Projekt 06227/01

Solar-Fassadenelemente mit richtungsselektiver Transmission (RST)

Projektdurchführung

Hochschule Osnabrück
Albrechtstr. 30
49076 Osnabrück

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Solarfassaden mit richtungsselektiver Transmission (RST) fokussieren direktes Sonnenlicht auf horizontal verlaufende Brennlinien. Der Höhenwinkel der Sonne beeinflußt dabei die Lage der Brennlinie. Dadurch wird die Direktstrahlung der hochstehenden Sommersonne zurückreflektiert, während die Direktstrahlung der tief stehenden Wintersonne nahezu ungehindert transmittiert wird. Das System kommt ohne bewegte Teile aus und reduziert die Kühllast des Gebäudes ebenso wie die Beleuchtungsenergie.
Ziel dieses Projektes war der Nachweis der glastechnischen Machbarkeit von RST, und zwar theoretisch durch Simulationsrechnungen und praktisch durch Produktionsversuche sowohl von Walzglas-Zylinderlinsen-Scheiben als auch von fertigen RST-Doppelscheibenelementen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Numerische Simulation: Mit Hilfe umfangreicher FEM-Rechnungen sollte gezeigt werden, unter welchen Bedingungen RST-Gußgläser der geforderten Zylinderlinsen-Profilierung unter Berücksichtigung der zulässigen inneren Spannungen herstellbar und evtl. auch härtbar sind.
2. Walzglas-Herstellung: Im Partnerbetrieb wurden RST-Zylinderlinsenscheiben in zwei verschiedenen Querschnitts-Geometrien und unterschiedlichen Dicken probehalber hergestellt.
3. Funktions-Überprüfung: RST-Elemente mit den o.a. Walzglas-Scheiben wurden durch Transmissionsmessungen auf ihre Winter-(Durchlaß-) und Sommer-(Abschattungs-)Funktion untersucht.
4. Isolierglas-Herstellung: Aus den o.a. Zylinderlinsen-Scheiben wurden bei verschiedenen Partnerfirmen mit Hilfe unterschiedlicher Randverbundstechniken Doppelscheiben-Isolierglaselemente hergestellt. Zur Überprüfung der langfristigen Diffusionsdichtigkeit wurde ein Wasserbad-Wechseltest entwickelt.


Ergebnisse und Diskussion

1. Numerische Simulation: Die Simulation der materialtechnischen Vorgänge bei der Herstellung von Walzglas hat ein grundlegendes Verständnis der prozeßrelevanten physikalischen Zusammenhänge gebracht.
Die Vorgänge bei der Erstarrung einer Glasschmelze werden komplex durch das Relaxationsverhalten des Werkstoffes: Als Folge der Abkühlung ändern sich die Struktur und die damit zusammenhängenden Stoffwerte mit zeitlicher Verzögerung. Die daraus resultierende dynamische Anpassung der Stoffwerte während des Programmablaufs war mit der verfügbaren Software (ANSYS) nur zum Teil realisierbar. Ferner fehlten experimentell gewonnene zeitlich aufgelöste Datenverläufe, die den Walzvorgängen entsprechen, als Eingabeparameter für die Simulation.
Die erweiterte Simulation unter viskoelastischen Bedingungen lieferte Spannungswerte, unter denen das Glas nicht mehr herstellbar wäre. Praktische Versuche (s. 2.) zeigten jedoch die tatsächliche Machbarkeit.
Fazit: Eine wirklichkeitsnahe Simulation der viskoelastischen Abkühlung einer Glasschmelze mit Relaxation war wegen der o.a. Defizite unter den gegebenen Bedingungen noch nicht möglich.
2. Walzglas-Herstellung: Durch eine Probe-Produktion im Partnerbetrieb konnte zweifelsfrei gezeigt werden, daß die Herstellung von RST-Zylinderlinsenplatten aus Walzglas technisch möglich ist.
Da aus produktionstechnischen Gründen die glatte Seite der Glasplatte oben und die strukturierte Seite unten auf den Walzen auflag, ergab sich ein Durchsacken des noch nicht erstarrten Materials, das zur Abflachung der Linsenstruktur und zu einer Wellenstruktur der glatten Seite führte. Beide Effekte zusammen ergaben zufällig wieder brauchbare Fokussierungseigenschaften. Längsriefen im Linsenprofil und Breitenabweichungen der Linsen machten zusätzliche Probleme.
Durch Modifikationen des Herstellungsvorgangs, der Abkühlungsparameter und der Glasmischung erscheinen RST-Zylinderlinsenscheiben machbar, die allen Anforderungen genügen.
Einzelne Proben konnten auch gehärtet und erfolgreich nach DIN 1249 T.12 getestet werden.
3. Funktionsüberprüfung: RST-Doppelscheibenelemente mit Walzglas-Linsenplatten (aus 2.) wurden im Labor für verschiedene Fassadenorientierungen und alle Sonnenstände des Jahres auf ihre Transmission untersucht. Die Apparatur enthielt einen Scheinwerfer mit sonnenähnlichem Spektrum, eine Azimut-Höhen-Schwenkpositionierung und ein Solarzellenfeld als Detektor.
Bei jeweils durchschnittlichem Strahlungswetter ergaben sich Transmissionen für die Globalstrahlung von 70 % für den 21.12. und 13 % für den 21.06.
4. Isolierglas-Herstellung: RST-Elemente sind nicht ohne Weiteres als Zweischeiben-Isolierglas herzustellen, da sie auf der Innenseite weit tiefer strukturiert sind als herkömmliches Ornamentglas. In Zusammenarbeit mit zwei Partnerfirmen wurden Randverbund-Verfahren entwickelt, die sowohl mit Aluminium- als auch mit thermoplastischen Abstandshaltern anwendbar sind und langfristige Gas- und Wasserdampf-Diffusionsdichtigkeit garantieren. Zur Überprüfung der Wasserdampf-Diffusion wurde ein Wasserbad-Wechseltest entwickelt.
Der Doppelscheiben-Effekt (Durchbiegen der beiden Scheiben im Verbund nach innen bei tiefen und nach außen bei hohen Temperaturen) wurde speziell für RST-Zylinderlinsenscheiben realitätsnah berechnet. Es konnte gezeigt werden, daß er die Funktion von RST nicht entscheidend beeinträchtigt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

RST wurde zweimal auf der Hannover-Messe Industrie sowie auf mehreren lokalen und regionalen Ausstellungen gezeigt und der Fachwelt durch Vorträge auf Tagungen und Konferenzen präsentiert.


Fazit

: Eine wirklichkeitsnahe Simulation der viskoelastischen Abkühlung einer Glasschmelze mit Relaxation war wegen der o.a. Defizite unter den gegebenen Bedingungen noch nicht möglich.
2. Walzglas-Herstellung: Durch eine Probe-Produktion im Partnerbetrieb konnte zweifelsfrei gezeigt werden, daß die Herstellung von RST-Zylinderlinsenplatten aus Walzglas technisch möglich ist.
Da aus produktionstechnischen Gründen die glatte Seite der Glasplatte oben und die strukturierte Seite unten auf den Walzen auflag, ergab sich ein Durchsacken des noch nicht erstarrten Materials, das zur Abflachung der Linsenstruktur und zu einer Wellenstruktur der glatten Seite führte. Beide Effekte zusammen ergaben zufällig wieder brauchbare Fokussierungseigenschaften. Längsriefen im Linsenprofil und Breitenabweichungen der Linsen machten zusätzliche Probleme.
Durch Modifikationen des Herstellungsvorgangs, der Abkühlungsparameter und der Glasmischung erscheinen RST-Zylinderlinsenscheiben machbar, die allen Anforderungen genügen.
Einzelne Proben konnten auch gehärtet und erfolgreich nach DIN 1249 T.12 getestet werden.
3. Funktionsüberprüfung: RST-Doppelscheibenelemente mit Walzglas-Linsenplatten (aus 2.) wurden im Labor für verschiedene Fassadenorientierungen und alle Sonnenstände des Jahres auf ihre Transmission untersucht. Die Apparatur enthielt einen Scheinwerfer mit sonnenähnlichem Spektrum, eine Azimut-Höhen-Schwenkpositionierung und ein Solarzellenfeld als Detektor.
Bei jeweils durchschnittlichem Strahlungswetter ergaben sich Transmissionen für die Globalstrahlung von 70 % für den 21.12. und 13 % für den 21.06.
4. Isolierglas-Herstellung: RST-Elemente sind nicht ohne Weiteres als Zweischeiben-Isolierglas herzustellen, da sie auf der Innenseite weit tiefer strukturiert sind als herkömmliches Ornamentglas. In Zusammenarbeit mit zwei Partnerfirmen wurden Randverbund-Verfahren entwickelt, die sowohl mit Aluminium- als auch mit thermoplastischen Abstandshaltern anwendbar sind und langfristige Gas- und Wasserdampf-Diffusionsdichtigkeit garantieren. Zur Überprüfung der Wasserdampf-Diffusion wurde ein Wasserbad-Wechseltest entwickelt.
Der Doppelscheiben-Effekt (Durchbiegen der beiden Scheiben im Verbund nach innen bei tiefen und nach außen bei hohen Temperaturen) wurde speziell für RST-Zylinderlinsenscheiben realitätsnah berechnet. Es konnte gezeigt werden, daß er die Funktion von RST nicht entscheidend beeinträchtigt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

RST wurde zweimal auf der Hannover-Messe Industrie sowie auf mehreren lokalen und regionalen Ausstellungen gezeigt und der Fachwelt durch Vorträge auf Tagungen und Konferenzen präsentiert.


Fazit

RST-Zylinderlinsenscheiben sind im Walzglasprozeß herstellbar und härtbar, weisen aber bisher noch herstellungsbedingte Form- und Oberflächenabweichungen auf. Die Randverbundprobleme sind gelöst; ein vereinfachtes Testverfahren steht zur Verfügung. Die relaxationsabhängigen Spannungen im Glas bei der Herstellung konnten bisher noch nicht realitätsnah numerisch simuliert werden.
Weitere Projekte sollten die Qualitätsverbesserung der Gußglas-Linsenscheiben, geometrische und materialtechnische Eigenschaften der Streifenscheibe, Produkttests, die Automatisierung der Herstellung von RST-Doppelscheibenelementen sowie die Anwendung von RST an einem Prototyp-Gebäude zum Gegenstand haben.