Geld für Glas oder Geld für den Abfluss

Der Grundsatz der angemessenen Suffizienz gilt im täglichen Leben, wenn es um Haushaltsfragen geht. Es ist auch bei der Wahl von lichtdurchlässigen Konstruktionen von Bedeutung. Viele Jahre lang wurde ihre Wärmeleistung vernachlässigt. Das lag vor allem daran, dass es keine Einstellmöglichkeiten gab. Es war offensichtlich, dass zwei Glasschichten in einem Rahmen besser sind als eine. Und wenn die Lücken richtig abgedichtet sind, gibt es keine Zugluft vom Fenster. 

Später kamen Umfassungskonstruktionen auf der Basis von Metall-Kunststoff- und Aluminiumsystemen mit thermischer Trennung auf. Hier wurde die Wahl schwierig. Und als die Möglichkeit von drei oder vier Glasschichten, energieeffizienten Beschichtungen für verschiedene Zwecke aufkam: energiesparend, Sonnenschutz, multifunktional (Sommer und Winter in einer Flasche), Spezialbeschichtungen (leitfähig, selbstreinigend, kondensationshemmend usw.), war das Chaos noch größer. 

Vertreter von Glas- und Glasverarbeitungsunternehmen bieten Optionen für doppelt verglaste Fenster für verschiedene Anwendungen an, von Industrie-, Geschäfts- und Bürogebäuden bis hin zum Segment der Metall-Kunststoff-Fenster für das Bauwesen und den Wohnungsumbau. Gleichzeitig werden einige Merkmale von Isolierglaseinheiten und verschiedenen Glasarten manchmal vor den Kunden verborgen. Diese Eigenschaften sind dann die Ursache für Reklamationen, Unzufriedenheit und Mängel, die den weiteren Betrieb des Produkts verhindern.

In diesem Artikel werden wir versuchen, uns mit der Verglasung zu befassen. Dabei handelt es sich um eine Veränderung der Ebenheit des Glases in Isolierglaseinheiten. Dieses Phänomen ist typisch für die meisten lichtdurchlässigen Konstruktionen mit einer Fragmentfläche von mehr als 4 m2. Bei Strukturen mit kleinerer Fragmentierung ist es nicht so auffällig und verursacht in den meisten Fällen nicht die Probleme, die bei großen und mittelgroßen Verglasungen zu beobachten sind.

Wie kommt es zur Linsenbildung?

Die Auswirkungen der "Linsenbildung" oder, im schlimmsten Fall, der "Schrumpfung" — das Zusammendrücken der Glasscheiben — stehen in direktem Zusammenhang mit der klimatischen Belastung der Scheiben. Dabei handelt es sich um eine Erhöhung oder Verringerung des Gasdrucks in der Doppelverglasung im Vergleich zum Ausgangsdruck in den Kammern zum Zeitpunkt der Herstellung. Änderungen des Gasdrucks in einer Doppelverglasung sind mit Änderungen der Umgebungstemperatur und Schwankungen des Luftdrucks verbunden. Die Änderung des Drucks mit der Höhe kann aufgrund ihrer geringen Auswirkung vernachlässigt werden.

Bei der Herstellung wird entfeuchtete Luft oder Inertgas mit dem entsprechenden atmosphärischen Druck und der entsprechenden Temperatur in die Isolierglaseinheit eingeschlossen. Während des Betriebs ändern sich diese Werte ständig. Dies führt zu einer Belastung im Inneren der Isolierglaseinheit, die das Glas mehr oder weniger stark verformt. Den größten Einfluss haben Temperaturänderungen. Da das Paket hermetisch verschlossen ist, dehnt sich das Gas bei der Erwärmung in einem geschlossenen Volumen aus und erhöht den Druck. Infolgedessen wird die Isolierglaseinheit konvex. Beim Abkühlen sinkt der Innendruck, wodurch die Isolierglaseinheit schrumpft und sogar "bricht". 

Ein Beispiel für eine deutliche Veränderung des Glaszwischenraums selbst bei einem relativ geringen Temperaturabfall in einer Isolierglaseinheit ist in Abb. 1 dargestellt.

Die Änderung des Innenvolumens ist mit dem Innendruck verbunden und wird durch die Mendelejew-Clapeyron-Gleichung beschrieben. Die Belastung durch die Ausdehnung oder Kontraktion des Gases wird gleichzeitig auf zwei Arten wahrgenommen. Ein Teil der Belastung wird durch den direkten Widerstand des Glases gegen Verformung absorbiert. Der andere Teil wird durch die Änderung des Gasvolumens infolge der Verformung der Gläser kompensiert. 

Mit anderen Worten: Um die Durchbiegung der Scheiben zu berechnen, muss bestimmt werden, welcher Teil der inneren Belastung durch die Veränderung des Gasvolumens kompensiert wird und welcher Teil direkt von den Scheiben wahrgenommen wird.

Wie berechnet man die Belastung der Glasscheiben einer Doppelverglasung?

Zu Berechnungszwecken werden zwei Extremfälle als ideale Modelle betrachtet:

1. Die innere Last wird vollständig durch die Funktion der Scheiben absorbiert, wenn diese vollkommen starr sind, wie es das Charles'sche Gesetz für ideale Gase beschreibt (isochorer Prozess).

2. Die innere Last wird vollständig durch die Kompensation von Volumenänderungen absorbiert, wenn die Scheiben vollkommen flexibel sind, wie es durch das Gay-Lussac-Gesetz beschrieben wird (isobarer Prozess).

Der reale Fall sollte als ein Zwischenzustand zwischen diesen beiden Idealmodellen berechnet werden.

Im ersten Fall nehmen wir an, dass eine innere Last q von innen auf die Glasschichten im Paket wirkt. Da das Volumen der Isolierglaseinheit in diesem Fall unverändert bleibt, entspricht die innere Belastung q der Gesamtdifferenz zwischen dem atmosphärischen Druck und dem Druck im Inneren der Isolierglaseinheit ∆Рмах. Drücken wir es wie folgt aus:

Im zweiten Fall kann der Innendruck q durch die flexiblen Wände nicht in der Isolierglaseinheit gehalten werden und wird sofort in eine Änderung des Innenvolumens ΔV aufgrund der Wandverformung umgesetzt. Da es in einem solchen Modell nur eine Volumenänderung geben kann, ist diese ΔV-Änderung gleich dem Maximum ΔVмах. Drücken wir dies mit der Formel aus:

Im realen Fall, wenn beide Arten der Wahrnehmung der inneren Last beteiligt sind, kann dies mathematisch durch eine Gleichgewichtsgleichung ausgedrückt werden:

Die Änderung des inneren Volumens ΔV ist eine Funktion der Durchbiegung der Scheiben ΔV(f), und die Durchbiegung der Scheiben f ist eine Funktion der Last f(q). Mit dieser Gleichgewichtsgleichung lässt sich also der Wert des Innendrucks q iterativ bestimmen.

Wir verwenden die folgende Notation:

• Pv ist der Druck in der Kammer der Isolierglaseinheit zum Zeitpunkt der Herstellung.

• Tv ist die Temperatur des Gases in der Kammer der Isolierglaseinheit zum Zeitpunkt der Herstellung (°K).

• Vv ist das Volumen der Kammer der Isolierglaseinheit zum Zeitpunkt der Herstellung.

• Re ist der Druck in der Isolierglaseinheitskammer zum Zeitpunkt des Betriebs.

• Te — Gastemperatur in der Isolierglaseinheitskammer zum Zeitpunkt des Betriebs (°K).

• Ve ist das Volumen der Isolierglas-Einheitskammer zum Zeitpunkt des Betriebs.

Nach dem Gay-Lussac-Gesetz gilt dann ΔVмах = Vв*(Те/Тв-1).

Und nach dem Charles'schen Gesetz: ∆Рмах = Рв*(Те/Тв-1).

Jetzt müssen Sie nur noch den Temperaturwert in der Kammer der Doppelverglasung Te herausfinden.

Wir schlagen vor, zwei Methoden in Betracht zu ziehen.

Methode 1 besteht darin, den Empfehlungen führender Experten auf dem Gebiet der lichtdurchlässigen Strukturen zu folgen. Insbesondere ist die von Frau O. Kurenkova, Direktorin des Interregionalen Fensterinstituts, vorgeschlagene Formel anzuwenden. 

Te = (Tvul + Tvn) / 2,

wobei:

Tvul — Lufttemperatur außerhalb des Raumes (Straße)

Raumlufttemperatur ist die Temperatur der Luft im Inneren des Raumes (innen)

Die Methode 2 besteht darin, die Temperatur nach der Formel zu berechnen, die im Dokument SN 481-75 "Hinweise für die Planung, den Einbau und den Betrieb von Fenstern mit Doppelverglasung" angegeben ist. Dieses Dokument ist nicht mehr in Kraft, da es noch aus der Sowjetzeit stammt und keine neuen Normen zur Bestimmung der Innentemperatur von Doppelglasfenstern verabschiedet wurden. Die Formel lautet also wie folgt:

Te = k*Tvul + (1-k) * Tvn,

wobei k ein Koeffizient ist, der 0,39 für Einkammerfenster und 0,26 für Zweikammerfenster mit Doppelverglasung beträgt.

Die Ergebnisse der Berechnung nach Methode 2 für eine Ein-Kammer-Isolierglaseinheit sind in Abbildung 2 dargestellt.

Rechnen wir in konkreten Zahlen

Versuchen wir, eine Berechnung auf der Grundlage von Methode 2 durchzuführen. Nehmen wir zum Beispiel folgende Daten:

• Gastemperatur in der Kammer der Doppelverglasung zum Zeitpunkt der Herstellung Tv = +18 °C.

• Lufttemperatur außerhalb des Raumes Tvul = -20 °C.

• Lufttemperatur im Inneren des Raumes Tvn = +20 °C.

Dann

• Isotherme des mittleren Teils des Gases in der Kammer eines einfach verglasten Geräts zum Zeitpunkt des Betriebs Te = 0,39 * 20 - (1-0,39) * 20 = -4,4 °C.

• Isotherme des mittleren Teils der äußeren Kammer eines doppelt verglasten Geräts zum Zeitpunkt des Betriebs Te = 0,26 * 20 - (1-0,26) * 20 = -9,6 °C

• Isotherme des mittleren Teils des Innenraums einer Doppelverglasung zum Zeitpunkt des Betriebs Te = (-9,6 + 20) / 2 = 5,2 °C.

Für eine Einkammer-Doppelverglasung von 3 x 2 m2 mit einem Abstand von 16 mm ergibt sich

• ΔVmax = Vv*(Te/Tv - 1) = -7,39 Liter (Ausgangsvolumen = 96 Liter).

Für eine Zweikammer-Doppelverglasung von 3 x 2 m2 mit zwei 16-mm-Abständen ergibt sich

• für die äußere Kammer: ΔVmax = Vv * (Te/Tv - 1) = -9,105 Liter (Ausgangsvolumen = 96 Liter).

• Für die innere Kammer ist ΔVmax = Vv * (Te/Tv - 1) = -4,223 Liter (Ausgangsvolumen = 96 Liter).

Wie kann man verhindern, dass das Glas durchhängt?

Nach Berechnungen kamen wir zu dem Ergebnis, dass bei einer Doppelverglasung der Volumenverlust durch die Gaskühlung innerhalb der Glaseinheit fast 2-mal höher ist als bei einer Einfachverglasung. Und das ist auch zu erwarten. Aber die Volumenverteilung in den Kammern ist ungleichmäßig. Daher ist der Volumenverlust der äußeren Kammer mehr als doppelt so hoch wie der der inneren Kammer und fast ein Viertel so hoch wie bei einer Einkammer-Doppelverglasung. Eine signifikante Volumenänderung führt zu einer erhöhten Durchbiegung des Glases, was eine Linsenbildung der Isolierglaseinheiten zur Folge hat. 

Wenn die starren Eigenschaften des Glases nicht den Belastungen entsprechen, die durch den Verlust des Partialdrucks im Inneren der Isolierglaseinheit verursacht werden, ist es sehr wahrscheinlich, dass sich das Glas bis hin zum Flattereffekt der Isolierglaseinheit verformt. Ein deutliches Indiz dafür ist das Vorhandensein von Interferenzen im Bereich des Glaskontakts in Form von Newton-Ringen. Sie treten auf, wenn Licht von zwei Oberflächen reflektiert wird, von denen eine eben ist und die andere einen relativ großen Krümmungsradius hat und mit der ersten in Kontakt steht.

Bei großen Doppelglasfenstern und erheblichen Temperaturunterschieden — von +20 °C bis -20 °C — sinkt der Wirkungsgrad eines Doppelglasfensters aufgrund der Verringerung des Glaszwischenraums in der ersten Kammer, was zu einem Rückgang der Konvektionsprozesse in der Kammer führt. Diese wiederum sind für die Wärmeübertragung innerhalb der Kammer verantwortlich und sorgen für eine relative Durchschnittstemperatur im gesamten Volumen der Doppelverglasung. Dies führt auch zu einem starken Anstieg der Wärmeübertragung von der mittleren Scheibe zur äußeren Scheibe: Es kommt zu einer lokalen Unterkühlung des mittleren Teils der Isolierglaseinheit. Die Wärmemenge, die von einem stärker erwärmten Körper auf einen weniger stark erwärmten Körper übertragen wird, hängt quadratisch vom Abstand zwischen den Körpern ab. Mit anderen Worten, wenn wir den Abstand von 16 mm auf 5 mm verringern (d. h. dreimal), erhöht sich der Wärmeverlust um das Neunfache.

Sie fragen sich vielleicht, warum dieses ganze Gerede? Was kann man tun, um solche Phänomene zu verhindern?

Es gibt mehrere Möglichkeiten.

Bei großen Verglasungsformaten, bei denen die Möglichkeit besteht, dass die thermische Leistung einer Doppelverglasung deutlich abnimmt, können Sie für die äußere Kammer ein Glas mit größerer Dicke verwenden, dessen Steifigkeit die Belastung durch Druckänderungen in der Kammer ausgleicht. Es ist möglich, eine Einkammer-Doppelverglasung mit erhöhter Energieeffizienz zu verwenden. Es ist auch möglich, die Kontur der ersten Kammer der Doppelverglasung mit der von Aestech entwickelten Methode zu verstärken. Dadurch wird die Steifigkeit der Glaseinheit deutlich erhöht.

Bei der ersten Methode ist alles mehr oder weniger klar, aber ich möchte auf die zweite und dritte Methode näher eingehen.

Eine oder zwei Kammern eines doppelt verglasten Fensters — was ist besser?

Mit dem Aufkommen lichtdurchlässiger Flachglaskonstruktionen mit multifunktionalen Beschichtungen auf dem Markt hat sich die Wärmeleistung einer Einkammer-Doppelverglasung an die einer einfachen Doppelverglasung angenähert. In den Berechnungen mit dem Online-Doppelglasfenster-Konfigurator haben wir energieeffiziente Einkammer- und Zweikammer-Doppelglasfenster verglichen.

Wie aus der Berechnung hervorgeht, sind die beiden Doppelverglasungen im Idealfall in Bezug auf die thermische Leistung in Bezug auf die Energieeinsparung im Winter fast identisch, aber die Einfachverglasung gewinnt in Bezug auf die Energieeinsparung, wenn es um den Sonnenschutz geht. Und das, ohne die mögliche Verringerung des Glaszwischenraums bei einer Doppelverglasung zu berücksichtigen.

Was bedeutet der Einbau einer Doppelverglasung? Die Wahl eines anderen, breiteren und stärkeren Profils (eine Doppelverglasung ist um ein Drittel schwerer und fast doppelt so breit). Verstärkung der Tragkonstruktionen im Falle von Halterungen für den Ausbau des Fassadensystems. Dies bedeutet eine kompliziertere Montage und erhöhte logistische Risiken.

Wir rufen keineswegs dazu auf, alle Doppelglasscheiben durch Einfachglasscheiben zu ersetzen, vor allem nicht bei kleinen Formaten — in diesem Fall ist eine Doppelglasscheibe außer Konkurrenz. Bei großformatigen Verglasungen empfehlen wir jedoch die Durchführung von Festigkeits- und Wärmetechnischen Berechnungen, um die richtige Wahl der lichtdurchlässigen Strukturen zu gewährleisten, die die erforderlichen visuellen und betrieblichen Eigenschaften des Fassadensystems gewährleisten.

Die zweite Option, die unserer Meinung nach eine der wirksamsten Methoden zur Verbesserung der optischen und thermischen Leistung von Fassadensystemen darstellt, ist die Verwendung von hochfesten Doppelverglasungen, die von Aestech entwickelt wurden. Sie ermöglichen es einerseits, die Dicke der verwendeten Gläser zu reduzieren, den Linseneffekt deutlich zu verringern und ihn für das Auge fast unsichtbar zu machen. Zum anderen entfällt ein Großteil der Aluminium-Tragkonstruktionen, die aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium einen erheblichen negativen Beitrag zur thermischen Leistung des Fassadensystems leisten.

Es ist wichtig, dass die richtige Wahl des Verglasungssystems die Einmal- und Betriebskosten von lichtdurchlässigen Strukturen optimiert, so dass die Formel "Geld für Glas" funktioniert und nicht die Formel "Geld zum Fenster hinaus".

AR&D (Analytische Forschung und Entwicklung) Aestech