Langzeituntersuchungen an hoch wärmegedämmten Verglasungen mit mikrostrukturierten Lichtlenkfolien

Mikrostrukturierte Folien können gegenüber konventionellen prismatischen Platten zur funktionalen Lenkung der Sonnenstrahlung als Tageslicht- und Sonnenschutzvorrichtungen zu kostengünstigen und Material sparenden Lösungen führen. Die Forschung hat sich in den letzten Jahren intensiv mit grundlegenden Untersuchungen bezüglich geeigneter Materialien und Herstellungsverfahren beschäftigt. Am ISFH wurden offene Fragestellungen der Verglasungsintegration sowie der Modellierung und Charakterisierung von kompletten Systemen in Kooperation mit Industriepartnern bearbeitet.

Gegenstand der Untersuchung war eine prismatische Folie zur sonnenstandabhängigen saisonalen Verschattung direkter Sonnenstrahlung. Die Folie wird im Scheibenzwischenraum einer Verglasung eingespannt, die damit das geringere Gewicht eines 2fach-Isolierglases mit den energetischen Eigenschaften eines 3fach-Isolierglases vorteilhaft kombiniert. Solche Systeme können entweder als transparente Wärmedämmung vor massiven Wänden oder als transluzente Tageslichtelemente eingesetzt werden.

Nach Abschluss der zunächst durchgeführten Eignungsuntersuchungen an Verglasungen sowie der optischen und thermischen Modellierung des Gesamtsystems wurden die ersten großformatigen Verglasungsprototypen hergestellt (Abb. 41) und sowohl im Labor als auch in Feldversuchen auf Leistungsfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit getestet.

Bei den experimentellen Untersuchungen für den Einsatz als transparente Wärmedämm-Module (TWD) wurden Prototypen mit unterschiedlichen strahlungsphysikalischen sowie wärmetechnischen Eigenschaften wie low-e beschichteten Scheiben und Gasfüllungen in die Südfassade des ISFH-Experimentiergebäudes installiert und über den Zeitraum eines Jahres vermessen. Zusätzlich haben wir zwei aufbaugleiche Verglasungen, die eine mit der eingespannten Prototypfolie, die andere mit einer eingelegten Prismenplatte und gleichen Prismenwinkeln getestet, um die Schaltungsmechanismen von makroskopischen und mikroskopischen Strukturen direkt vergleichen zu können und damit die Effektivität der Prototypfolie zu überprüfen. Aus den Langzeituntersuchungen lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:

• Energetische Kennwerte: Die experimentell ermittelten Wärmedurchgangskoeffizienten der Verglasungen (U-Wert) zeigen eine gute Übereinstimmung mit den berechneten Werten unter Berücksichtigung von Wärmebrücken im Rahmen. Bei vergleichbaren Randbedingungen haben wir U-Werte zwischen 0,5 und 0,7 W/m²K bestimmt. Beide Ergebnisse entsprechen dem Dämmstandard konventioneller, aufbaugleicher 3-fach-Verglasungen mit denselben Low-e-Schichten und Gasfüllungen. Der in den Simulationen schon nachgewiesene vernachlässigbare Einfluss der Teildurchlässigkeit der Folie im Infrarot-Bereich wird damit bestätigt.

Bezüglich der solaren Gewinne wird eine sehr effektive Schaltung des Gesamtenergiedurchlassgrades (g-Wert) für direkte Strahlung erzielt, die den Erwartungen entspricht: 0,52/0,12 je nach Sonnenstand bei monatlichen Mittelwerten und 0,56/0,12 bei 5-Minuten-Mittelwerten, jeweils ersichtlich aus Abb. 42 und 43. Beim Jahresverlauf ist der starke Einfluss der Transmission für diffuse Strahlung zu erkennen (Abb. 42), die die Transmission für globale Strahlung im Winter reduziert und im Sommer erhöht, was charakteristisch für alle starren Sonnenschutzsysteme ist. Trotz der Dämpfung des saisonalen Effektes wird im Sommer fast die Hälfte der gesamten Einstrahlung im Vergleich zu einem System mit üblicher Winkelabhängigkeit der optischen Eigenschaften unter Annahme eines identischen g-Werts bei senkrechter Einstrahlung durchgelassen. Dies stellt einen erheblichen Vorteil im Bezug auf die Überhitzungsproblematik von TWDs dar.

• Vergleich Prismenplatte mit Prismenfolie: Der g-Wert zeigt sowohl im monatlichen Durchschnitt (s. Abb. 44) als auch im Laufe des Tages (s. Abb. 45) ähnliche Verläufe, was für die gute Vergleichbarkeit der Funktionalität spricht. Die Abweichungen, deutlich an klaren Sommertagen in Abb. 45 zu erkennen, lassen sich mit den unterschiedlichen Brechungsindizes der Materialien erklären. Die Ergebnisse bestätigen, dass die höhere solare Transmission der Folie, die ca. 5%, bedingt durch die niedrige Absorption im nahen Infrarot-Bereich (NIR) ausmacht, eine vernachlässigbare Wirkung auf die gesamte Transmission einer Verglasung mit spektral selektiven Beschichtungen hat. Aufgrund der unterschiedlichen Integrationsarten und Dicke der beiden Strukturen bei gleichem Scheibenzwischenraum weist die Verglasung mit einer Prismenscheibe wie erwartet einen um 30% höheren U-Wert auf. Insgesamt erweist sich somit der Ersatz der Platte durch eine Folie nicht nur als wirtschaftlich sondern auch als energetisch vorteilhaft.

• Gebrauchstauglichkeit: Da übliche Langzeitprüfverfahren für Isoliergläser die extremen Bedingungen, denen TWD-Module ausgesetzt sind, nicht berücksichtigen, dienten die Außentests auch der Prüfung der Gebrauchstauglichkeit. Insbesondere wurde die Eignung der Folie und des ausgewählten Integrationsverfahrens geprüft. Über den betrachteten Zeitraum konnten trotz der hohen Einstrahlung und der starken Temperaturschwankungen keine sichtbaren Änderungen an den Prototypen, wie Fehlstellen am Randverbund, Falten in der Folie, UV-Licht-induzierte Vergilbung der Folie und Foggingeffekte festgestellt werden.