Wärmeschutzverglasung

Wärmeschutzverglasung | Arten und Anwendungen von Verglasungen

Isoliergläser werden als Wärmeschutzgläser (oder auch Wärmedämmgläser) bezeichnet, wenn mindestens eine der Scheiben beschichtet ist. Mit der Beschichtung kann der Verlust der Wärmedämmung aus dem Wärmestrahlungsanteil erheblich verringert werden.

Die Beschichtungen bestehen aus Edelmetallen oder Metalloxiden. Um eine Beschädigung bei der Nutzung und Reinigung zu vermeiden, sind sie meist im Scheibenzwischenraum angeordnet, normalerweise auf der Position 3, d.h. der Außenseite der inneren Scheibe des Isolierglases

  • Pos. 1 = Außenseite Außenscheibe
  • Pos. 2 = Innenseite Außenscheibe
  • Pos. 3 = Außenseite Innenscheibe
  • Pos. 4 = Innenseite Innenscheibe

Wird die Beschichtung in Sonderfällen auf Pos. 2 angeordnet, kann sich der visuelle Eindruck bei Betrachtung der Gläser verändern. Zur Zeit wird der überwiegende Anteil von Isolierverglasungen im Bereich von Wärmeschutzgläsern eingesetzt.

Wärmeschutzverglasung in Berlin

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Wärmedämmung mit Glas

Ohne besondere Maßnahmen eignet sich Glas nicht besonders gut als Wärmedämmmaterial. Das Maß für den Wärmeverlust ist der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert), je kleiner dieser Wert, desto besser „dämmt“ ein Material. Bei Einfachglas üblicher Dicken beträgt er 5,8 W/m²K, konventionelles Isolierglas ohne Beschichtung oder herkömmliche Doppelverglasungen erreichen etwa 3,0 W/m²K. Bei Verwendung von beschichteten Wärmeschutz-Isoliergläsern kann der U-Wert auf rund 1,4 W/m²K bis 1,7 W/m²K gesenkt werden. Zusatzmaßnahmen wie das Befüllen des Scheibenzwischenraums mit Edelgasen und die Verwendung von Edelstahl oder Kunststoffen als Randverbund bewirken eine Senkung bis ca. 0,9 – 1,0 W/m²K. Mit Dreifach-Isolierglas können heute sogar Werte bis 0,4 W/m²K erreicht werden, das bedeutet über zehnmal geringere Wärmeverluste als bei Einfachglas.

Der Wärmetransport kann über die Mechanismen Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung beschrieben werden. Die Wärmeleitung beschreibt den Wärmetransport in Feststoffen wie etwa dem Fensterrahmen und dem Randverbund, aber auch dem im Scheibenzwischenraum verwendeten Füllgas. Als Wärmekonvektion wird der Wärmetransport durch bewegliche Teile beschrieben. Dieser Mechanismus spielt beim Füllgas im Scheibenzwischenraum in Kombination mit der Wärmeleitung des Gases eine zentrale Rolle. Grundsätzlich gilt: Je leichter die Gasmoleküle, desto mehr Wärme wird transportiert. Deshalb werden im Scheibenzwischenraum schwere Edelgase verwendet. Die Wärmestrahlung beschreibt den Wärmetransport über elektromagnetische Wellen. Im Gegensatz zur Wärmeleitung und Wärmekonvektion findet dieser Mechanismus auch im Vakuum statt.

Wärmefluss durch Isolierglas

Aus wärmetechnischer Sicht sind Glasflächen die Schwachstellen eines Gebäudes. Im Vergleich zu früher konnte die Wärmedämmung von Verglasungen in Fenstern und Fassaden jedoch erheblich verbessert werden. Verantwortlich dafür ist u.a. der Einsatz von Mehrscheiben-Isoliergläsern, aber auch die Verwendung von metallischen, sehr dünnen und nicht sichtbaren Beschichtungen sowie von Edelgasen im Scheibenzwischenraum.

Wärmefluss außerhalb der Scheibenkante
Der Wärmefluss in Isolierglas wird außerhalb der Scheibenkante grundsätzlich durch drei Anteile bestimmt:

  • Strahlungsabgabe der vom Glas absorbierten Wärmestrahlung infolge des Emissionsvermögens der Scheibenoberfläche
  • Wärmeleitung des Gases im Scheibenzwischenraum (SZR)
  • Konvektion des Gases im SZR

Die Wärmestrahlung macht rund 2/3, die Wärmeleitung und Konvektion gemeinsam 1/3 des Wärmverlustes aus. Wesentlich für den Wärmeverlust ist also die Wärmestrahlung und damit das Emissionsvermögen der Glasoberfläche. Dieses beträgt bei unbeschichteten Gläsern ca. e = 0,85, d.h. vereinfachend, dass etwa 85% der Wärme an der Glasoberfläche abgegeben werden.

Low-E-Beschichtung
Das extrem hohe Emissionsvermögen von Glas lässt sich durch metallische Veredelungsschichten auf nur etwa e = 0,04 reduzieren. Folglich werden sie auch als Low-E-Beschichtungen, bzw. mit ihnen ausgestattete Gläser, als Low-E-Gläser bezeichnet (low-e = low-emissivity). Die optische Lichtdurchlässigkeit wird dadurch nicht beeinträchtigt. Die Effizienz der Low-E-Beschichtung ist durch deren Wirkungsprinzip auf unterschiedliche Wellenlängen begründet: Langwellige Wärmestrahlen werden reflektiert, kurzwellige sichtbare Wellen (z.B. Sonnenstrahlen) können die Beschichtung aber passieren. Dieser Effekt wird an einem Auto, welches länger in der Sonne steht, deutlich: Die kurzwelligen Sonnenstrahlen dringen durch die Glasflächen, heizen die Innenausstattung auf, welche wiederum langwellige Wärmestrahlen abgibt. Diese dringen nur zum Teil durch die Glasflächen zurück, der Innenraum bleibt heiß. Sind die Glasscheiben mit einer Wärmeschutzbeschichtung versehen, verringert diese den austretenden Teil der Wärmestrahlung noch einmal beträchtlich.

Edelgas im Scheibenzwischenraum
Durch die Verwendung von Edelgasen als Füllmedium im Scheibenzwischenraum (SZR) von Isoliergläsern lässt sich der Wärmefluss positiv beeinflussen. Als Edelgase finden in der Regel Argon, Krypton und selten Xenon Anwendung. Diese sind schwerer als Luft und können somit aufgrund ihrer höheren Trägheit, bedingt durch die größeren Atome der Gase, nicht so gut auf Temperaturdifferenzen zwischen den Scheiben reagieren. Entsprechend der verwendeten Gasfüllung ergeben sich unterschiedliche optimale Scheibenabstände: Für Argon werden 16 mm, für Krypton 12 mm und für Xenon 8 mm vorgeschlagen. Der Wämedurchgangskoeffizient lässt sich in Abhängigkeit des verwendeten Füllgases um 0,3 bis 0,5 W/(m²K) reduzieren. Die oben genannten Scheibenabstände resultieren aus dem Zusammenspiel zwischen Wärmeleitung und Konvektion: Die Wärmeleitung nimmt mit größerem Scheibenzwischenraum ab, die Konvektion nimmt mit einem größeren Abstand zu.

Am Beispiel einer 2-fach Isolierverglasung (Aufbau 4 mm / 12 mm / 4 mm) wird der Effekt sichtbar: Einfaches Glas besitzt einen Wärmedurchgangskoeffizienten von etwa 4,8 W/(m²K). Ein luftgefülltes Isolierglas im o.g. Aufbau reduziert diesen Wert auf 2,8 W/(m²K). Bei Einsatz von Edelgasen anstelle von Luft reduziert sich der Wärmedurchgang bei Argon auf 2,7 W/(m²K), bei Krypton oder Xenon auf 2,6 W/(m²K). Aber erst der Einsatz von Low-E-Beschichtungen reduziert durch eine Verringerung der Wärmeabstrahlung die Werte in den Bereich von etwas über 1 W/(m²K).

Wärmeverluste im Kantenbereich
Dem Randverbund kommt nicht nur die wichtige Aufabge zu, die Scheiben eines Isolierglases dauerhaft zu verbinden, er verhindert auch das Diffundieren des Edelgases aus dem SZR heraus und von Wasserdampf in den SZR hinein. Gleichzeitig muss er Druckänderungen im SZR durch Temperaturänderungen und daraus resultierende elastische Bewegungen kompensieren.

Randabstandshalter werden aus verschiedenen Materialien gefertigt: Konventionelle Systeme bestehen aus Aluminium oder verzinktem Stahl und sind daher eine wesentliche Ursache für Wärmebrücken im Randbereich eines Isolierglases, bzw. im Übergangsbereich zwischen Verglasung und Rahmen. Thermisch optimierte Randverbundsysteme aus Kunststoff (z.B. TIS-Abstandshalter) oder Edelstahl verringern den Wärmefluss am Übergang und heben somit die Oberflächentemperaturen im Vergleich zu einfachen Systemen auf der Scheibeninnenseite an. Begründet ist dies durch die Tatsache, dass Edelstahl das Metall mit der geringsten Wärmeleitzahl ist; die Wärmeleitfähigkeit dieses Materials ist ca. 13 mal geringer, die von Kunststoff sogar etwa 1.000 mal geringer als die von Aluminium. Derartige Abstandhaltersysteme werden auch als „warme Kante“ bezeichnet. Die quantitative Verbesserung des U-Wertes beträgt in der Regel etwa 0,1 W/(m²K). Der längenbezogene Durchgangskoeffizient ψg ist sogar etwa 50% geringer als bei konventionellen Abstandshaltern aus Aluminium.

Transparente Wärmedämmung (TWD)

Mit transparenter Wärmedämmung bezeichnet man zum einen ganz allgemein die Nutzung der Sonnenenergie über eine transparent gedämmte Wand zu Heizzwecken, zum anderen die lichtdurchlässigen Systeme selbst.

Die TWD besteht häufig aus sehr dünnen Röhrchen aus Glas oder Kunststoff, die in großer Menge „gestapelt“ zwischen zwei Glasscheiben angeordnet werden. Nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert das Fell eines Eisbären, bei dem die weißen Fellhaare vor der dunklen Haut eine enorme Isolationswirkung hervorrufen. Gleichzeitig lässt sich durch die Kapillareinlage zwischen zwei Glasscheiben sowie einem einfassenden Glasvlies eine verbesserte Raumausleuchtung sowie eine gleichmäßigere Lichtverteilung im Raum erzielen.

Die TWD-Systeme sind nicht vollkommen durchsichtig, sondern es entsteht durch den Einfallswinkel der Sonne Streulicht, das einen Raum gleichmäßiger ausleuchten kann. Die U-Werte typischer TWD-Systeme betragen ca. 1,0 W/m²K, zusätzlicher Vorteil zum Lichtgewinn ist die gute Schalldämmung.

Kondensatbildung auf Wärmedämm-Isoliergläsern

Scheiben beschlagen, wenn sie kälter sind als die umgebende Außenluft und wenn diese Luft mit Feuchtigkeit gesättigt ist. Trifft die gesättigte Luft auf die kalte Innenscheibe, kühlt sie ab und muss einen Teil der enthaltenen Feuchtigkeit an der Oberfläche abgeben: Das Wasser kondensiert, die Scheibe beschlägt und die Durchsicht ist eingeschränkt. Besonders häufig tritt dieses Phänomen in den frühen Morgenstunden und in Gebieten mit hoher Luftfeuchtigkeit auf, etwa in der Nähe von Wasserläufen.

Häufiger tritt das Phänomen des Außenkondensats auf. Erwärmt sich die innenliegende Scheibe auf Raumtemperatur, während die Außenscheibe je nach Witterungslage stark abkühlt, kann es zum Taubeschlag kommen. Dieses Problem tritt bei stark dämmenden 3-fach Isoliergläsern auf, insbesondere bei hoher Luftfeuchtigkeit im Herbst und Frühling nach klaren und kühlen Nächten und schwacher bis gar keiner Windgeschwindigkeit.

Beschlagene Scheiben sind aber kein Mangel. Im Gegenteil: Sie zeigen die hohen Wärmedämmeigenschaften des Glases und sind eher ein Qualitätsmerkmal, das zeigt, dass die Wärmedämmung zwischen Innen- und Außenscheibe funktioniert. Die Heizwärme bleibt im Raum und die Außenscheibe bleibt kälter als bei herkömmlichen, älteren Isoliergläsern. Je besser die Wärmedämmung ist, desto kälter ist die Scheibe.

Die Kondensatbildung auf der Außenscheibe lässt sich durch selbstreinigende Beschichtungen reduzieren. Denn diese sind wasseranziehend, d.h. das Kondenswasser bildet auf der Glasoberfläche einen gleichmäßigen Film, der die Durchsicht ermöglicht aber keine Tröpfchen bildet. Eine weitere Möglichkeit ist die Integration einer zusätzlichen Wärmeschutzbeschichtung auf der äußeren Scheibe zum Scheibenzwischenraum (SZR) hin. Durch die Beschichtung bleibt die Temperatur der Glasoberfläche unabhängig von der Witterungslage immer über der Umgebungstemperatur, sodass eine Kondensation der Luftfeuchte unterbunden wird.

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FAQ – Die wichtigsten Fragen im Überblick

Floatglas ist ein klar durchsichtiges Glas höchster Qualität. Dabei beschreibt "Float" das Herstellungsverfahren bei dem die flüssige Glasschmelze über flüssiges Zinn fließt. Das moderne Floatglas-Herstellungsverfahren hat zwischenzeitlich praktisch alle früheren Produktionsverfahren für klares Flachglas abgelöst.
Ornamentglas ist ein im Maschinen-Walzverfahren hergestelltes Glas. Es wird farblos oder auch farbig ohne oder mit Drahtnetzeinlage, mit ein- oder beidseitig strukturierter Oberfläche erzeugt. Es ist lichtdurchlässig, aber nur vermindert durchsichtig. Als Ornamentglas (Gussglas) wird gegossenes und gewalztes Flachglas bezeichnet, das im Walzverfahren hergestellt wird und überwiegend in Innenräumen zum Einsatz kommt. Es ist nicht klar durchsichtig (transluzent) und weist eine besondere Struktur auf, die bei der Herstellung entsteht. Dabei wird die flüssige Glasmasse durch strukturierte Walzen geführt, deren Muster sich dann im Glas abbilden. So werden mehr oder weniger transparente, aber immer transluzente Gläser erzeugt. Je nach Dichte der Muster ergeben sich unterschiedliche Sichtschutzfaktoren
Glasflächen müssen regelmäßig gereinigt werden, wobei die Häufigkeit natürlich vom Verschmutzungsgrad abhängt. Am besten ist die Anwendung von viel klarem Wasser und einfachen weichen Lappen oder Schwämmen. Daneben dürfen auch handelsübliche Sprühreiniger verwendet werden. Auf alkalische Waschlaugen und Säuren sowie fluoridhaltige Mittel ist jedoch zu verzichten. Fett und Dichtstoffrückstände werden mit handelsüblichen, nicht aggressiven Lösungsmitteln (Spiritus, Isopropanol) beseitigt, danach mit reichlich Wasser nachspülen.

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