Vakuumverglasung: Technologie mit Zukunft

Klimawandel und Deutschlands CO2-Sparziele sind national und international aktuelle Diskussions- und Handlungsthemen. Energieeinsparung gilt unverändert als wirksamste Form der Energiegewinnung. Glas und Fenster gehören zu den wichtigsten Bauteilen in der Architektur, mit denen Energie eingespart und Sonnenenergie genutzt werden kann. Zentraler Bestandteil der Fenster ist das Glas mit einem Anteil von 80 bis 90 %. Benötigt werden „schlanke“ Rahmen mit einem Uf -Wert von möglichst < 0,8 W/m²K und hochwärmedämmende und multifunktionale „schlanke“ Gläser mit einem Ug- Wert von < 0,7 W/m²K. Die kommende verschärfte EnEV bedeutet, dass im Neubau die Anforderungen an Fenstersysteme nur noch mit 3-fach-Isoliergläsern realisierbar sind. Durch 3 Gläser, 2 Schichten, mindestens 14 mm SZR und Argonfüllung werden Ug- Werte von 0,7 W/m²K erreicht. Die sehr guten Ug-Werte von 3-fach-Isolierglas mit Kryptonfüllung von 0,5 W/m²K haben kaum Chancen, da das Edelgas sehr kostenintensiv ist. Standardprodukt für energieeffiziente Verglasungen ist im Moment also das 3-fach-Isolierglas, allerdings mit wesentlichen Nachteilen:

Mit Vakuum-Isolierglas (VIG) sind exzellente Dämmwerte bei schlankem Aufbau und geringem Gewicht möglich. Bei Verwendung hocheffizienter low-e-Schichten mit Emissionsgraden < 0,03 und thermisch optimierter Stützen erreicht man Ug-Werte < 0,5 W/(m2K). Mit einem Systemaufbau von weniger als 10 mm, bei 4 mm Glasdicke, ist Vakuum-Isolierglas deutlich schlanker und leichter als herkömmliche Isolierverglasungen.

Ein japanisches und ein chinesisches Unternehmen bieten Vakuumglas am asiatischen Markt an, allerdings mit Ug- 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 konnte die prinzipielle Machbarkeit eines VIG mit einem Ug-Wert von 0,5 W/(m2K) gezeigt werden. Neben der Entwicklung eines gasdichten Randverbundes wurden die mechanischen Eigenschaften von VIG mit einem speziellen thermischen Lastwechselverfahren untersucht.

Im Anschlussprojekt ProVIG (www.vig-info.de) erfolgt die Entwicklung und praktische Erprobung von Produktionstechniken für VIG, die bis 2010 verfügbar sein sollen und die Material- und Systemprüfungen zur Sicherstellung der Funktionen und Langzeitstabilität.

Bei konventionellen Wärmeschutzverglasungen mit IR-reflektierenden Beschichtungen (low-e-Schichten) verursacht die Wärmeleitung des Füllgases im Scheibenzwischenraum einen Großteil des Wärmedurchganges. Dies kann durch Evakuieren des Scheibenzwischenraumes deutlich reduziert werden. Die Dämmwirkung des evakuierten Zwischenraumes ist kaum noch vom Scheibenabstand abhängig, so dass dieser auf Werte < 1 mm reduziert werden kann. Dies ermöglicht sehr schlanke VIG-Aufbauten. Um den auf den Scheiben lastenden Atmosphärendruck von 10 Tonnen pro m2 aufzunehmen, müssen im Scheibenzwischenraum in regelmäßigen Abständen kleine Stützen angebracht werden.

Diese Stützen, mit einem Durchmesser von lediglich 0,5 mm, behindern die Durchsicht nicht und können überhaupt nur aus nächster Nähe wahrgenommen werden. Um den benötigten Unterdruck von unter 10–3 hPa aufrechtzuerhalten, 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 Überbeanspruchungen 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 vakuumdicht. 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. Hierzu wird ein Plasmaverfahren genutzt.

VIGs mit Wärmeschutz und Sicherheitsfunktionen decken die unterschiedlichen 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 Zweischeiben-Wärmeschutzverglasungen, besitzt dabei jedoch die Wärmedämmeigenschaften exzellenter Dreifachisoliergläser. In der Tabelle sind die Kenndaten von Zwei- und Dreischeibenisolierglas mit sehr guten Wärmedämmwerten (Vergleichsbeispiel: Saint Gobain) sowie von VIG im Wärmeschutzaufbau dargestellt. Aufgrund des guten Dämmwertes mit nur einer low-e-Schicht weist VIG als einziges der Systeme selbst auf der Nordseite Nettowärmegewinne auf.

Bei den bisher verfügbaren VIG müssen die Einheiten bei der Vakuumerzeugung durch einen Evakuierstutzen in einer Scheibe über mehrere Stunden abgepumpt und dabei unter hoher Temperatur (400 °C) gehalten werden, bis alle Feuchtigkeit im Scheibenzwischenraum entfernt und der Stutzen verschlossen ist. Neben den langen Prozesszeiten erlauben die hohen Temperaturen nur den Einsatz von Hardcoatings mit e ø 0,2 und gleichzeitig werden thermische Vorbehandlungen (z. B. ESG) geschädigt.

Im Rahmen von ProVIG erfolgt die Entwicklung neuer Produktions- und Verfahrenstechniken, die auf die einzusetzenden Vorprodukte und eine industrielle Serienfertigung abgestimmt sind. Gleichzeitig werden Material- und Systemtests durchgeführt, damit ein Versagen einzelner Komponenten und Verbunde über die Lebensdauer ausgeschlossen ist und eine Langzeitstabilität der VIG von > 25 Jahre sichergestellt wird.

Der geplante VIG-Herstellprozess ist in drei Bereiche gegliedert: Vorfertigung, Entfeuchten/Fügen und dann Endbearbeitung und Qualitätsprüfung.

Im Bereich der Vorfertigung werden die Metallbänder umlaufend mit den Glasrändern ultraschallverschweißt und die Stützen gesetzt. In einer Vakuumanlage erfolgt das Plasma-Reinigen der Glasflächen, das Fügen der VIG-Einheit und das Laserverschweißen der Metallbänder. Unter atmosphärischen Bedingungen wird der überstehende Bandverbund umgefalzt und die Qualitätsprüfung vorgenommen.

Die Prozesse und Verfahren werden in der ersten Phase mit Versuchsanlagen und Vorrichtungen für Testscheiben (ca. 1000 x 1000 mm) entwickelt, getestet und optimiert. Begleitend erfolgen Material-, Komponenten- und Systemtests.

In einer Vakuumanlage werden die Prozesse Plasma-Reinigen, Fügen und Verschweißen getestet und optimiert. Test- und Ansichtsmuster (1000 x 1000 mm) stehen seit kurzem zur Verfügung und werden für Feldversuche und Referenzanwendungen eingesetzt.

Nach Bewertung der Ergebnisse mit den Versuchsanlagen wird ein VIG-Demonstrator konzipiert und gebaut. Ab Mitte 2009 sollen mit dem Demonstrator VIGs bis max. 2500 x 1500 mm in unterschiedlichen Systemaufbauten hergestellt, getestet und für Anwendungen bereitgestellt werden.

VIG bietet exzellente Dämmeigenschaften bei schlankem Aufbau und geringem Gewicht. Das Einsatzspektrum reicht über Fassaden, hochwärmedämmende Fenster, Leichtglaskonstruktionen für Überdachungen, gebäudeintegrierte Photovoltaik bis hin zu Fahrzeugen und Kühlgeräten.

Neben der Verglasung bildet der Fensterrahmen die wichtige wärmetechnische Schnittstelle zur Fassade und Gebäudehülle. Prinzipiell benötigen hochwärmedämmende Verglasungen wie z. B. Vakuumisolierglas entsprechend wärmetechnisch optimierte Fenster- und Fassadensysteme.

Um für das schlanke Vakuumisolierglas eine thermisch optimierte und gleichzeitig architektonisch ansprechende Lösung bereitstellen zu können, wird in einem ebenfalls vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Projekt (www.hwff.infoo) an der Entwicklung einer hochwärmedämmenden Rahmenkonstruktion gearbeitet. Mittels neuartiger Fertigungsmethoden konnte ein Rahmenprofil mit einem Uf-Wert von 0,7 W/m2K bei einer Rahmentiefe von nur 90 mm konzipiert, hergestellt und getestet werden (Top Therm 90). Mit einer Vakuumisolierverglasung der Standardgröße 1,23 m x 1,48 m mit Ug = 0,5 W/m2K erreicht diese neue Konstruktion einen UW-Wert von nur 0,7 W/m2K.

Vakuumisolierglas bietet eine interessante Alternative zu den heute handelsüblichen schweren und dicken Dreifachverglasungen. Vor allem dort, wo es um die Nutzung solarer Wärmegewinne geht, besitzt VIG deutliche Vorteile in der Energiebilanz. Die Machbar- keit von Vakuumisolierglas mit Ug ø 0,5 W/m2K ist sichergestellt. Beste Energieeffizienz bei niedrigem Gewicht ermöglichen schlanke Konstruktionen mit großer Gestaltungsfreiheit und einfache Verarbeitung. Produktionstechniken für VIG werden entwickelt und werden bis 2010 zur Verfügung stehen. Material- und Systemtests bestätigen bis Ende 2009 die Funktions- und Langzeitstabilität und Referenzanwendungen sind bewertet.

Parallel erfolgen die Entwicklungen und Tests hochwärmedämmender und schlanker Rahmensysteme unter Einbeziehung der Vorteile von VIG. ■

Anlässlich der glasstec 2008 wird zu beiden Themen auf dem Symposium am 24. Oktober 2008 informiert. Entwicklungsergebnisse von VIG und Top Therm 90 findet man während der Messe beim Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. (Stand 11/B42), bei Grenzebach Maschinenbau GmbH (Stand 11/B26 und 15/C33) und bei BBG GmbH & Co. KG (Stand 11/B20).