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TitleEigenschaften und Einsatzmoeglichkeiten von Aerogelfenstern : im Vergleich mit konventionellen sowie evakuierten Fenstern
AuthorReber, Georges
AbstractObwohl Aerogele schon seit etwa 1930 bekannt sind [Kis 31 und Kis 32], rückte dieses Material erst in neuerer Zeit wieder in den Mittelpunkt des Interesses: Seine mikroporöse Struktur verleiht ihm hervorragende isolierende Eigenschaften bei gleichzeitig hoher Transparenz. Anwendungen in transparenten Wärmedämmungen oder in hochisolierenden Fenstersystemen drängen sich damit auf. Im einführenden Abschnitt 1 wird versucht, die Stellung des Fensters und seine energetische Bewertung näherzubringen. Es wird gezeigt, dass evakuierte Fenster oder Zweischeibenverglasungen mit Aerogelfüllung in energetischer hinsicht interessante Alternativen zu konventionellen Verglasungen darstellen. Dazu werden schon zahlreiche Resultate dieser Arbeit zusammenfassend vorweggenommen. In Abschnitt 2 wird auf die Herstellungsverfahren, die Struktur und die Eigenschaften, wie sie sich aus der neueren Aerogelforschung ergeben, eingegangen. Die Herstellung der Aerogele umfasst zwei Hauptschritte: Die Herstellung eines Geles und dessen überkritische Trocknung. Die Struktureigenschaften werden dabei durch die Chemie der Ausgangsprodukte und durch den ganzen Verlauf des Herstellungsvorganges gesteuert. Zur Ermittlung der Struktureigenschaften stehen neben den Standardverfahren wie Quecksilberporosimetrie und Stickstoff-Adsorption auch direkte Beobachtungstechniken zur Verfügung. So konnte mit REM-Aufnahmen leicht eine obere Grenze für die Grösse der Struktureinheiten angegeben werden. Es wurde jedoch im Elektronenstrahl eine Sinterung und damit eine Vergrösserung der Teilchen beobachtet. Eine neuere Möglichkeit, Strukturparameter zu extrahieren, ist die Kleinwinkelstreuung und die Interpretation der Streudaten aus der Sicht der fraktalen Geometrie. Aus der Struktur von Aerogel ergeben sich eine Reihe von erstaunlichen Eigenschaften und Anwendungen, auf die in Abschnitt 2 ebenfalls eingegangen wird. Dabei wird insbesondere auch auf die Anwendung von Aerogel in Fenstersystemen und in transparenten Wärmedämmungen eingegangen. In Abschnitt 3 werden die Kenngrössen zur energetischen Bewertung von Fenstern genau definiert und deren Auswirkung auf das energetische Verhalten diskutiert. Im weiteren werden die Grundlagen zur Berechnung dieser Kenngrössen für konventionelle Fenster erarbeitet. Daraus ergibt sich eine Darstellung der Strategien zur Stopfung des Wärmelecks bei Fenstern und eine zusammenfassende Darstellung der Glaskenngrössen für konventionelle Verglasungen. Danach besitzt eine Zweifachverglasung aus Normalglas einen k-Wert von 2,79 W/m²K und einen g-Wert von 0,76. Durch Verwendung einer IR-Verspiegelung und einer Argonfüllung sinkt der k-Wert auf 1,46 W/m²K bei einem g-Wert von 0,63. Als wesentlicher Beitrag zur Verringerung des Wärmetransportes erweist sich dabei die Reduktion des Strahlungsbeitrages. Als eigentliches Energiesparfenster kann eine Dreifachverglasung mit zweifacher IR-Beschichtung und Kryptonfüllung gelten. Man erzielt damit einen k-Wert von 0,71 W/m²K bei einem g-Wert von 0,48. In Abschnitt 4 erfolgt eine Erweiterung des konventionellen Fenstermodelles auf evakuierte Fenster. Die Grundidee bei evakuierten Fenstern ist die, dass nach einer effizienten Verringerung des Strahlungstransportes durch IR-Verspiegelung nun auch der Leitungs-Konvektionsanteil abgesenkt werden soll. Das erweiterte Modell stützt sich deshalb auf eine genaue Betrachtung der effektiven Wärmeleitfähigkeit des Füllgases in Abhängigkeit des Scheibeninnendruckes. Zusätzlich muss auch die Wärmebrückenwirkung der jetzt erforderlichen Distanzhalter einbezogen werden. Das erweiterte Modell wurde experimentell verifiziert an Fenstersystemen mit grossem (50 mm) und solchen mit kleinem (0,32 mm) Scheibenabstand. Dabei ergab sich eine gute Übereinstimmung. Das Problem der Handhabung grosser evakuierter Volumina (Implosionsgefahr!) legen die Verwendung von kleinen Scheibenabständen nahe. Kleine Scheibenabstände haben zudem den Vorteil, dass sehr kleine, praktisch unsichtbare Distanzhalter verwendet werden können, jedoch den Nachteil, weit kritischer auf Lecks zu reagieren. Um den Leitungsanteil des Füllgases zum Verschwinden zu bringen, sind Drucke unterhalb 10-3 mbar erforderlich. Für die Aufrechterhaltung solcher Vakua über Jahrzehnte müssten Metall- oder Glasrandverbundsysteme entwickelt werden, die derzeit technisch noch nicht verfügbar sind. Bei grossen Scheibenabständen ist die durch Absenkung des Gasdruckes erzielbare Reduktion des k-Wertes vorwiegend auf die Vermeidung der Konvektion zurückzuführen. Dazu reichen vergleichsweise bescheidene Vakua unterhalb 100 mbar aus. Die Anforderungen an solche Randverbundsysteme wären damit weniger hoch. Wenn die Wärmebrückenwirkung der Distanzhalter minimiert werden kann, sind k- Werte in der Nähe an der durch die Strahlung gegebenen Grenze von 0,5 W/m²K denkbar. Da das solare Transmissionsvermögen gegenüber konventionellen Zweischeibenverglasungen nicht vermindert wird, erzielt man damit vergleichbare g-Werte (0,63 und darüber). In Abschnitt 5 wird die Anwendung von Aerogel in Fenstern untersucht. Auf Grund seiner mikroporösen Struktur und der Eigenschaft, in dem bei Fensterapplikationen relevanten Temperaturbereich IR-Strahlung wirkungsvoll zurückzuhalten, besitzt Aerogel hervorragende isolierende Eigenschaften. Eine weitere Reduktion ist gar noch möglich, wenn das Porengas evakuiert wird. Dazu genügt freilich ein Absenken des Druckes unterhalb 50 mbar, da bei der kleinen Porengrösse der Knudseneffekt schon bei Normaldruck eintritt und die Gasleitung schon dort reduziert erscheint. Die Beschreibung des Wärmetransportes in Aerogel erweist sich als sehr kompliziert, da die Wärmetransportmechanismen gekoppelt erscheinen. Jedoch gelingt es mit einem halbempirischen Modell nach [Cap 85], das experimentelle Verhalten gut wiederzugeben. Aus dem Vergleich mit den Messungen erhält man als Modellparameter für die Gerüstleitung lS = 8 mW/mK. Bei der uns zur Verfügung stehenden Aerogelqualität (r = 160 - 200 kg/m³) wird damit der Wärmetransport durch die Gerüstleitung dominiert. Verringern liesse sich dieser Gerüstleitungsanteil durch Verwendung von Aerogel geringerer Dichte, doch muss dort durch die verringerte Extinktion ein erhöhter Strahlungsanteil in Kauf genommen werden. In dem sich so ergebenden Optimierungsproblem müssten auch Fragen der Festigkeit und der Transparenz miteinbezogen werden. Da Aerogel in dem für Fenster wichtigen Temperaturbereich IR-Strahlung wirkungsvoll zurückhält, kann auf eine IR-Verspiegelung der Glasscheiben verzichtet werden. Eine erhebliche Wirksamkeit einer reduzierten Randemissivität kann erst erwartet werden, wenn zwischen Aerogel und Glasscheibe ein Luftspalt eingefügt wird, wodurch eine Entkopplung von Strahlung und Leitung eintritt. Mit der uns zur Verfügung stehenden Aerogelqualität erzielt man bei 13 mm Dicke einen k-Wert von 0,99 W/m²K (Argon 0,89 W/m²K). Wird das Fensterelement evakuiert, so sinkt der k-Wert auf 0,69 W/m²K. Eine gleiche Reduktion erhält man auch in Aerogelfensterelementen mit zwei Luftspalten (je 12 mm) und einfacher IR-Verspiegelung. Weniger herausragend sind die optischen Eigenschaften der verfügbaren Aerogelqualität. Während sich das solare Transmissionsvermögen noch in einem zu einer IR-verspiegelten Zweischeibenverglasung vergleichbaren Rahmen bewegt, sind bei der visuellen Transparenz durch Rayleigh-Streuung gewisse Einbussen in Kauf zu nehmen. Sie führt zu einem bläulichen Schimmer vor dunklem Hintergrund; eine weisse Fläche erscheint in der Durchsicht blass gelblich, da nun ein gewisser Anteil am blauen Ende des Spektrums fehlt. Die bisher verfügbaren Aerogelblöcke vermögen daher den gewohnten hohen Ansprüchen, die heute an die visuelle Transparenz von Fenstern gestellt werden, (noch) nicht zu genügen. Denkbar ist daher vorläufig der Einsatz von Aerogel in Oberlichtern und in transparenten Wärmedämmungen. Denselben Anwendungsbereich muss auch Aerogelgranulatfenstern zugeordnet werden, dessen Eigenschaften ebenfalls untersucht werden. So erzielten wir mit einer Aerogelgranulatschüttung von 20 mm Dicke einen k-Wert von 0,84 W/m²K (Argon 0,76 W/m²K). Durch Evakuieren fällt der k-Wert auf 0,49 W/m²K, wobei jetzt aber Drucke unterhalb 1/10 mbar erforderlich sind, da der Knudseneffekt in den Luftzwischenräumen zwischen den Aerogelkügelchen erst später eintritt. Die Reflexion der Strahlung an den vielen Einzelkügelchen führt als zusätzlicher Streueffekt dazu, dass die Durchsicht verloren geht. Darunter leidet vor allem das Transmissionsvermögen im visuellen Bereich; insbesondere bei zunehmendem Einfallswinkel fällt die Transmission daher relativ rasch auf Null ab. Der g-Wert (g = tS + qi) liegt bei Aerogelfenstern um 0,6. Er kann durch Verwendung von eisenarmem Glas und damit einhergehender Verbesserung der Transmission noch etwas erhöht werden. Die bisher verfügbare Aerogelqualität zeigt zwar ausreichende Festigkeit bei reinen Druckbelastungen auf, jedoch führen Biege- und Scherbeanspruchungen leicht zum Bruch. Um Bruch zu vermeiden, sind bei Herstellung, Konstruktion, Transport und Einsatz von Aerogelfenstern entsprechende Massnahmen zu treffen. Der abschliessende Abschnitt 6 ist schliesslich simultanen thermogravimetrischenmassenspektrometrischen Messungen an Aerogel gewidmet. Damit können die flüchtigen Stoffarten untersucht werden, die von der bemerkenswert hohen spezifischen Oberfläche desorbiert werden. Ein Grossteil davon ist wegen seiner Polarität Wasser. Will man das isolierende Potential von Aerogel durch Evakuieren voll nutzen, so kann das Ausgasen dieser flüchtigen Stoffarten zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Einhaltung eines gegebenen Druckes führen: Wird Aerogel vom Rand her evakuiert, so beobachtet man lange Evakuationszeiten von Stunden und Tagen. Bestimmend für dieses Verhalten ist die Diffusion, die bei einem porösen Adsorbens wie Aerogel über zwei Kanäle erfolgen kann: Die Volumendiffusion (Gasströmung) und die Oberflächendiffusion entlang den Porenwänden. Unter gewissen Annahmen kann das Problem zurückgeführt werden auf die Lösung einer Diffusionsgleichung mit einem effektiven Diffusionskoeffizienten. Man erhält damit eine Abschätzung für die Ausgasungszeit bei einem gegebenen Ausgasungsgrad. Danach sollten lange Diffusionswege vermieden werden. Aerogel sollte deshalb schon vor dem Einbau in das Fenstersystem von seiner ganzen Oberfläche her evakuiert werden. Die Entgasung wird gefördert durch Erwärmung, wodurch der Bedeckungsgrad des Adsorptives innert nützlicher Frist absinkt, sofern das Aerogel von seiner ganzen Fläche her einem Medium mit niedrigem Partialdruck des Adsorptives ausgesetzt wird. Es zeigt sich, dass atmosphärische Gase durch blosses Evakuieren entfernt werden können. Zur vollständigen Austreibung des physisorbierten Wassers sind hingegen Temperaturen gegen 100 °C notwendig. Bei höheren Temperaturen werden je nach Gasmedium auch andere Stoffarten freigesetzt. Diese stammen von herstellungsbedingten Rückständen und aus Sekundärreaktionen derselben. Für die Anwendung im Fensterbereich sind jedoch diese Temperaturen nicht von Interesse. So tritt eine Verfärbung erst bei höheren Temperaturen unter Sauerstoffmangel auf und kann auf unreagierten Kohlenstoff zurückgeführt werden.
ContributorsGüntherodt, Hans-Joachim; Plattner, Gian-Reto
Date1991
TypeThesis; NonPeerReviewed
Formatapplication/pdf
Identifier
Identifier Reber, Georges. Eigenschaften und Einsatzmoeglichkeiten von Aerogelfenstern : im Vergleich mit konventionellen sowie evakuierten Fenstern. 1991, Doctoral Thesis, University of Basel, Faculty of Science.
Identifier10.5451/unibas-000686487
Identifierinfo:doi/10.5451/unibas-000686487
Identifierurn:urn:nbn:ch:bel-bau-diss19732
Languagedeu
Relation
Rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccess