Der Einfluss des thermischen Emissionsvermögens e o auf der Außenoberfläche von Verglasungen

1. Der Einfluss des thermischen Emissionsvermögens eo auf der Außenoberfläche von Verglasungen Hans Joachim Gläser 87. Glastechnische Tagung in Bremen, 29.05.2013

2. Gliederung • Der Einfluss von eo , wenn die Wärmekapazität Hraumdes Raums • hinter der Verglasung quasi unbegrenzte ist. • Beispiel: Gebäudeverglasung • Der Einfluss von eo, wenn die Wärmekapazität HRaum des Raums • hinter der Verglasung begrenzt ist. • Beispiel: Flachkollektoren- und Kfz- Verglasungen • - Schlussfolgerungen für die Entwicklung von diesen Verglasungen

3. Der Einfluss von eo bei Gebäudeverglasungen, d. h. wenn HRaumquasi unbegrenzt, d. h. die Temperatur des Raums hinter der Verglasung ti zeitlich konstant ist. Zu unterscheiden sind: - Solarer Energieeinfall Qsol = 0, d. h. der Nachtfall - Solarer Energieeinfall Qsol > 0, d. h. der Tagfall

4. 1.1 Der Einfluss bei Gebäudeverglasung bei Qsol = 0, d. h. nachts Einfluss von eo auf die Außenoberflächentemperatur tos? Berechnung mit dem ‚Thermischen Bilanzmodell‘ (s. 85. DGG-Tagung in SB) Gleiche umgebende klimatische Bedingungen vorausgesetzt folgt: Mit fallenden thermischen Emissionsvermögen eo der Außenoberfläche erhöhen sich die Außenoberflächentemperaturen tos. Bei der hier vorgegebenen Verglasung iplus 3E von tos = ~ -5 °C (5 K unter to!) bei eo = 0,84 (originale Glasoberfläche) auf tos = ~2,0 °C bei einer Außenschicht mit eo = 0,1.

5. Wie kann man sich diese erhebliche Erhöhung Außenoberflächentemperatur tos zunutze machen? Vermeidung von Taupunktüberschreitung/Beschlagvermeidung auf der Außenoberfläche. Untersuchung Fa. Interpane E&B, 2002/2003 Dachfensterverglasung mit Neigung 45° Ug= 0,7 W/m2K Ug= 1,0 W/m2K eo = 0,17, FTO-Schicht eo = 0,84, unbeschichtet Ursache des Effektes: Niedrigemittierende Schichten reduzieren die Wärmeabstrahlung an den Himmel, wodurch sich die Temperatur der Verglasungsaußenoberfläche erhöht und Tau- punktüberschreitung vermieden werden kann.

6. Mit welchem eo kann unter kritischsten Witterungsbedingungen Beschlag auf der Außenoberfläche vermieden werden? iplus E = 2-fach-W.Dämm- scheibe, Fa.Interpane; Ug = 1,2 W(m2K) iplus 3E = 3-fach-W.-Dämm- Scheibe, Fa. Interpane; Ug = 0,58 W/(m2K) Es gibt für jede Verglasung und jedes eo eine minimale Außenlufttemperatur tomin (= tos wegen rHo = 100%), oberhalb der nur Außenbeschlag bzw. unterhalb der kein Außenbeschlag auftreten kann. Mit fallendem eo steigt tomin. Unterhalb der Kurven für rHo= 100% kein Beschlag. Für eo = 0 kann Beschlag nur für rHo = 100% auftreten und tomin= tos= ti, d. h. QN ist dann = 0. Wegen der Anforderung der Witterungsbeständigkeit ist heute nur der Einsatz von SnO2:F-, In2O3:Sn-Schichten (keramischen Schichten) mit eo > 0,15 möglich.

7. 1.2 Der Einfluss Gebäudeverglasungen bei Qsol > 0, d. h. Tagfall Einfluss von eo auf die Energiebilanz im Innenraum Qbal,i? Niedrigemittierende Schichten verringern den Wärmeverlust und erhöhen den solaren Gewinn. Gleiche Bedingungen vorausgesetzt folgt: Der Einfluss von eo ist umso größer je größer Ug, d. h. je schlechter die Wärme- dämmung ist. Das Ergebnis gilt für alle Verglasungen, auch bei Flachkollektoren und Kfz.

8. 2. Der Einfluss von eo im Falle der Abkühlung nachts, d. h. Qsol = 0 bei - Flachkollektor- und - Kraftfahrzeuge-Verglasungen, wenn HRaumbegrenzt ist.

9. 2.1 Abkühlungsverhalten von Flachkollektoren Untersuchte Konstruktionen • - Wärmekapazität pro Platinenfläche • (0,5 mm dickes Cu-Blech, Wärmeträgerrohre mit Wasser gefüllt): ccol ≈ 4,2 kJ/m2K • Wärmekapazität der Abdeckscheiben: 0 kJ/m2K, • Berechnungen wiederum mit dem ‚Thermischen Bilanzmodell‘

10. Berechnung der Kollektorabkühlung während der Nacht (Qsol= 0) (Algorithmus: Differenzenverfahren auf der Basis des ‚Thermischen Bilanzmodells‘) Flachkollektor mit Einfachscheibenabdeckung • Glasabdeckung mit eo = 0.84 (unbeschichtet) • Beginn der Abkühlung: tcol=70 °C; tglass=~25 °C • Nach ~1/2 h unterschreitet tglassto; • Beschlag ist ab dann bei rHo = 100% möglich. • Nach ~ 1½ h unterschreitet auch die Platine to. • Beide Abkühlkurven treffen sich am Ende der • Abkühlung im En-Punkt unterhalb to; hier gilt: • tcol,En = tglass→ QN = 0; • Glas und Platine sind bei gleicher rHo beschlagen. • ‚Worstcase‘ der Abkühlung! Flachkollektor mit Doppelscheibenabdeckung • Glasabdeckung mit eo= 0,2 • Die Abkühlungsgeschwindigkeit verringert sich; • d. h., tglassunterschreitet erst nach 1,8 h to, • tcol nach 2,5 h. • Beide Kurve treffen sich wieder im En-Punkt; • ‚Worstcase‘ der Abkühlung! • Die Abkühlzeit bis zum En-Punkt ist aber nahezu • konstant,da die Abkühlung unter to geringer ist. • - Wichtig: tcol,En hängt von eoab!

11. Ergebnis der Abkühlverläufe Mit steigender Wärmedämmung der Verglasung und fallendem Emissionsvermögen eo der Außenoberfläche verringert sich die Abkühlgeschwindigkeit des Raums hinter der Verglasung. Die Abkühlung erreicht einen Endpunkt, Energieneutralpunkt En genannt, wenn die Temperatur der Außenscheibe tGlass(1) = die der Kollektorplatine tcol,Enist. Der Wärmeverlust QN von der Kollektorpla- tine zum Außenraum ist dann 0. Der En-Punkt ist der kritischste Fall für die Abkühlung. Die Kollektor- platine und beide Seiten der Abdeckscheibe(n) sind ggf. beschlagen! Die En-Punkttemperatur unterschreitet nach hinreichender Abkühlzeit immer die Außenlufttemperatur to. Folge: Hierdurch verschlechtert sich die solare Energieausbeute des Kollektors, da der Kollektor nach Sonnenaufgang aufgeheizt werden muss.

12. Wie hängt tcol,En, d. h. der Endpunkt der Abkühlung von toab? Berechnung für einen Flachglaskollektor mit Einfachabdeckung Die maximal mögliche Abkühlung der K.-Platine unter die Außentem- peratur (to – tcol,En) ist für ein vorge- gebeneseo unabhängig von to nahe- zu gleich. Die Abkühlung von tcol,En unter to ist umso geringer, je kleiner eo ist und Mit eo→ 0 erhöht sich die solare Energieausbeute des Kollektors!

13. Bei welcher Außenluftfeucht tritt bei tcol,En-im Folgenden rHo,Engenannt – , d. h. bei dem worst-case der Abkühlung in Abhängigkeit von to und eo Beschlag auf? Für abnehmende eo erhöht sich die Luftfeuchte rHo,En, oberhalb der Beschlag sowohl auf den Glasoberlächen als auch auf der Platinenoberfläche auftritt. (worstcase!) Für rHo < rHo,Enkann Außenbeschlag nicht auftreten. Da die H2O-Verdampfung energieträchtig ist, erhöht sich mit eo→ 0 ebenfalls die solare Energieausbeute des Kollektors!

14. Zusammenfassung der Berechnungen am Endpunkt der Abkühlung En, worst-case-scenario genannt. Grund für die Gleichheit der Ergebnisse: Die Berechnungen beziehen sich auf den En-Punkt, an dem in beiden Fällen der Wärmeverlust null ist, d. h. der Wärmeleitwert der Abdeckverglasung ist in diesem Fall unerheblich. Einzig eobestimmt in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen (Strahlung, Kon- vektion) (to – tcol,En) und rHo,En,to=0. Dargestellt ist der worstcase. Wird bei der Abkühlung En nicht erreicht, ist die Abkühlung unter to geringer und Beschlag tritt erst bei höheren rHo auf.

15. 2.2 Abkühlungsverhalten von Kraftfahrzeugen Parameter, die das thermische Verhalten bestimmen. QN Die Innenraumlufttemperatur tiwird beim Abkühlprozess entscheidend von der Himmelstemperatur tskyund der Temperatur der Kabinenein- richtungtcab. Bestimmt. Da die W.-Käpazität der Innenraumluft sehr viel kleiner als die der K.-In- neneinrichtung ist (Hi >> Hcab.),folgt in der Abkühlphase: ti ≤ tcab. Der En-Punkt, d. h. der ‚worstcase‘ beim Abkühlen während der Nacht, ist erreicht, wenn ti,En = tcab. Das Abkühlverhalten von Kfz ist wegen der schwer zu ermittelnden Wärme- kapazität der Inneneinrichtung Hcab. schwierig zu berechnen. Am En-Punkt, dem ‚worstcase‘, ist dies jedoch möglich, da hier Hcab. keine Rolle spielt.

16. Aus den Berechnungen am En-Punkt folgt: Niedrigemittierende Schichten verringern die Kabinenabkühlung unter die Außenlufttemperatur to. Vorteil: Verringerung der Klimatisierungsenergie! Sie verringern gleichzeitig das Außenbeschlagrisiko bei Nacht. Vorteil: Erhöhung der Fahrsicherheit bei Reifbeschlagbedingungen! Überprüfbarer Stand der Technik! Achtung: Niedrigemittierende Schichten auf der Außenoberfläche erhöhen wegen der Einfachverglasung der Windschutzscheibe den solaren Gewinn erheblich (s Folie 6)!

17. Erklärung des thermischen Verhaltens am En-Punkt Exterior Assumption: Qsol = 0 Temperature Roomcooling down Qsky(b, tsky., eo, tos) Glazing Atthedeepestroom temperatureti = ti,En, itfollows: ti,En= tosand to tground Qconv..(to., aoc, tos) tos Qlossthroughglazing= 0 Qground(b, tground, eground, eo, tos) tsky Durch was wird tos bestimmt? Qsky ,Qconv. und Qground bestimmen Außenoberflächentemperatur tos. Richtung der Wärmeflüsse? Wenn die antreibend Temperatur tsky, to, tground < tosist, fließt Energie von und wenn die antreibende Temperatur > tosfließt Energie zur Oberfläche. Es gilt am En-Punkt, d. h. für Qloss = 0: Qsky= Qconv. + Qground

18. Schlussfolgerungen für die Entwicklung von Verglasungen

19. Aus den Untersuchung können für alle Verglasungen folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: Bei Qsol = 0 W/m2 (Nachtfall) Charakteristisch ist in diesem Fall für Verglasungen: ‚Kühlschrank-Effekt!‘ (Abkühlung des Raums hinter der Verglasung, ggf. bis unter to). Die Studie hat ergeben: Die Abkühlung des Raums und das Außenbeschlag- risiko ist um so geringer, je kleiner das Emissionsvermögen eoder Außenober- fläche ist. Bei Qsol > 0 W/m2 (Tagfall) Charakteristisch ist in diesem Fall für Verglasungen: ‚Sonnenkollektor-/TreibhausEffekt!‘ (solare Energiegewinn) Die Studie hat ergeben : Der Sonnenkollektor-/Treibhaus-Effekt ist umso größer, je kleiner das Emissionsvermögen eoder Außenoberfläche und je geringer die Wärmedämmung der Verglasung ist. Achtung: Erhöhtes solare Absorptionsvermögen der Schicht wirkt dem entgegen!

20. Folgerungen für die Produktentwicklung bei eo→ 0 : • Kollektorverglasungen • Bei Qsol = 0 (Nachtfall): Verringerung der Abkühlung des Kollektors sowie des • Außenbeschlagrisikos • Bei Qsol >0 (Tagfall): Erhöhung des Sonnenkollektoreffektes. • Optimale Anwendung! • Kfz-Verglasungen • Bei Qsol = 0: Verringerung der Abkühlung der Kfz-Kabine sowie des Außen- • beschlagrisikos • Bei Qsol >0 wird im Winter: Unterstützung der Kabinenklimatisierung, • im Sommer: Erheblich erhöhter Treibhauseffekt wegen Einfachverglasung. • eo→ 0 hat bei Kfz-Verglasungen Vor- und Nachteile! • Gebäudeverglasungen • Bei Qsol = 0: Verringerung der Abkühlung des Raums sowie des Außen- • beschlagrisikos • Bei Qsol >0 im Winter: Unterstützung der Raumklimatisierung, • im Sommer: Erhöhung des Treibhauseffektes. • Lösung: Energieneutrales Kastenfenster!

21. Lösung: Kastenfensterkonstruktion als mögliche zukünftige, energieneutrale Hochbau-Fensterverglasung (Hybride Lösung!) Definition: Energieneutral = Kompensation der Verluste bei Nacht durch so gering wie mögliche solare Energiegewinne bei Tag, z. B. auch bei bedecktem Himmel • Funktion: • Nachts Jalousie geschlossen: • Ug ~ 0,3 W/(m2K); eo ~ 0,2 ist • zwingend notwendig! • Tagsüber zur Unterstützungung der • Raumklimatisierung geöffnet oder • geschlossen zur Vermeidung des • Treibhauseffektes Closedcavity; nutzbar als aktives Bauelement? H. J. Gläser, Approachingenergy-neutral windowglazing, Proc. engineerredtransparency, intern. Conf. atglasstec, Düsseldorf, Germany, p. 681 - 694

22. Der Autor dankt Firma Interpane E&B, Lauenförde, für die Unterstützung der Studie Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit