Forschungsprojekt - Druckentspanntes Mehrscheiben-Isolierglas

Untersuchungen zur Umsetzbarkeit von druckentspanntem Mehrscheiben-Isolierglas


Ausgangssituation

Zunehmende energetische Ansprüche an Fenster sowie der Wunsch, Bauteile wie z. B. Sonnenschutzsysteme in den Scheibenzwischenraum zu integrieren, erfordern Mehrscheiben-Isoliergläser (MIG) mit größeren Scheibenzwischenräumen. Die Physik setzt jedoch enge Grenzen, denn ein größerer Scheibenzwischenraum führt zu höheren Klimabelastungen der Scheiben und des Randverbundes.

Je größer der Scheibenzwischenraum (SZR), desto größer wird die Belastung auf Glas und Randverbund, wenn sich der Luftdruck oder die Temperatur im SZR ändern. Neben den mechanischen Belastungen kann ein Einbauchen der Scheiben auch dazu führen, dass im SZR eingebrachte bewegliche Systeme, wie z.B. Sonnenschutzsysteme, eingeklemmt und beschädigt werden. Damit ist die Bautiefe von konventionellem Mehrscheiben-Isolierglas konstruktionsbedingt beschränkt. Würde ein Druckausgleich zwischen dem Scheibenzwischenraum und der Umgebung ermöglicht, so wären diese Beschränkungen aufgehoben. Folgende Vorteile könnten erzielt werden:

  • Leichtere und vielfältigere Integration von Bauteilen jeglicher Art in den SZR (z.B. Sonnenschutzsysteme)
  • Realisierung von Isolierglas mit mehr als drei Scheiben ohne wesentliche Beschränkung der Scheibenabstände
  • Größere Bautiefe und somit Verringerung der geometrischen Wärmebrücke am Baukörperanschluss
  • Reduzierung des Wärmedurchgangskoeffizienten im Vergleich zu konventionellem Zwei- und Dreifachglas
  • Verbesserung der Luftschalldämmung (diese steigt mit zunehmendem SZR)
  • Mögliche Reduzierung der Glasdicken, da verminderte Klimalasten auf die Scheiben einwirken

  • Eine Untergruppe der druckentspannten Systeme sind Isoliergläser, bei denen nur eine einmalige Druckanpassung auf die Ortshöhe des Einbauortes vorgenommen werden muss. Dies ist notwendig bei konventionellen MIG, wenn der Höhenunterschied zwischen Herstellungs- und Einbauort bestimmte, von Aufbau und Format des Isolierglases abhängige Grenzwerte überschreitet. Die Druckanpassung kann bereits durch entsprechende Gasbefüllung bei der Herstellung erfolgen oder durch ein kurzzeitiges Öffnen der Scheibenzwischenräume am Einbauort. In beiden Fällen werden die Scheibenzwischenräume anschließend hermetisch verschlossen. Diese Isoliergläser fallen in den Anwendungsbereich der Produktnorm EN 1279, insbesondere müssen sie auch alle Anforderungen an die Dauerhaftigkeit erfüllen. Eine Argonfüllung ist möglich und üblich bei einmalig druckangepassten Systemen.


    Zielsetzung

    Dieses Forschungsvorhaben hatte das Ziel, zu untersuchen, ob und durch welche technischen Maßnahmen permanent druckentspanntes sowie (einmalig) druckangepasstes Isolierglas für eine breite Anwendung im Bauwesen umgesetzt werden können. Neben der eigentlichen technischen Umsetzbarkeit der Druckentspannung bzw. -anpassung unter üblichen Fertigungs-, Einbau- und Nutzungsbedingungen standen immer auch Fragen zur Dauerhaftigkeit der Isoliergläser im Vordergrund. Bei den permanent geöffneten Systemen war die Feuchtigkeitsaufnahme kritisch zu betrachten, bei den einmalig druckangepassten Systemen im Wesentlichen die Gasdichtheit.

    Vorgehensweise

    Die meisten Fragestellungen wurden experimentell angegangen. Das betrifft die eigentliche technische Umsetzung der Druckentspannung bzw. -anpassung sowie die Prüfung der Dauerhaftigkeit solcher Systeme. Zur Vorbereitung und Auswertung der Experimente war es aber auch notwendig, umfangreiche numerische Simulationsrechnungen anzustellen.

    Folgende Aufgaben wurden im Verlauf des Forschungsvorhabens bearbeitet:

    Dauerhafte Druckentspannung über Kapillare

  • Erstellung eines Rechenmodells zur Simulation der dauerhaften Druckentspannung eines MIG über eine Kapillare, um den Grad der Druckentspannung und die Feuchteaufnahme abschätzen zu können und geeignete Kapillardimensionen zu ermitteln
  • Experimentelle Prüfung der Druckentspannung und Feuchteaufnahme an MIG-Probekörpern in einer Klimakammer
  • Experimentelle Prüfung der Feuchteaufnahme an druckentspannten MIG-Probekörpern in einer Freibewitterung

  • Einmalige Druckanpassung über Kapillare

  • Erstellung eines Rechenmodells zur Simulation der einmaligen Druckanpassung eines MIG über eine Kapillare
  • Experimentelle Prüfung der Verarbeitbarkeit von Kapillaren verschiedenen Typs (Material, Dimensionen)
  • Experimentelle Prüfung der eigentlichen Druckanpassung
  • Experimentelle Prüfung der Dauerhaftigkeit von druckangepassten MIG mit Kapillaren verschiedenen Typs


  • Ergebnisse


    Dauerhafte Druckentspannung über Kapillare

    Kapillaren können in den Randverbund integriert werden und so den SZR mit der umgebenden Atmosphäre verbinden. Sie sind geeignet, eine dauerhafte Druckentspannung von Mehrscheibenisoliergläsern zu bewirken. Gleichzeitig begrenzen Kapillaren die Feuchteaufnahme eines MIG erheblich, so dass akzeptable Nutzungsdauern (> 20 Jahre) realistisch erscheinen. Sowohl Klimakammeruntersuchungen als auch Freibewitterungen von MIG Probekörpern haben die Vorhersagen eines im Rahmen dieses Forschungsvorhabens entwickelten Rechenmodells bestätigt.

    Die Kapillardimensionen (Innendurchmesser, Länge) müssen an das Format und den Aufbau des MIG angepasst gewählt werden, um ein ausgewogenes Verhältnis von Druckentspannung und Feuchteaufnahme zu erzielen. Das Rechenmodell kann für eine solche Bemessung der Kapillaren herangezogen werden.

    Durch entsprechende Bemessung der Kapillaren ist es möglich, den Koppeleffekt, d.h. die mittragende Wirkung der inneren Scheibe bei Windlasten, in einem MIG zu erhalten bei gleichzeitig sehr hoher Druckentspannung und ausreichender Dauerhaftigkeit.

    Das Kapillarmaterial (Edelstahl oder FEP-Kunststoff) hatte keinen Einfluss auf die Feuchteaufnahme.

    Berechnungen mit dem oben erwähnten Rechenmodell haben gezeigt, dass durch Ventile im Randverbund eine niedrigere Feuchtigkeitsaufnahme erzielt werden kann als mit Kapillaren, und zwar bei ähnlicher oder sogar geringerer Druckbelastung des MIG. Nutzungsdauern von bis zu 40 Jahren erscheinen möglich.

    Einmalige Druckanpassung über Kapillare

    Eine einmalige Druckanpassung über eine Kapillare ist prinzipiell möglich. Idealerweise erfolgt die Druckanpassung bereits während der Auf- bzw. Abfahrt auf/von einem Berg. Es ergeben sich jedoch Einschränkungen, die in erster Linie aus der technischen Umsetzbarkeit resultieren. Die automatisierte Fertigung (insbesondere Versiegelung) wird u.U. durch eine Metallkapillare im Randverbund behindert oder sogar unmöglich gemacht. Das gasdichte Verschließen von Metallkapillaren hat sich als schwierig erwiesen. Die Kapillare muss grundsätzlich als potenzielle Fehlstelle im Randverbund betrachtet werden. Die Anforderungen an die Fertigungsqualität müssen bei einem MIG mit Metallkapillare noch höher angesetzt werden als bei einem konventionellen MIG. Kunststoffkapillare scheiden als Alternative aus. Sie lassen sich zwar gut verarbeiten, aber Kunststoffe sind nicht gasdicht. MIG mit Kunststoffkapillare können daher die Anforderungen der Norm EN 1279-3 nicht erfüllen.

    Projektinformationen


    Projektleiter:
    Dipl.-Phys. Norbert Sack

    Projektmitarbeiter:

    Dr. Ansgar Rose

    Projektlaufzeit:
    01.07. 2012 bis 30.6.2015

    Downloads


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