Mehr Durchblick beim Glas

Hoch wärmedämmende Verglasungen bieten dem Bauherrn erhebliche Heizkostenersparnis, mehr Behaglichkeit und höheren Wohnkomfort. Insbesondere die Wärmeabstrahlung muss mit einer geeigneten Wärmedämmbeschichtung weitgehend unterdrückt werden. Gleichzeitig müssen bei gegebener Wärmedämmung ein hoher Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert), eine hohe farbneutrale Lichttransmission (LT) sowie eine ästhetische Außenansicht der Fassade gewährleistet sein. Hat man den prinzipiellen Aufbau von Isolierglaseinheiten, die darin stattfindenden Wärmeverlustmechanismen und die wesentlichen Parameter zur Beeinflussung des Ug-Wertes verstanden, so erkennt man: Die zentrale Bedeutung für ein modernes Isolierglas fällt der Wärmedämmbeschichtung zu. Drei verschiedene Mechanismen bestimmen den Wärmedurchgang im Glas:

Konvektion: Die physikalische Ursache der Konvektion liegt darin begründet, dass warme Gase spezifisch leichter sind und dadurch nach oben strömen. Die Innenscheibe, die durch die Raumluft erwärmt wird, gibt die Wärme an das im Scheibenzwischenraum (SZR) befindliche Gas ab. Dabei erwärmt sich das Gas, das sich in nächster Nähe zur Innenscheibe befindet und steigt nach oben. Am oberen Ende des Isolierglases wird das Gas umgelenkt und streicht entlang der Außenscheibe wieder nach unten, wobei es sich abkühlt und die Außenscheibe erwärmt (siehe untenstehende Skizze).

Das im SZR zirkulierende Gas (die Konvektionswalze) transportiert kontinuierlich Wärmeenergie von der Innenscheibe zur Außenscheibe. Wird der SZR vermindert, vermindert sich auch das Gasvolumen und die Konvektion wird zunehmend unterdrückt.

Wärmeleitung: Bei geringeren SZRs wird ein weiterer Verlustmechanismus verstärkt, die Wärmeleitung. Die Konvektion ist weitgehend unterdrückt und das Gas erwärmt sich ausgehend von der Innenscheibe hin zur Außenscheibe.

Unter der Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften des Füllgases wird für diese beiden Verlustmechanismen ein optimaler SZR bestimmt, so dass der Ug-Wert minimiert wird. Durch den Einsatz von Edelgasen, beispielsweise Krypton können beide Verlustmechanismen weiter vermindert werden. Der SZR muss in diesem Fall entsprechend der Gaseigenschaften angepasst werden, um Ug zu minimieren. Bei Krypton wird das Minimum des Ug-Wertes bei SZR = 10 bis 12 mm erreicht.

Wärmestrahlung: Von der erwärmten Innenscheibe wird die Wärme nicht nur durch Wärmeübergang an das Gas im SZR abgegeben. Den hauptsächlichen Verlustmechanismus stellt die Wärmestrahlung dar. Die Wärmeenergie wird in Form von elektromagnetischer Energie abgestrahlt. Diese Strahlung wird vom menschlichen Auge nicht mehr wahrgenommen, doch wird sie als Wärme empfunden. Die von der Innenscheibe abgestrahlte Wärmeenergie wird in der Außenscheibe absorbiert. Dadurch erwärmt sich diese und gibt die Wärmeenergie wieder in Form von Strahlung und Wärmeübergang an die Außenluft ab (siehe Skizze auf voriger Seite).

Die Anteile der verschiedenen Verlustmechanismen zum gesamten Wärmeverlust bei optimalem SZR sind:

Darum: Um den Ug-Wert möglichst effektiv zu senken, muss die ausgehende Wärmestrahlung minimiert werden.

Unbeschichtetes Floatglas absorbiert die Wärmestrahlung nahezu vollständig. Physikalisch erklärt: Die von einem beliebigen Körper ausgehende Strahlungsleistung ist gleich der eines Schwarzen Körpers multipliziert mit dem Emissionsgrad des Körpers. Das bedeutet: Je geringer der Emissionsgrad eines Körpers, desto geringer ist die Strahlungsleistung, die von ihm ausgeht. Der Emissionsgrad ,e‘ ist bestimmt durch die Art des Festkörpers und dessen Oberflächeneigenschaften. Glatte, polierte Metallkörper (Gold, Silber, Aluminium) weisen deutlich geringere Emissionsgrade auf (e = 0,02 bis 0,05) als Floatglas (e = 0.89). Um den hohen Emissionsgrad von Floatglas zu senken (dem Floatglas also die so genannten Low-e Eigenschaften zu verleihen), wird die Glasoberfläche mit einer hauchdünnen Metallschicht überzogen. Aus physikalischen und technologischen Gründen hat sich Silber als Low-e Schicht durchgesetzt.

Zu große Emissionsgrade erfüllen die heutigen Anforderungen an die Wärmedämmung nicht mehr, zu geringe Emissionsgrade führen zu nachteiligen lichttechnischen Daten. Bei der Beschichtung „N32“ vom Beschichtungsunternehmen arcon hat man versucht, die bestmögliche Wärmedämmung bei maximalem solaren Energiegewinn und maximaler Lichttransmission zu erzielen. Dazu musste unter den neuen Randbedingungen zur Berechnung des Ug-Wertes zunächst ein geeigneter Emissionsgrad ermittelt werden. Als Entscheidungskriterium diente hierzu die Abhängigkeit vom Ug-Wert vom Emissionsgrad bei einem Standardaufbau 4/16/4 mit realistischer 90 prozentiger Argonfüllung (siehe oberstes Diagramm dieser Seite).

Bei einem Emissionsgrad von 0.05 ist der Ug-Wert glatt 1.2 W/ m2K. Beträgt der Emissionsgrad 0.04 %, sinkt der Wert auf 1.16, liegt damit aber noch knapp über der Rundungsgrenze, so dass Ug mit 1.2 W/m2K angegeben werden muss. Erst bei einem Emissionsgrad von 0.03 % sinkt der Ug-Wert das erste Mal unter die Rundungsgrenze und beträgt nun 1.1 W/m2K. Aus diesem Grund bietet arcon N32 mit einem Emissionsgrad von 0.03 die bestmögliche Wärmedämmung bei maximalem solaren Energiezugewinn und maximaler Lichttransmission. Zur Veranschaulichung, welchen Beitrag die Beschichtung zur Wärmedämmung liefert, sind im mittlerem Diagramm dieser Seite nochmals Werte von einer Zweischeibenverglasung in drei verschiedenen Ausführungen einander gegenübergestellt. Hier sieht man deutlich: Durch die Gasfüllung wird der Ug-Wert bei optimalem SZR nur um rund 0,1 W/m2K gesenkt, durch die Beschichtung um etwa 1,5 W/ m2K.

Mit wachsender Dicke einer einzelnen Silberschicht auf Floatglas fällt der Emissionsgrad. Metalle sind jedoch bekanntlich undurchsichtige Materialien. Sichtbares Licht tritt nur durch extrem dünne Metallschichten hindurch. Je dicker der Metallbelag wird, desto geringer werden Lichttransmission und g-Wert. Entsprechend steigt die Lichtreflexion an. Dieser Nachteil ist in nebenstehender Abbildung dargestellt.

Dazu ein paar Zahlen: Bei einer Silberschichtdicke mit einem Emissionsgrad von e = 0.03 wird im Standardaufbau 4/16/4 mit 90 % Argonfüllung ein Ug = 1.13 W/m2K erreicht. Die Lichttransmission beträgt dabei LT = 39 %, g = 31 % und LR = 55 %. Bis auf die Wärmedämmung werden die eingangs genannten Anforderungen wie hohe Lichttransmission, hoher g-Wert und geringe Reflexion, praktisch ins Gegenteil umgekehrt. Überdies ist eine Monoschicht Silber auf Floatglas stark korrosionsanfällig und weist eine mangelhafte mechanische Stabilität, d. h. unzureichende Kratzfestigkeit auf.

Eine einfache Silberschicht ist also von einer marktfähigen Lösung weit entfernt. Die hohe Reflexion der Silberschicht muss gesenkt werden, Kratzfestigkeit und Korrosionsschutz müssen gewährleistet sein. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird die Silberschicht zwischen mindestens zwei transparenten Metalloxidschichten angeordnet. Durch die Auswahl geeigneter Metalloxide und durch exakte Einstellung der einzelnen Schichtdicken kann die Reflexion weitgehend unterdrückt und damit Lichttransmission und g-Wert effektiv gesteigert werden. Dabei macht sich der Schichtdesigner den so genannten Interferenzeffekt an dünnen Schichten zunutze. Licht breitet sich in Form von elektromagnetischen Wellen aus. Diese können sich – ähnlich wie Wasserwellen – überlagern, wobei zwei Extremfälle, nämlich die Verstärkung und die Auslöschung möglich sind. D. h. die Wellen müssen in geeigneter Weise gegeneinander verschoben werden um jeweils den gewünschten Effekt zu erhalten. In nebenstehendem Bild ist eine einzelne Silberschicht auf Floatglas einem typischen Low-e Schichtsystem gegenübergestellt, bei dem die Silberschicht zwischen zwei Metalloxidschichten angeordnet ist. Durch die Einbettung zwischen zwei Metalloxidschichten wird die einfallende Lichtwelle an jeder Grenzfläche teilweise reflektiert und transmittiert. Im Ergebnis bedeutet das: Die Reflexion wird so effektiv vermindert, die Transmission erhöht. Bei der mit arcon N32 beschichteten Isolierglasscheibe wird durch diesen Trick die Lichttransmission auf LT = 76 % und der g-Wert auf 58 % gesteigert und gleichzeitig die Lichtreflexion auf LR = 15 % minimiert. Das optische Erscheinungsbild der Beschichtung zeichnet sich durch eine neutrale Transmission und eine brillante Außenansicht aus. Durch das Schichtdesign ist gewährleistet, dass die neutrale Brillanz der Reflexionsfarbe auch unter spitzen Betrachtungswinkeln erhalten bleibt.