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Glasentwicklung: Das Fenster als Energiespender

  • Autor: Bernd Kramer, ehemaliger Vorstandsvorsitzender der Interpane Glasindustrie AG

(23.6.2008) Modernes 3fach-Wärmedämmglas macht Fenster heute zum einfachsten aber auch effizientesten System zur Nutzung von Sonnenenergie durch bauliche Mittel. Entsprechend ausgestattete Fenster nehmen durch die Kombination einer exzellenten Wärmedämmung (Ug-Wert) mit einem hohen Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert) - abhängig von Lage und Abmessungen der Glasfläche - mehr Energie auf, als sie abgeben. Das Fenster verliert somit seinen Ruf als Heizenergie-Verschwender - und wird zum Energiespender. Bereits 1976 konstatierte Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser, Leiter des Fraunhofer Institutes für Bauphysik (Stuttgart), dass Fenster mit ihrem transparenten Glasanteil für die Energiebilanz eine wesentliche und positive Rolle spielen.


3fach-Verglasung - Interpane nennt es "Superwarmglas"

Glas schützt vor extremen Temperaturen, vor der Witterung, Lärm, Gewalteinwirkung und Feuer. Glas trennt drinnen von draußen und verbindet gleichzeitig Menschen mit der Natur. Glas vermittelt Behaglichkeit, sorgt für die Raumlüftung und ermöglicht die Nutzung des natürlichen Tageslichtes im Inneren von Gebäuden. Das fördert das menschliche Wohlbefinden und befriedigt unser Bedürfnis nach Licht, Luft und Sonne. Zur ästhetischen Faszination kamen schon vor mehr als 30 Jahren ganz funktionale Anforderungen, die Glas heute selbstverständlich erfüllt. Die bis in die 70er Jahre übliche Einfachverglasung verursachte extrem hohe Wärmeverluste (Ug = 5,8 W/m²K). Mit der Entwicklung von Isolierglas und dem quasi gesetzlich verordneten Einsatz ab 1977 wurden die Ug-Werte mit 3,0 W/m²K bereits deutlich verbessert. Der Energieverlust wurde geradezu halbiert.

Dünnschicht-Technologie und Füllung vs. Strahlung und Wärmefluss

Eine weitere Halbierung der Energieverluste ermöglichte die Koppelung der Isolierglastechnik mit moderner Dünnschicht-Technologie für das transparente Beschichten des Glases. Denn der Wärmefluss von Isolierglas wird bestimmt durch den Strahlungsaustausch zwischen den Scheiben und der Wärmeleitung und Konvektion des Mediums im Scheibenzwischenraum (SZR). Aufgrund des hohen Emissionsvermögens der Glasoberfläche entfallen bei unbeschichtetem Zweifach-Isolierglas etwa zwei Drittel des Wärmeflusses auf den Strahlungsaustausch zwischen den Glasscheiben und etwa ein Drittel auf die Wärmeleitung und Konvektion der Luft im SZR. Die Wärmefunktionsschicht senkt beispielsweise bei iplus (Interpane Glas Industrie AG) das Emissionsvermögen von εn = 0,89 auf εn = 0,03. So wird der Strahlungsaustausch praktisch vollständig unterdrückt. Dadurch sinkt der U-Wert bereits von 3,0 W/m²K auf 1,4 W/m²K. Da zudem die Luft im SZR durch das Edelgas Argon ersetzt wird, das über eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Luft verfügt, sinkt der U-Wert zusätzlich um 0,3 W/m²K auf 1,1 W/m²K.

Auf den gleichen physikalischen Grundlagen basiert die Wirkungsweise von beschichtetem Dreifach-Wärmedämmglas wie iplus 3CL mit einem Ug-Wert von 0,5 W/m²K bei Kryptonfüllung. Es erreicht zudem einen hohen Gesamtenergiedurchlassgrad von 55 Prozent, bei einer Lichtdurchlässigkeit von 72 Prozent.

Damit ist die Glasbranche bereits heute in der Lage, der zu erwartenden Verschärfung der Energieeinsparverorderung 2009 zu entsprechen. Ebenso sind die Voraussetzungen geschaffen, den bei Neubauten mittelfristig angestrebten Niedrigstenergie- bzw. Passivhaus-Standard zu erfüllen. Heute bestimmen Bauherren den Umfang der Glasflächen nicht mehr nur unter dem Gesichtspunkt der Raumausleuchtung mit Tageslicht. Große Flächen gelten als "modern" und sind mit den exzellenten energetischen Werten heutiger Dreifach-Wärmedämmgläser keine Energieverschwender mehr - sondern Energiespender.

Modernes Dreifachglas als Energiespender ...

Bereits 1976 konstatierte Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser, Leiter des Fraunhofer Institutes für Bauphysik (Stuttgart), dass Fenster mit ihrem transparenten Glasanteil hinsichtlich der Wärmebilanz des Raumes eine wesentliche - und positive - Rolle spielen. Er schrieb bereits in seiner Dissertation: "Zu den Einwirkungen von außen gehören die Strahlungsenergie durch Fenster, die Wärmequellen im Fensterglas oder auf dem Sonnenschutz infolge dort absorbierter Strahlungsenergie, die Transmissionswärme durch Fenster und Außenbauteile und der Luftaustausch zwischen dem Raum und der Außenluft." Das waren Betrachtungen, welche die Verglasung - ehemals in der Rolle des Energieverschwenders - erstmals als Energiespender erkannten. Bereits 1984 wurde die von Interpane unterstützte Untersuchung, welchen Einfluss Fenster auf den Heizwärmeverbrauch von Wohngebäuden ausüben, vorgestellt und veröffentlicht. Es wurde nachgewiesen, dass neben dem Wärmedurchgangskoeffizienten - damals noch k-Wert - auch die passive Sonnenenergienutzung berücksichtigt werden muss, die bei der Verglasung deutlich höher ist, als bei allgemein üblichen Außenwand-Konstruktionen. Da Fenster ein multifunktionales System darstellen, muss ihre energetische Kennzeichnung auch den Gesamtenergiedurchlassgrad sowie der Tageslichttransmissionsgrad und bei temporären Wärmeschutzmaßnahmen der Wärmedurchgangskoeffizient umfassen.

... nicht ohne Maßnahmen für den sommerlichen Wärmeschutz

Fenster mit modernem 3fach-Wärmedämmglas stellen heute das wohl einfachste, aber auch effizienteste System zur Nutzung von Sonnenenergie durch bauliche Mittel dar - passive Solarenergienutzung. Sie sind in hohem Maße in der Lage, Sonnenenergie zur Reduzierung des Heizenergieverbrauchs zu nutzen. Zur Vermeidung unbehaglicher Verhältnisse im Sommer müssen jedoch auch Aspekte des sommerlichen Wärmeschutzes beachtet werden. Denn das sommerliche Wärmeverhalten eines Gebäudes wird in erster Linie von der durch das Fenster in das Gebäude gelangenden Sonnenstrahlungsenergie bestimmt. Diese hängt ab von der Energiedurchlässigkeit des Fensters sowie dem Größen- bzw. Fensterflächenanteil.

Neben den Wärmeverlusten sind unbedingt auch die Sonnenenergiegewinne zu berücksichtigen, die abhängig sind vom g-Wert des Glases und der Orientierung abhängig sind - auf der Südseite eines Gebäudes sind in der gesamten Heizperiode Strahlungsgewinne von 2,10 W/m²K möglich. Das den Räumen zur Verfügung stehende Tageslicht wird wiederum hauptsächlich vom Tageslichttransmissionsgrad beeinflusst. Hieraus ergeben sich bei Bürogebäuden und Gebäuden mit ähnlicher Nutzung erhebliche Auswirkungen auf den Stromverbrauch für Kunstlicht. Bei diesen Gebäuden sollen möglichst hohe Transmissionsgrade vorliegen. Durch ausgezeichnete Dämmwerte moderner "Superwarmgläser" wie iplus 3CL können die Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert werden. Diese ermöglichen es, dass entsprechend ausgestattete Fenster über die gesamte Heizperiode gemittelt mehr Energie aufnehmen als abgeben.

Eine Langversion dieses Artikels ist in der Festschrift anlässlich des 60. Geburtstages von Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser im Fraunhofer IRB Verlag erschienen. Hauser ist geschäftsführender Leiter des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik (IBP) in Stuttgart und als Professor für Bauphysik an der Technischen Universität München tätig.

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