Projekt 14300/01

Hochisolierendes Randverbundsystem für Isolierglasscheiben mit Schaumglas als Abstandhalter

Projektdurchführung

Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Fachgebiet Bauphysik und Technischer Ausbau Universität Fridericiana Karlsruhe (TH)
Englerstr. 7 // Geb. 20.40
76131 Karlsruhe

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Dämmwert der Standardisolierverglasungen und der hochwertigen Dreifach-Verglasungen auf dem deutschen Markt sind mittlerweile sehr hoch. Das Randverbundsystem ist jedoch noch ein Schwachpunkt bei den Verglasungen. Eine weitere Dämmwertoptimierung einer Verglasung kann durch bessere Abstandhalter zwischen den Scheiben erreicht werden. Hier gibt es mehrere Ansätze, die den Wärmefluß durch den Rand einer Verglasung etwa halbieren.Derzeit bestehen Abstandhalter in den meisten Fällen aus Metall, welche von Scheibe zu Scheibe verlaufen und dadurch eine Wärmebrücke bilden. Wird der Abstandhalter einer Verglasung durch das Einfügen einer Schaumglasschicht thermisch unterbrochen, so kann der Wärmefluß durch den Randverbund wesentlich verringert werden.Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung eines Konzeptes und der Bau von Isolierverglasungen mit Schaumglas als Abstandhalter unter Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften (möglichst geringer Wärmefluß im Randverbund) und mechanischer Eigenschaften von Schaumglas.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst werden Vorversuche zur Herstellung einer geeigneten gasdichten Verbindung zwischen Dichtstoffen und Schaumglas durchgeführt.Anschließend wird ein geeignetes Design eines Abstandhalters ermittelt. Dabei ist von besonderer Bedeutung, daß Schaumglasstangen im nicht eingebauten Zustand brüchig sind und nur in Längen von maximal 60 cm herstellbar sind. Ein geeignetes Design kann durch das Aufbringen zweier Aluminiumstreifen auf die Schaumglasstangen erreicht werden. Auf diese Weise wird ein statisch stabiles Element erzeugt, welches in größeren Längen und in einer Vorfertigung hergestellt werden kann. Abstandhaltersysteme sollen aus ökonomischen Gründen vorzugsweise in einer automatischen Produktion verwendet werden. Diese Randbedingung soll bei dem Konzept beachtet werden.Im nächsten Schritt werden die erforderlichen Materialien (geeignetes Schaumglas, geeignete Klebstoffe, Trocknungsmittel) ausgewählt und zum Glashersteller gebracht, wo Probescheiben für den Klimatest und für die Prüfung der Gasdichtigkeit zusammengefügt werden.An der Universität Karlsruhe werden thermische Simulationsrechnungen und Berechnung der mechanischen Belastung des Randverbundes durchgeführt, welche die Verbesserung des entwickelten Randverbundes darstellen.


Ergebnisse und Diskussion

In Absprache mit den Glasherstellern wurden verschiedene Randverbundkonstruktionen entwickelt und mit Hilfe von Simulationen berechnet und optimiert. Unter anderem ergab sich die Möglichkeit auf die vorgesehene Aluminiumstreifen zu verzichten. Zwei favorisierte Varianten sehen einen mit Epoxidharz beschichtete Schaumglasrahmen vor, der mit einem Trocknungsmittel versetztem Butylkleber auf die Scheiben gesetzt wird. Thiokol dient als eingesetzte oder durchgehende Schicht als Sekundärdichtung und Verklebung.Simulation der mechanischen Belastung des RandverbundesBei dem vollständigen Ersatz des Metallabstandhalters durch einen Abstandhalter aus Schaumglas muß dieser auch die durch die Scheibe (durch Bauchung und Ausdehnung) auftretenden Kräfte aufnehmen. Um die notwendigen Festigkeitswerte für den Randverbund zu ermitteln und die Konstruktion zu optimieren wurden statische 3D-Simulationsrechnungen durchgeführt.Die Simulationen zeigen, daß durch die gewählte Konstuktion bei einem Überdruck von 8 kPa (worst-case Fall) die maximale zulässige Zugspannung in der Glasscheibe zu 93% und im Schaumglas zu nur 60% erreicht wird. Die geringsten Spannungen traten bei einer Klebefugendicke von 3 mm auf.Berechnung des linearen Wärmeleitwertes (U-Wertes)Die Berechnung des linearen U-Wertes wurde mit einem 2-dimensionalen Finite-Elemente-Programm durchgeführt. Dabei wurde auch der Strahlungsaustauch zwischen Glasfalz und Rahmenoberfläche berüchsichtigt. Mit Schaumglas als Abstandhalter wurden lineare Wärmeleitwerte zwischen 0,03 und 0,045 W/mK berechnet. Für die zum Vergleich herangezogenen TPS-Technologie (TPS=Thiokol-Polysulfid) ergab sich ein Wert von 0,075 W/mK.Bearbeitung von SchaumglasEs wurden zwei Methoden zum Bearbeiten von Schaumglas untersucht: 1.Schneiden mit einer Tischkreissäge und 2. Laserschneiden. Das Schneiden von dünnen Schaumglasstangen (minimal 9mm x 13mm) mit der Säge erwies sich als unproblematisch. Beim Laserschneiden kommt es durch den Energieeintrag zum Aufschmelzen der Oberfläche. Das sorgt auf der einen Seite für eine festere Schnittfläche die keiner mechanischen Beanspruchung ausgesetzt wird, auf der anderen Seite ergibt sich durch die endliche Tiefenschärfe des Lasersystems eine konkave Schnittfläche, die unter Umständen thermische Spannungen aufweist. Die Betrachtung der Kosten spricht auch eindeutig für das Sägen (Laserschneiden 0,50 - 1,00 DM/m, Sägen 0,10 DM/m). Das Schneiden mit dem Wasserstrahl wurde auf Grund der hohen Kosten nicht näher untersucht.Mit Hilfe von thermischen und mechanischen Simulationen wurden optimierte Konstruktionsvarianten für ein neues Randverbundsystem entwickelt. In einem weiteren Schritt wurden die Berarbeitungsmöglichkeiten von Schaumglas untersucht und anschließend Schaumglasstangen für Probescheiben gefertigt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Veröffentlichungen:· Löffler, M., Schaumglas als Abstandshalter bei Mehrfachverglasungen, Bauphysik 18 (1996), Heft 1, S.24-27· Löffler, M., Thermische Eigenschaften neuer Randverbundsysteme bei Mehrfachverglasungen, wksb, Folge 39 (1997), S. 27-31· Löffler, M.,Rahmenlose Fenster und Türen, Glasverarbeitung 6/95, S. 65-67· Löffler, M., Buck, D., Glazing Edge-Seal Using Foamglass as Spacer and Frameless Window Design, Solar Energy, Oktober, 1997, S.303-312Im Internet: http://www.fbta.uni-karlsruhe.de/~michael/forschung/start_schaumglas.html


Fazit

Durch die Simulationen konnten thermisch und mechanisch geeignete Konstruktionen für das Schaumglasrandverbundsystem entwickelt werden. Die Schneidversuche haben gezeigt, daß das Sägen mit einer Tischkreissäge eine kostengünstige, schnelle und ausreichend exakte Methode ist, um aus Schaumglasblöcken Stangen für das neue Randverbundsystem herzustellen. Im nächsten Schritt gilt es die theoretischen Werte durch Experimente zu bestätigen (Folgeprojekt 14300/02).