichtnutzung und geringer Gesamtenergieeintrag zu erfüllen (Bild 4).

Wärmedämmung mit transluzentem Aerogel

„Nanogel“ ist der Produktname des granularen Aerogels der Firma Cabot Corporation. Das Material wurde unter anderem entwickelt, um thermisch ineffiziente Verglasungssysteme besser zu isolieren. Das federleichte Aerogel wird unter Einsatz eines patentierten Verfahrens zur Oberflächenmodifizierung und Feinpartikelfertigung hergestellt. Auf den Herstellungsprozess des Aerogels soll hier nicht eingegangen werden. Prinzipiell handelt es sich dabei aber um ein Sol-Gel Verfahren. Die entstehenden nanoporösen Partikel bestehen im Wesentlichen aus Siliziumdioxid (SiO₂), also dem gleichen Material wie Sand bzw. Glas. Allerdings haben sie einen Luftgehalt von 97% und wiegen nur 75 g pro Liter. Damit ist das Aerogel derzeit der leichteste Feststoff und beste Isolierbaustoff weltweit. Es ist außerdem permanent wasserabweisend und somit beständig gegen Feuchte und Schimmelbildung. Überdies bietet das Gel herausragende Eigenschaften zur Schall- und Wärmedämmung und zeichnet sich durch seine hohe Lichtdurchlässigkeit und Lichtstreuung im Vergleich zu anderen Isoliermaterialien aus. Diese Vorteile bieten neue Designlösungen für Architekten, die sowohl Tageslicht maximal nutzen, als auch optimale Energieeffizienz erzielen wollen. Aufgrund des geringen Materialanteils in „Nanogel“ ist die Festkörper-Wärmeleitung minimal. Darüber hinaus weist es eine dreidimensionale Gitternetzstruktur mit einer mittleren Porengröße von 20 Nanometern auf, bei der die Gasmoleküle eingeschlossen sind und somit deren Bewegung und das Stoßen der Teilchen untereinander verhindert wird (Bild 5 und 6). Dadurch wird auch die Wärmeleitung in der Gasphase wirkungsvoll verhindert und zudem die Geschwindigkeit sich ausbreitender Schallwellen drastisch reduziert.

Multifunktionale Fassadenelemente

Bei dem Umgang mit diesem hochporösen Granulat werden neue Produktionstechniken angewandt. Der Füllvorgang läuft kontinuierlich und unterbrechungsfrei ab, um ein homogenes Erscheinungsbild des transluzenten Fassadenelements zu ergeben. Die 0,7 – 3,5mm großen Partikel werden während der Nutzung definiert mechanischen Spannungen ausgesetzt, um sie in Position zu halten. So werden Bewegungen und damit einhergehende Reibungskräfte zwischen den Partikeln minimiert. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die physikalischen Eigenschaften des Fassadenelements langfristig gewährleistet sind. Erste Projekte mit „Okagel“-Fassadenelementen befinden sich derzeit in der Planung.

Das transluzente Fassadenelement „Okagel“ stellt eine neue Klasse von Isolierverglasungen dar (Bild 7) und ist in der Lage unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen. Projektspezifisch kann die Licht- und Sonnenenergiedurchlässigkeit des Fassadenelements festgelegt werden. Je nach Scheibenaufbau und Schichtdicke lassen sich zudem für beliebige Einbaulagen U-Werte von weniger als 0,3 W/(m²K) erzielen (Bild 8), wodurch sich ein vollkommen neues und breites Einsatzgebiet eröffnet. Da im Scheibenzwischenraum keine Konvektion mehr auftritt, ergibt sich auch beim Einsatz als Oberlicht keine verschlechterte Wärmedämmung gegenüber einer Fassadenanwendung, wie dies üblicherweise bei gasgefüllten Mehrscheiben-Isolierverglasung zu beobachten wäre. Der gleiche Effekt tritt auch bei der Verwendung von Kapillareinlagen auf.

Da sich die „Nanogel“-Partikel unter direkter Sonneneinstrahlung selbst nur geringfügig erhitzen, bleibt der Sekundärenergieeintrag gering. „Okagel“ Fassadenelemente mit transluzentem „Nanogel“ wirken zudem vollständig lichtstreuend und bieten eine verbesserte Raumtiefenausleuchtung. In Bild 10 ist diese Funktionsweise exemplarisch am Beispiel einer Verglasung mit transparenten Kapillarplatten dargestellt. Diese Raumtiefenausleuchtung konnte messtechnisch am Bauvorhaben Turnhalle der Buchwiesenschule, Zürich nachgewiesen werden (Bild 9). In diesen Fall wurden Scobalit Paneele mit Gelfüllung eingesetzt, um einen U-Wert von U = 0,48 W/(m²K) zu erreichen. Die transluzente Fassade ermöglicht zudem einen ungehinderten Sportbetrieb durch blendfreies Licht. Gleichzeitig stand bei der Ausführung die Anforderung nach geringem Wärmeeintrag im Vordergrund, da keine aktive Kühlung vorgesehen ist.

Zukünftige Trends und Entwicklungen

Durch die zunehmenden Auflagen bezüglich Energieeinsparung und das steigende Bewusstsein die vorhandenen Ressourcen zu schonen, wird zukünftig hocheffizienten Wärmedämmsystemen eine zunehmend bedeutendere Rolle zukommen. Trotzdem scheint die Grenze des technisch Machbaren und ökonomisch Vertretbarem heute nahezu erreicht. Aus diesem Grund werden zunehmend andere Parameter die Entwicklungen im Isolierglasmarkt bestimmen.

Dem Design und der Optik einer Fassade wird zukünftig eine wichtige Bedeutung zukommen. Individuell gestaltete Isoliergläser mit Einlagen aus Streckmetall, Kapillarplatten, Lamellensystemen oder Holzrastereinlagen werden bei Architekten und Bauherren immer beliebter. Diese Entwicklung stellt hohe Anforderungen an die Flexibilität und das technische Know-how des Isolierglasherstellers und erfordert neue innovative Ideen von kreativen Planern. Andere Gestaltungsmöglichkeiten bietet der Digitaldruck auf Glas oder der Mehrfarbensiebdruck. Durch diese Techniken können sogar großflächige Fassaden mit fotorealistischen Darstellungen versehen werden. Der Digitaldruck bietet zudem die Möglichkeit jedes Fassadenelement mit individuellen Motiven zu gestalten, ohne das dazu zusätzliche Kosten entstehen. Das Aussehen der Gebäudehülle kann also unverwechselbar und abwechslungsreich gestaltet werden, lediglich durch den Einfallsreichtum des verantwortlichen Designers beschränkt.

Eine weitere wichtige Entwicklung stellt der Übergang von der traditionellen Verglasung in Form von Fensteröffnungen in massiven Wänden zu großflächigen transluzenten Hüllen dar. Diese Entwicklung wird das Erscheinungsbild unserer Gebäude verändern und Architekten und Planern neue Möglichkeiten der Gestaltung eröffnen. In Bild 10 ist die Fassade eines Supermarkts in Österreich dargestellt. Die großflächigen transluzenten Fassadenelemente erfüllen gleichzeitig verschiedene Aufgaben:

• Thermische und akustische Isolation.
• Blendfreie Tageslichtnutzung.
• Charakteristisches Fassadendesign und neutrale Farbwiedergabe im Innenraum.

Das zeigt eindrucksvoll die Vorteile der Nutzung des natürlichen Tageslichts am Beispiel einer Anwendung die üblicherweise als künstlich beleuchteter abgeschlossener Raum verwirklicht wird. Das Tageslicht wird effektiv genutzt ohne die Kunden des Marktes zu blenden. Es entsteht ein angenehmes Ambiente und komfortables Raumklima ohne übermäßige Erhitzung durch direkte Sonneneinstrahlung. Auf diese Weise wird nicht nur der Nutzungskomfort verbessert, sondern auch der Energieverbrauch für Heizung, Klimaanlage und Beleuchtung reduziert. Um ein solch optimiertes Ergebnis zu erzielen müssen Planer die zur Verfügung stehenden Möglichkeiten kennen und sie rechtzeitig in ihren Planungsprozess einbeziehen.

Eine andere wichtige Entwicklung ist der Trend hin zur „intelligenten“ Fassade. Diese muss in der Lage sein, sich den Wünschen der Nutzer anzupassen oder automatisch Veränderungen anzugleichen. Beispielsweise ist es denkbar über adaptiv regelnde Systeme eine konstante Innenraumhelligkeit, z.B. an einem Arbeitsplatz zu gewährleisten, unabhängig von Sonnenstand, Jahreszeit und Witterungsbedingungen. Dies eröffnet neue planerische Möglichkeiten. Hierzu ist es aber auch erforderlich Schnittstellen zwischen den verschiedenen haustechnischen Anlagen, wie Beleuchtung, Heizung, Klimaanlagen und Verschattungssystemen zu schaffen, um eine effektive Funktionsweise zu erzielen. Eine solche intelligente Fassade könnte sowohl im Sommer als auch im Winter optimalen Nutzungskomfort bieten und dabei maximal energieeffizient arbeiten. Heute sind bereits Systeme, wie z.B. im SZR integrierte bewegliche Jalousien am Markt erhältlich, die eine Vielzahl der Anforderungen an Flexibilität und Anpassungsfähigkeit erfüllen.

Ein innovativer Ansatz, die Eigenschaften einer Fassade den jeweiligen Bedürfnissen optimal anzupassen, bieten schaltbare Gläser. Verschiedene Firmen arbeiten fieberhaft an der Entwicklung schaltbarer Schichten mit variabler Lichttransmission und Tönung (Bild 11). In der Vergangenheit scheiterten diese elektrochromen oder thermochromen Schichten meist aufgrund mangelnder Dauerhaftigkeit der Funktion. Diese Probleme sind heute größtenteils gelöst, die verfügbaren Abmessungen und Stückzahlen sowie die noch sehr hohen Kosten verhindern jedoch eine weite Verbreitung dieser Anwendung. Dennoch existieren unterschiedliche Systeme, die auf unterschiedlichen Technologien beruhen und ein breites Spektrum an Möglichkeiten abdecken. Die Fassade der Zukunft könnte also mit den unterschiedlichsten Systemen der Haustechnik interagieren und so dem Nutzer unabhängig von den Umgebungsbedingungen ein Maximum an Komfort bieten. Gleichzeitig ergeben sich neue Potenziale der Energieeinsparung, da die Fassade im Winter sowohl zur Nutzung solarer Energiegewinne herangezogen werden kann, als auch im Sommer einen effektiven thermischen Sonnenschutz bietet. Kosten für Heizung, Klimaanlage und künstliche Beleuchtung könnten so weiter reduziert und der CO₂-Ausstoß insgesamt gesenkt werden. Diese Entwicklung geht einher mit neuen, individuelleren Gestaltungsmöglichkeiten.

Ausblick

Das Isolierglas, welches einmal zur besseren thermischen Isolation von verglasten Fensterflächen entwickelt wurde, muss heute multiple und komplexe Aufgaben übernehmen. Selbst scheinbar gegensätzliche Anforderungen müssen erfüllt werden, um die immer höheren Nutzungsansprüche und strengere Energieeinsparverordnungen verschiedener Länder zu erfüllen. Hochisolierende Glassysteme werden daher weiter an Bedeutung gewinnen, obwohl ein Ende der Entwicklung zu immer besseren U-Werten heute bereits absehbar ist. Durch die Verwendung von neuen Werkstoffen wie transluzentes Aerogel können unterschiedliche Funktionen wie Isolation, Tageslichtnutzung, Blendschutz vereint werden. Um dieses Potenzial voll ausschöpfen zu können erfordert dies aber gleichzeitig ein Umdenken auf Seiten der Planer hin zu großflächigen transluzenten Wänden, anstatt einzelner Fenster. Auch intelligente Fassadensysteme, die sich ihren Umweltbedingungen anpassen können, werden an Bedeutung gewinnen. Hierzu muss jedoch auch eine Schnittstelle zu anderen Systemen der Haustechnik geschaffen und einheitliche Standards entwickelt werden. Neben allen technischen Aspekten wird auch das Design einer Fassade eine immer wichtigere Rolle spielen. Isoliergläser mit speziellen Einlagen oder individuell bedruckten Motiven werden immer populärer und so das Erscheinungsbild des Gebäudes unverwechselbar. All diese Entwicklungen stellen große Herausforderungen an die Flexibilität und das technische Know-how der Isolierglashersteller. Gleichzeitig ergeben sich unzählige neue Möglichkeiten für Planer und Architekten und die Nutzer profitieren letztendlich durch einen gestiegenen Komfort. |

Literatur[1] Frank Schneider: Technik im Scheibenzwischenraum, Deutsche BauZeitschrift 12/2006 Glas, S.68-70, Bau Verlag, Springer Baumedien, 2006.[2] Frank Schneider, Georg Gertner: Use of transparent aerogels for efficient thermal insulation, Intelligent Glass Solutions, Issue 1, S.39-42, Intelligent Publications Limeted (IPL), Beijing, London, Munich, New Delhi, 2007

Der Beitrag wurde auf den 10. Glass Processing Days (GPD), die vom 15–18. Juni in Tampere, Finnland stattfanden unter dem Titel „New developments in multifunctional insulating glass units“ von Frank Schneider vorgestellt.

Dr. Frank Schneider ist Leiter der Forschung und Entwicklung bei der Okalux GmbH, Marktheidenfeld.