Glasmaterialien für energieeffiziente Gebäudetechnik

Einleitung

Mit Stahl und Glas ist viel mehr machbar, als man gemeinhin annimmt. Ob in Gebäudehüllen, Tragwerken oder als Kunst am Bau: Für uns Spezialistinnen und Spezialisten sind es faszi­nierende, äusserst verlässliche Materialien, die Bauwerken ein unverwechselbares Antlitz verleihen. Aber sie stellen Ansprüche. Im Bereich der Gebäudetechnik ist Glas vor allem bei der Solaranlage sehr beliebt. Mit diesem Material ist der Wirkungsgrad relativ hoch und die ganze Anlage wird effizienter betrieben. Zusätzlich ist die Farbe des Glases massgebend, weil dadurch die Sonneneinstrahlungen entweder besser oder schlechter eingefangen werden. Glas kann aber in Form eines Fensters aber auch die Gebäudetechnik negativ zu Lasten fallen. Durch direkte Sonneneinstrahlung in den Raum, muss mit einem Kühlsystem die Kühllast abgeführt werden, entweder in Form einer Lüftungsanlage oder einer Klimaanlage.

Photovoltaik

Photovoltaik-Anlagen wandelt Sonnenlicht in Strom um, dazu werden Solarzellen benötigt. Um die Langlebigkeit dieser Zellen zu gewährleisten, muss die Vorder- und Rückseite durch Glas geschützt werden. Für Photovoltaik-Anlagen werden heute hauptsächlich Varianten verwendet. Diese sind polykristalline Module, monokristalline Module und Dünnschichtmodule. Die Dünnschichtmodule werden mit speziellen Gläsern hergestellt. Neben den Dünnschichtmodulen verwenden auch die Glas-Folie-Module und die Glas-Glas-Module spezielle Gläser. Hierfür werden Dünngläser verwendet, welche im Floatglasverfahren hergestellt werden.

Dünnschicht-Module

Die Dünnschichtzellen sind im Vergleich zu den kristallinen Zellen aus Wafern ungefähr hundertmal dünner. Dies gelingt durch ein anderes Herstellungsverfahren. Bei der Dünnschichtzelle werden die gewünschten Stoffverbindungen direkt auf das Trägermaterial aufgedampft. Als Trägermaterial stehen je nach Gebrauch verschiedene Materialien zur Verfügung. Wie zum Beispiel Glas, Metallblech oder Kunststoff. Mit diesem Herstellungsverfahren kann man viel Material einsparen und so kostengünstig herstellen. Im Gegensatz zu den kristallinen Zellen werden die Dünnschichtzellen auch gleich auf ihre gewünschte Grösse produziert. Die Dünnschichtzellen sind sehr flexible und werden deshalb auch für ungewöhnliche Produkte verwendet, wie Kleider oder Rucksäcke. Das grosse Minus der Dünnschichtzellen ist der geringe Wirkungsgrad von nur 5 bis 10 Prozent. Deshalb ergibt es nur Sinn, dass man diese Zellen für Photovoltaik-Anlagen verwendet, wenn eine grosse Fläche zur Verfügung steht. Auch die Lebenserwartung liegt auch nur bei unter 20 Jahren. Diese Nachteile werden jedoch durch den deutlich tieferen Preis relativiert.

Glas-Folie-Module

Bei den Glas-Folie-Modulen werden die Zellen auf der Vorderseite von einer Glasplatte abgedeckt. Dieses besteht aus gehärtetem, lichtdurchlässigem, eisenarmen Glas. Im Gegensatz zur Vorderseite werden diese Module auf der Rückseite mit einer Kunststofffolie eingefasst. Durch diesen Aufbau erhalten diese Module ihren Namen und sind äusserst widerstandsfähig gegen mechanische Einwirkungen und Umwelteinflüsse. Im Vergleich zu den Dünnschichtmodulen sind die Glas-Folie-Module viel aufwendiger in der Herstellung, haben aber auch einen besseren Wirkungsgrad.

Glas-Glas-Module

Das Gleiche wie für die Glas-Folie-Module gilt für die Glas-Glas-Module, diese sind aufwendiger in der Herstellung als Dünnschichtmodulen, jedoch auch wirkungsvoller. Im Gegensatz zu den Glas-Folie-Modulen werden die Zellen bei den Glas-Glas-Modulen von der Vorder- und Rückseite von gleich dicken Glasscheiben ummantelt. Diese Ummantelung bietet den Solarzellen im Inneren der Glasmodule einen höheren Schutz vor Beschädigungen als bei herkömmlichen PV-Modulen und Glas-Folien-Modulen, bei denen die Solarzellen zwischen einer Glasscheibe auf der Vorderseite und einer Glasfolie auf der Rückseite liegen.

Floatglasverfahren

Das Floatglas zählt zu den Dünngläsern, welches im sogenannten Floatglasverfahren gefertigt wird. In diesem Prozess wird die flüssige Glasschmelze kontinuierlich auf ein Zinnbad geleitet. Auf dem Zinnbad schwimmt die leichtere Glasschmelze und breitet sich aus. Ein Grossteil, der heutzutage verwendeten Dünngläser werden in diesem Verfahren hergestellt.

Beschichtungen für Glas für Licht- und Wärmemanagement

Der Anteil Fensterflächen der heutigen modernen Gebäude ist sehr hoch, da sie ästhetisch gut aussehen. Jedoch haben Fenster nicht nur gute Eigenschaften. Im Winter kann es zu Transmissionswärmeverluste kommen, da die Fenster schlecht gedämmt sind. Es kommt zu einer Abkühlung der raumseitigen Oberflächen, das einen Einfluss auf die Raumtemperatur hat. Im Sommer kann es zu einer Überhitzung der Räume führen. Da die Glasscheiben eine gute Durchlässigkeit von Sonnenstrahlen hat. Die Eingestrahlte Sonnenenergie wird im Raum durch Absorption und Emission in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt. Um all diese Probleme zu eliminieren wurden verschiedene Glasbeschichtungen erfunden.

Hochvakuum-Magnetron-Verfahren

Seit einigen Jahrzehnten werden Isoliergläser mit lichtdurchlässigen, wärmereflektierenden Schichten veredelt. Bei diesem Verfahren werden die Beschichtungen nachträglich nach dem Floatherstellung aufgebracht.

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  Schema einer Hochvakuum-Magnetroanlage

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  Prinzip der Kathodenzerstäubung (Sputtern)

Sputtern: Herauslösen von Atomen aus dem Tagetmaterial mittels Ionenbeschuss Vakuum: Ein abgeschlossener Hohlraum ist vom darin enthaltenen Gas mittels geeigneter Vakumpumpen befreit worden. Kathode: Negative Elektrode einer elektronischen Entladung Anode: Positive Elektrode einer elektronischen Entladung Ion: Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Molekül, dem ein oder mehrere Elektronen fehlen.

Pyrolyse

Dieses Beschichtungsverfahren wird heutzutage kaum mehr eingesetzt. Flüssige Metalloxide werden während dem Floatproduktion direkt auf das heisse Glas aufgesprüht. Diese Schichten sind sehr hart, jedoch deutlich weniger leistungsfähig. Diese Gläser können unter Vorbehalt auch als Einfachverglasung verwendet werden. Durch Umwelteinflüsse sind witterungsseitig Änderungen an der Beschichtung möglich.

Tauchverfahren

Dieses Beschichtungsverfahren wird heutzutage kaum mehr eingesetzt. Das Glas wird in einem heissen Bad mit flüssigen Metalloxiden eingetaucht und anschliessend eingebrannt. Dadurch entstehend harte Schichten und sind immer auf beiden Seiten der Scheibe.

Glaskontaktmaterialien

Glaskontaktmaterialien Unter dem Begriff «Glaskontaktmaterialien» bezeichnet man vor allem die Zwischenmaterialien im Glasbau zwischen Glasscheibe und Umrahmung. Durch diese Kontaktmaterialien wird das Glas in der Scheibenebene belastet und dies oftmals mit Dauerlasten. Um die Kräfte optimal ableiten zu können und Spannungsspitzen zu vermeiden, sollten die Kontaktmaterialien möglichst formstabil sein, aber auch nicht zu steif. Die wichtigsten Materialien für solche Anwendungsfälle werden unterschieden in Elastomere, Thermoplaste und Vergussmörtel. Neben diesen Kunststoffen wird auch Aluminium, das es eine vergleichbare Steifigkeit wie Glas aufweist oder seltener Hartholz eingesetzt. Elastomere: Werden eingesetzt, falls die dauerhaft einzuleitenden Lasten gering sind. Im Normallfall handelt es sich um Silikon, Etylen-Propylem-Dien-kautschuk (EPDM) oder Chloropren-Kautschuk (Neopren). Verwendung finden sie als Abstandhalter, Dichtungsprofile oder als umlaufende Lagerung für Horizontalverglasungen. Da sie eine geringe Steifigkeit aufweisen sind sie nicht als Verklotzungen geeignet. Bei einem gemischten Einsatz von EPDM und Silikon ist besonders auf die Materialverträglichkeit zu achten. Thermoplaste: Diese werden bei hohen dauerhaften Lasten eingesetzt. Die Gebräuchlichsten sind Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Ployvinylchlorid (PVC) und Polyamid (PA6). Vergussmörtel: Wird überwiegend bei Lochleibungsverbindungen und absturzsichernden Verglasungen eingesetzt um Toleranzen auszugleichen

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  Ausgleich der Toleranzen mittels Vergussmörtel bei der Kontakteinleitung in ein Vierfachlaminat über Lochleibung (Bildnachweis: Octaube)