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Niedrig emittierende Schichten zur - Energieeinsparung und - Verringerung des Außenbeschlagrisikos bei Gebäudeverglasungen Hans Joachim Gläser, Gummersbach.

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Präsentation zum Thema: "Niedrig emittierende Schichten zur - Energieeinsparung und - Verringerung des Außenbeschlagrisikos bei Gebäudeverglasungen Hans Joachim Gläser, Gummersbach."—  Präsentation transkript:

1 Niedrig emittierende Schichten zur - Energieeinsparung und - Verringerung des Außenbeschlagrisikos bei Gebäudeverglasungen Hans Joachim Gläser, Gummersbach Vortrag FH Gummersbach 1

2 Gliederung meines Vortrags - Physikalisache Grundlagen - Materialkunde - Glasprodukte mit niedrig emittierenden Schichten 2

3 ‘Dröppelmina’ Frage: Was haben diese beiden Gefäße gemeinsam? Mit ihnen kann man Kaffee lange Zeit warm halten! 1. Physikalische Grundlagen Thermoskanne Beide Gefäße wirken wärmeisolierend! Dewar-Gefäß doppelwandig einwandig Zinnkanne 3

4 Wie fließt Wärme? Physikalischer Formalismus: Strahlung Q Str =  *  *(T 1 4 – T 2 4 )  = thermisches Emissionsvermögen; ( materialspezifisch; Sn:  = 0,03; Glas:  = 0,84) Konvektion konv. W.-Übergang Q K =  *(T 1 – T 2 ) Wärmeleitung (bei Gasen)   = konvektiver Wärmeübergangskoeffizient (z. B. von Luftbewegung abhängig) Heiße Oberfläche T 1 z. B. 100 °C Konvektion (Q K ) Wärmeleitung (Q WL ) Umgebung T 2 z.B. 20 °C 4 Q gesamt = Q WL + Q K + Q Str Abstrahlung ist Oberflächeneffekt! Strahlung (Q Str )

5 5 T 1 = 100 °C Schema Dröppelmina; einwandig! Umgebung T 2 = 20 °C  = klein (im Raum) außen  = 0,03 (Sn; Ag) Wie isoliert die ‘Dröppelmina’? Wegen  = 0,03 ist Q Str ≈ 0 (Oberfläche muss blank sein!) Wegen T 1 – T 2 = 80 K ist Q K > 0, jedoch rel. gering!

6 6 100 °C Schema Thermoskanne; doppelwandig!  ≈ 0.84 (Glas)  = 0; Vakuum! Umgebung T 3 z.B. 20 °C T 2 ~20 °C außen Zwischenraum Wie isoliert die ‘Thermoskanne’? Da T 1 ~ T 3 folgt: nahezu kein Wärme- fluss zur Umgebung! Wegen  = 0,02 ist Q Str ≈ 0; Wegen  = 0 ist Q K = 0! Ag-Schicht mit  ~ 0,02 Der Kaffee bleibt in der Thermoskanne länger warm als in der Dröpelmina, weil Q K = 0 ist!

7 ‘Dröppelmina’Thermoskanne Dewar-Gefäß doppelwandig einwandig Die ‘Dröppelmina’ und die ‘Thermoskanne’ repräsentieren die beiden typischen Anwendung von niedrig emittierenden Oberflächen (Schichten) bei wärmedämmenden Produkten.

8 8 2. Materialkunde Welche Materialien sind in Schichtform transparent und haben niedriges Emissionsvermögen? Materialien Optische Eigenschaften für Sonnenstrahlen Thermisches Emissions- vermögen  El. Flächen- widerstand R □ (Ohm) Ag (Au, Cu) Filterwirkung für Schichtdicken d = 10 – 30 nm 0,01 - 0,05 (1 – 5%) Metalloxide (TCO) z.B. In 2 O 3 :10%Sn (ITO), SnO 2 :1-2%F (TFO) Filterwirkung für d = 200 – 300 nm 0,1 – 0,2 (10 – 20%) Korrelation zwischen R □ (el. Leitffähigkeit, Elektronendichte) und  Die Theorie ergibt:  = 0,0106* R □ (  ) = 1 –  IR  (%) = 1,06*R □  ) = 100 –  IR (%) R □ = r/d = 1/(  *d);  = e*  *N

9 9 d ~ 11 nm; R □ ~ 2  Plasmaresonanzkante Schichtdicke d Warum sind Ag, Au und Cu und in dünnen Schichten neben niedrig emittierend auch transparent? T/R-Spektrum von Ag-Schichten (analog Au- u. Cu-Schicht) (schematisch) el. Leiter W.-Strahlen ( ~ 10  m) Refl. W.-Strahlen (  IR )  IR = 0  IR = hoch  IR = gering   =  IR = 1 -  IR Ag- (Au- und Cu)Schichten:  sichtbar = hoch;  IR ~ 0  sichtbar = niedrig;  IR = hoch ≡  = niedrig Ag-(Au- und Cu)Schichten sind für Sonnenstrahlen selektiv! Au und Cu haben Absorptionen in sichtbaren Bereich und sind deshalb farbig; Ag absorbiert nur im UV und ist deshalb farneutral!

10 10 Spektren für In 2 O 3 :Sn (ITO)-Schicht (analog SnO 2 :F-Schicht) Spektren analog wie Ag-(Au-,Cu-)- Schichten, jedoch Elektronendichte ist um Faktor 100 geringer →  IR niedriger (≡  R □ höher). Physikalische Deutung: P. Drude, Marburg (1900)

11 11 3. Produkte mit transparenten niedrig emittierenden Schichten - Lichtquellen - Gebäudeverglasungen - Kfz-Verglasungen - Solarkollektoren

12 12 3. Glasprodukte mit niedrig emittierenden, transparenten Schichten 1.Glasprodukt Na-Niederdrucklampe (Fa. Philips, Aachen), Anfang 1060er Jahre– - Anwendung des Thermoskannen-Effektes Lichtausbeute: 200 lm/W (heute noch Weltrekord) ; Nachteil: gelbes Licht Vergleich: Glühbirne ≤ 15 lm/W Leuchtstofflampe: ≤100 lm/W Vorschläge der Fa. Philips in den 1960er Jahren Wärmedämm-Isoliergla s (Flachglas-Produkt) Prinzip: abgerollte ‘Thermoskanne’Prinzip: ‘Thermoskanne’ Die Zeit war damals noch nicht reif für diese Produkte! 1. Energiesparhaus von Philips in Aachen Mitte 1970

13 13 Problemstellung der Flachglasindustrie war in den1960er Sonnenschutz Grund: Aufkommen des Glasfassadenbaustils (Bauhaus) mit der Folge hohe Klimatisierungskosten wegen des Treibhaus-Effektes (s. Wintergärten im Sommer) Energetische Aufwand für Kühlung ist 3- bis 4-mal so hoch wie für Heizung! Au-Schicht-Spektrum für Sonnenschutzscheibe; reflektierender Sonnenschutz für d ~ 20 nm (Wärmedämmwirkung interessierte damals noch nicht!) Luft Aufbau Sonnenschutz-Isolierglas mit Wärmedämmeffekt außeninnen

14 14 1. Sonnenschutzscheibe auf Basis Au verglast im ‘Rheingold, Fa. Heraeus/DETAG Eine der 1. S.-Schutz-Verglasungen in der BRD, Kreisverwaltung GM; Gold 40/26 Lichtdurchlässigkeit (TL): 40% Gesamtsonnenenergiedurchlass (g): 26% Selektivitätskennzahl: TL/g Pioniertat!

15 15 ZDF-Verwaltung, Mainz; Auresin 39/28, Fa. FLACHGLAS AG Basis: Goldschichtsystem Weltstadthaus, Köln; ipasol 67/34, Fa. Interpane Basis: Silberschichtsystem

16 16 Beginn der Anwendung der Wärmedämmscheiben bei Wohnhaus- Verglasungen 1974 (1. Energiekrise) Ca. 30 % der Heizenergie geht durch die Fenster verloren; Fensterverglasung drohte auf Bullaugen-Größe zu schrumpfen! Einfach- Verglasung Isolierscheibe ‘Thermopane’) U g -Wert 5,8 W/(m 2 K) 3,0 W/(m 2 K) Vergleich: U-Wert einer Wand damals 0,6 - 0,8 W/(m 2 K) Luft U = Wärmedurchgangskoeffizient (Wärmedämmmaßzahl) W/(m 2 K) Damaliger Stand der Technik bei Verglasungen in Wohngebäuden

17 17 Wie funktioniert der Wärmeverlust bei einer Isolierscheibe und wie kann er reduziert werden? Optimierungsmöglichkeiten des U-Wertes:  einer Oberfläche reduzieren; Gasfüllung des ZR mit Argon; Zwischenraumbreite erhöhern! Zwischenraum 12 mm; Luft gefüllt Zwischenraum 16 mm Argon gefüllt W.-Strahlung Anteil: 2/3 Schicht  ~ 0,02 W.-Strahlung Anteil: ~ 0 W.-Leitung u. Konvektion Anteil :1/3 W.-Leitung u. Konvektion Anteil: 1 Glasscheiben U g ~3W/(m 2 K) U g ~1W/(m 2 K)

18 18 Was sind die Anforderungen an eine Wärmedämmscheibe? - Niedriger U g -Wert des Isolierglases - Hohe Lichtdurchlässigkeit (TL) - Hohe Sonnenenergieduchlässigkeit (g) (≡ großer S.-Kollektoreffekt!!) - Farbneuralität in Durch- und Außenansicht - preisgünstig Argon außeninnen Aufbau eines Wärmedämmglases 16 mm  = 0,02- 0,05 1. Ausführung der Wärmedämmschichten: - Bis Anfang der 1990er dünne Goldschicht d Au ~ 15 nm TL = 60%; g = 57%; U g = 1,5 W/m 2 K Problem: Farbigkeit Realisierung - Ab 1979 dünne Silberschichten d Ag ~ 11 nm TL = 80%; g = 64%; U g = 1,1 W/m 2 K Problem: Solarisation

19 19 Gründe, warum sich die Ag-Schichten durchgesetzt haben: - kleinstmögliches  (~0,02)(Vergl. Gold-Schicht  ~ 0,05) - kleinstmögliche solare Absorption; höchstmögliche solare Transmission - Farbneutralität in Außenansicht und Durchsicht Typischer Aufbau einer Wärmedämmschicht auf der Basis eines Ag- Schichtsystems (seit Ende der 1970er Jahre (Fa. Interpane, Laurenförde)) ~40 Atomlagen Zwischen- schichten d = 2 – 3 nm

20 20 Prinzip des Beschichtungsverfahrens mit Sputtern (Kathodenzerstäuben) Analogon: Effekt der Alterung der Leuchtstoffröhre

21 21 Schema der Beschichtungsanlagen (Basis Sputtern) Scheibengröße: 3,20 m x 6,00 m Prod.-Kapazität: bis 10 Mio. m 2 /a bis zu 150 m Anlagenpreis: ~ 20 Mio € Schichtkosten: ~ 1 €/m 2

22 22 Entwicklung und Markt der Wärmedämmscheiben Einfach- scheibe ‘Thermopane’Wärmedämmscheibe Dreifach- Wärmedämmscheibe bis 1974 ab 1974, heute Standard zukünftiger Standard U g (W/(m 2 K): 5,8 3,0 1,1 – 1,2 0,6 – 0,8 Argon Luft U w (W/(m 2 K): 4.8 – 5,2 2,6 – 3,0 1,1 – 1,8 0,8 – 1,1 Produktion von W.-Dämmschichten (2013): BRD: ~45 Mio. m 2 /a; Europa: ~ 120 m 2 /a; weltweit: ?? Mio. m 2 /a Promotor in BRD: staatl. Wärmeschutzverodnungen (ENEVs)!

23 Zukunftsvision: Energieneutrale Verglasung  Niedrig emittierende Schichten (rot markiert) werden auch bei zukünftigen Verglasungen fester Bestandteil sein.  Problem aller energieneutralen Verglasungen: Außenbeschlag (blau markiert) kann bei Nacht schon bei bedecktem Himmel auftreten. Die Vermeidung von Reifbeschlag wäre schon ein großer Fortschritt! 4-fach-W.-DämmscheibeKastenfenster Vakuum-Scheibe (VIG) 23 Verluste während der Nacht werden durch solare Energiegewinne bei Tag kompensiert (Anpassung an Null-Energiehaus) Anfoderung an die Verglasung: U g ~ 0,4 W/(m 2 K) u. hohe solare Energietransmission

24 Glas 24 Wann tritt bei Gebäudeverglasungen Außenbeschlag auf? - nachts (keine Sonneneinstrahlung) - sternklarer Himmel (t Hi. = t a – 19 °C) - möglichst Windstille - Luftfeuchte hinreichend hoch - Niedriger U g -Wert (hohe W.-Isolation) Raum Q Raum klein, weil U g klein ist! Q Hi. hoch wegen  = 0,84 t Oberfläche Raum Q Raum Q Hi. Absenkung t Oberfläche t außen Was sind die Potentiale? Natur sucht Ausgleich bis: Q Hi. = Q Raum Wenn t Oberfl. ≤ t außen existiert Beschlagrisiko! Reduktion durch niedriges  außen! t außen Worst-case- Witterungsbedingungen

25 Beschlagverhinderung durch niedrig emittierenden Schichten auf der Außenoberfläche - Anwendung des ‚Dröppelmina-Effekts‘ Dachfensterverglasung  = 45°, Fa. Interpane E&B 2002/2003 U g = 0,7 W/m 2 K U g = 1,0 W/m 2 K  = 0,17, SnO 2 :F-Schicht  = 0,84, unbeschichtet 25 Effekt funktioniert! Herausforderung : Witterungsbeständigkeit der Schichten!! Beschlaghäufigkeit/a U g = 0,7 W/(m 2 K)U g = 1,0 W/(m 2 K)  = 0,17  = 0,84  = 0,17  = 0,84 (Tage) Keine Unterscheidung zwischen Tau- und Reifbeschlag! Die Außenoberflächentemperatur wird durch niedriges  über den Taupunkt angehoben.

26 26 1.Für tiefere Innraumtemperaturen t i sind kleinere  notwendig sind. Berechnung: Mit welchen  -Werten ist für welche U g -Werte Reifbeschlagfreiheit (Oberflächentemperatur > 0 °C) zu erreichen? 2. Mit  können alle derzeitig vermarkteten Fensterverglasungen reifbeschlagfrei gehalten werden. 3. Für energieneutralen Verglasungen sind witterungsbeständige Schichten mit  ~ 0,1 bis 0,15 notwendig. Hier besteht Entwicklungsbedarf!

27 27 Berechnung: U g -Wertverbesserung mit niedrig emittierenden Schichten auf der Außenoberfläche Der Einfluss von  auf die U g -Wert-Verbesserung nimmt mit fallendem U g -Wert ab! R Scheibe R Raum-Scheibe R Scheibe-außen. Grund: Raumaußen

28 28 Schicht Witterungs- Beständigkeit (ko-Kriterium) Trans- parenz Therm. Emissivität Aussehn/ Ästhetik Verfüg- barkeit Kosten Aumöglich befrie- digend okfarbigvorhandenhoch Agnicht möglich sehr gut ok vorhandenok SnO 2 :F TFO bewiesen befrie- digend okz. Z. ?vorhandenok? In 2 O 3 :Sn ITO bewiesen sehr gut ok sehr begrenzt hoch Herausforderung: witterungsbeständige niedrig emittierende Schichten Die ITO-Schichten (In 2 O 3 :Sn, dereinst von Fa. Philips entwickelt) werden heute nahezu ausschließlich in China hergestellt und für nahezu alle elektr. Anzeigen eingesetzt. Derzeitige Produktion nur für Displays ohne TV-Bildschirme: 30 Mio. m 2 /a Hoffnung: Graphen-Schichten (Novoselov u. Geim; Nobelpreis 2010)

29 29 Zusammenfassung Mit Hilfe von niedrig emittierenden Schichten konnte in den letzten 40 Jahren der U g -Wert von Gebäudeverglasungen um einen Faktor 10 von ~6 W/(m 2 K) (Einfachverglasung) auf 0,6 W/(m 2 K) (Dreifach-Verglasung) gesenkt werden. (Vorbild für E-Autos?!) Die staatl. ENEVs waren maßgeblicher Promoter dieser Entwicklung. Eingesetzt werden heute bei Gebäudeverglasungen als niedrig emittierende Schichte weltweit ausschließlich Ag-Schichten. Zu erwarten sind in Zukunft energieneutrale Verglasungen mit U g -Werten von ~ 0,4 W/(m 2 K) auch auf der Basis von Ag-Schichten. Dem Außenbeschlagsrisiko dieser Verglasungen kann mit niedrig emittierenden Schichten auf der Außenoberfläche entgegen gewirkt werden. Für eine witterungsbeständige Schicht, die gleichzeitig kostengünstig und effizient ist, besteht noch Entwicklungsbedarf.

30 30 Ich bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit!

31 31 Reiffreie Windschutzscheiben Einfachdurch niedrig emittierenden Schichten auf der Außenoberfläche - interessant bei Laternengaragen im Winter Quelle: IST, BS Außenbeschlagtest ITO-Schicht außen unbeschichtet Außenbeschlag kann auftreten, wenn die Kabineninnenraumtemperatur unter die Außentemperatur sinkt. Charakteristika der Kabine : Niedrige W.-Kapazität u. Einfachverglasung

32 32 Mit welchem  kann Außenbeschlag vermieden bzw. reduziert werden? Temperatur t a t os Q Hi. ( , t Hi., t os,  ) Verglasung Q K (t a., t os,  ) Außenraum nachts Q Verlust Endpunkt der Abkühlung, wenn t os so tief abgesenkt ist, dass Q Hi. = Q K, dann folgt Q Verlust = 0, d. h. t os = t i. Berechenbarer strationärer Fall = Endpunkt der Abkühlung Kfz-Kabine

33 33 Die Ergebnisse können durch gleichzeitige Messung der Kabinenlufttemperatur t i und der Außenlufttemperatur t o überprüft werden! Folgerungen: Niedrig emittierende Schichten - verringern das Außenbeschlagrisiko Höhere Fahrsicherheit bei Reifbeschlagbedingungen! - verringern die Kabinenauskühlung (Kühlschrank-Effekt) bei Nacht; geringerer Aufheizenergie morgens. Sinnvoll bei E-Autos! *Bei Beschlag auf der Scheibenaußenseite; t o = Außenlufttemperatur Simulationsergebnisse für maximale Kabinenabkühlung bei Nacht

34 34 Anwendung von niedrig emittierenden Schichten auf der Außenoberfläche von Flachkollektoren Isolierglasaufbau c = 5 kJ/(K*m 2 ) Niedriges  verlangsamt die Abkühlung bei Nacht! Nachtfall (Q sol = 0)

35 35 Der Einfluss des thermischen Emissionsvermögens auf den solaren Wirkungsgrad von Flachkollektoren (Tagfall; Q sol > 0 ) - Niedriges  erhöht den solaren Wirkungsgrad (≡ S.-Kollektoreffekt) - Sein Einfluss ist bei niedrigem Q sol hoch; mit wachsendem Q sol abnehmend. Vorteilhaft für Heizperiode! Ergebnisse sind auf Gebäude-und Kfz-Verglasungen übertragbar!  = 0,2

36 36 Zusammenfassung Anwendung der transparenten, niedrig emittierenden Schichten Thermoskannen-Effekt Erhebliche Erhöhung der Wärmeisolation (Energieeinsparung) Einsatz: Na-Dampf-Niederdrucklampe u. Isoliergläsern für den Hochbau Schichten: Basis TCO und Ag (weltweit) Dröppelmina-Effekt - Nachteffekte Verringerung des Außenbeschlagrisikos Verringerung der Abkühlgeschwindigkeit Verringerung des Abkühlniveaus D. h.: Kühlschrank-Effekt der Verglasung wird abgeschwächt! - Tageffekt Erhöhung des solaren Gewinns bei niedrigem Q sol D. h.: Selektive Erhöhung des S.-Kollektor-Effektes Heutige Anwendung des Dröppelmina-Effektes Bei Gebäude- und Kfz-Verglasungen in Erprobungsphase (ITO-Dilemma) Bei S.-Kollektorverglasung in Studienphase Angewandte Schichten: Ausschließlich TCOs


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