Schlüsseltechnologie von morgen?

Zentraler Bestandteil der Fenster ist das Glas mit einem Anteil von 80 bis 90Prozent. Benötigt werden „schlanke“ ­ Rahmen mit einem U_f -Wert von möglichst < 0,8 W/m²K und hochwärmedämmende und ­multifunktionale „schlanke“ Gläser mit einem U_g- Wert von < 0,7 W/m²K. Die kommende verschärfte EnEV 2009 bedeutet, dass im Neubau die Anforderungen an Fenstersysteme fast nur noch mit 3-fach-Isoliergläsern realisierbar sind. Durch 3 Gläser, 2 Schichten, mindestens 14 mm SZR und Argonfüllung werden ­ U_g- Werte von 0,7 W/m²K erreicht. Die sehr guten U_g-Werte von 3-fach-Isolierglas mit Kryptonfüllung von 0.5 W/m²K haben kaum Chancen, da dieses Edelgas sehr teuer und nur noch schwer erhältlich ist. Als Standardprodukt kommt für energieeffiziente Verglasungen zunehmend ­ 3-fach-Isolierglas zum Einsatz. Dies bedeutet ­allerdings auch:

• eine Gewichtserhöhung um 50%
• die Scheibenpakete werden grö&szlig;er
• wirtschaftliche und technische Grenze des U_g- Werts bei 0,7 W/m²K
• Probleme bei der Langzeitstabilität möglich
• verstärkte Profile und Beschläge für Fenster und Fassaden sind nötig
• neue Produktionsanlagen für Glas- und Fensterindustrie sind nötig

Vakuumverglasungen als Alternative

Welche Vorteile bietet die Vakuumtechnik bei Verglasungen? Mit Vakuumisolierglas (VIG) sind exzellente Dämmwerte bei schlankem Aufbau und geringem Gewicht möglich (Bild 01). Bei Verwendung hocheffizienter Low-E-Schichten mit Emissionsgraden < 0,03 und thermisch optimierter Stützen erreicht man U_g-Werte < 0,5 W/(m²K). Mit einem Systemaufbau von weniger als 10 mm, bei 4 mm Glasdicke, ist Vakuumisolierglas deutlich schlanker und leichter als herkömmliche Isolierverglasungen (Bild 02).

Ein japanisches und ein chinesisches Unternehmen bieten heute schon Vakuumglas am asiatischen Markt an, allerdings mit U_g-Werten von 1,1 bis 1,3 W/m²K. Diese Werte sind für aktuelle und zukünftige Anforderungen, insbesondere im EU-Raum, nicht ausreichend.

Im Rahmen eines mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Forschungsprojektes wurde die prinzipielle Machbarkeit eines VIG mit einem ­ U_g-Werte von 0,5 W/(m²K) untersucht und bestätigt. Neben der Entwicklung eines gasdichten Randverbundes wurden auch die mechanischen Eigenschaften von VIG mit einem speziellen thermischen Lastwechselverfahren untersucht.

Im Anschlussprojekt ProVIG ( http://vig-info.de/ ) erfolgen nun die Entwicklung und praktische Erprobung von Produktionstechniken für VIG (die bis 2010 am Markt verfügbar sein sollen) und die Material- und Systemprüfungen zur Sicherstellung der Funktionen und der Langzeitstabilität.

Aktueller Entwicklungsstand von VIG

Bei konventionellen Wärmeschutzverglasungen mit IR-reflektierenden Beschichtungen (Low-E-Schichten) verursacht die Wärmeleitung des Füllgases im Scheibenzwischenraum (SZR) einen Großteil des Wärmedurchganges. Dies lässt sich durch Evakuieren des SZR deutlich reduzieren. Die Dämmwirkung des evakuierten Zwischenraumes ist kaum vom Scheibenabstand abhängig, sodass dieser auf Werte < 1 mm reduziert werden kann. Dies ermöglicht sehr schlanke VIG-Aufbauten.

Um den auf den Scheiben lastenden Atmosphärendruck von 10 t/m² aufzunehmen, müssen im SZR in gewissen Abständen kleine Stützen angebracht werden. Diese Stützen mit einem Durchmesser von 0,5 mm können nur aus nächster Nähe wahrgenommen werden und behindern die Durchsicht nicht.

Um den benötigten Unterdruck von unter 10^-3 hPa aufrecht zu erhalten, muss der Randverbund gasdicht sein. Unter sämtlichen Einflüssen und Belastungen sollen die im Randverbund verwendeten Materialien über die Lebensdauer des Glases vakuumdicht und mechanisch stabil sein. Neben der Vakuumdichtheit ist eine gewisse Elastizität nötig. Diese gleicht auftretende Spannungen aus und vermeidet so Rissbildungen durch Überbeanspruchung an den Glaskanten.

Als aussichtsreichstes Randverbundkonzept gilt die Metallummantelung. Zuerst werden die Metallbänder mit dem Glas ultraschallverschweißt. Die dabei entstehende chemische Verbindung zwischen Metall und Glas ist dauerhaft dicht. Unter Vakuum werden in einem zweiten Schritt die überstehenden Metallbänder laserverschweißt. Die Einheit ist somit evakuiert und verschlossen. Abschließend wird der Metallfolien­verbund umgefalzt. Um das benötigte Vakuum sicherzustellen und zu halten, müssen die Gläser vor dem Übereinanderlegen und Verschließen vollständig von Feuchtigkeit befreit werden. Dazu nutzt man ein Plasmaverfahren.

Funktionen und Kenndaten

Vakuumisoliergläser, kombiniert mit Wärmeschutz und Sicherheitsfunktionen, decken die verschiedenen Anforderungen für Standard-, Fassaden- und Überkopfverglasungen ab.

Sowohl Wärmeschutz- als auch Sonnenschutzverglasungen können als Vakuumisolierglas hergestellt werden. Im Wärmeschutzaufbau weist VIG vergleichbare Eigenschaften hinsichtlich Energiedurchlass und Lichttransmission auf wie herkömmliche 2-fach-Wärmeschutzverglasungen, besitzt dabei jedoch die Wärmedämm­eigenschaften exzellenter 3-fach-Isoliergläser.

In der Tabelle sind die Kenndaten von 2- und 3-fach-Isoliergläsern mit sehr guten Wärmedämmwerten (Vergleichsbeispiel: Saint-Gobain) sowie von VIG im Wärmeschutzaufbau dargestellt. Aufgrund des guten Dämmwertes mit nur einer Low-E-Schicht, weist Vakuumisolierglas als einziges der Systeme selbst auf der Nordseite Nettowärmegewinne auf.

Im zweiten Teil des Beitrages in der nächsten GLASWELT werden die für Vakuumverglasungen notwendigen Produktionsanlagen beschrieben. Weiter wird es um Potenziale von Vakuumgläsern gehen und wir stellen eine spezielle PU-Kantel für den Einsatz mit VIG vor.—

Dipl.-Ing. Siegfried Glaser ist Vorsitzender des Forums Glastechnik im Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) und in den laufenden Forschungsprojekten zu den beschriebenen Vakuumisoliergläsern als ProVIG- Verbundkoordinator aktiv.

s.glaser-fmb@t-online.de | http://vig-info.de/