Wärmeübertragung durch Isolierglaseinheiten unter klimatischen Belastungen

Datum: 30. Januar 2023

Autor: Zbigniew Respondek

Quelle:Materialien2020, 13(2), 286

https://doi.org/10.3390/ma13020286

(Dieser Artikel gehört zum Sonderheft „Energie im Bauwesen und in der Baustoffindustrie“)

Eines der Konstruktionselemente beim Bau von Isolierglaseinheiten (IGU) sind mit Gas gefüllte enge Fugen, deren Zweck es ist, die thermischen Eigenschaften von Verglasungen in Gebäuden zu verbessern. Natürliche Veränderungen der Wetterparameter: Luftdruck, Temperatur und Wind beeinflussen die Gasdruckänderungen in den Zwischenräumen und damit die daraus resultierenden Belastungen und Durchbiegungen der einzelnen Glasscheiben einer Einheit. Bei niedrigen Temperaturen und steigendem atmosphärischem Druck können die einzelnen Glasscheiben eine konkave Form der Durchbiegung aufweisen, so dass die Dicke der Lücken in einer solchen belasteten Verglasung geringer sein kann als ihre Nenndicke.

Der Artikel analysiert die Auswirkung einer Reduzierung dieser Dicke bei winterlichen Bedingungen auf den Auslegungswärmeverlust durch Isolierglaseinheiten. Zu diesem Zweck wurden Durchbiegungen von Glas in Mustereinheiten ermittelt und auf dieser Grundlage die Dicke der Spalte unter Betriebsbedingungen abgeschätzt. Anschließend wurden der Wärmedurchgangskoeffizient und die Wärmestromdichte verglichen, die für Spalte mit Nenndicke und mit unter Last verringerter Dicke ermittelt wurden. Es zeigte sich, dass die Berücksichtigung des Einflusses klimatischer Belastungen unter bestimmten Voraussetzungen zu einer Erhöhung der berechneten Wärmeverluste durch IGUs führen kann. Dies geschieht, wenn die Lücken keine Wärme durch Konvektion übertragen, d. h. in einem linearen Bereich der Änderungen des Wärmedurchgangskoeffizienten.

Beispielsweise können die berechneten Wärmeverluste für derzeit hergestellte Dreifach-Isolierglas-Isoliergläser unter Bedingungen eines „milden Winters“ auf 5 % ansteigen, und für Doppelverglasungs-Isolierglas-Isolierrohre mit 10–14 mm Fugen beträgt dieses Verhältnis etwa 4,6 %. In anderen Fällen – z. B. bei großer Dicke der Lücken in einer Einheit, starker Reduzierung der Außentemperatur – treten Konventionen in den Lücken auf. Eine Reduzierung der Fugendicke führt dann nicht zu einer Verschlechterung der Wärmedämmung der Verglasung. Dieser Effekt sollte bei der Auslegung von IGUs berücksichtigt werden. Es wurde auch festgestellt, dass die Windlast keinen wesentlichen Einfluss auf die Dicke der Fugen hat.

Isolierglaseinheiten (IGU) werden in der Bauindustrie in der Regel als Füllung von Fenstern oder Glasfassaden eingesetzt und bestehen aus zwei oder mehr Komponentenglasscheiben, die an den Rändern mit einem Glasabstandshalter verbunden sind. Der Raum zwischen den einzelnen Glasscheiben bildet einen dichten, mit Gas gefüllten Spalt. Um die Wärmeleistung der so konstruierten Gebäudetrennwand zu verbessern, wird der Spalt mit Gas gefüllt, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Luft hat, meist Argon. Eine weitere Verbesserung der Leistung wird durch den Einsatz von Teilglasscheiben mit einer Low-E-Beschichtung erreicht – eine solche Beschichtung muss auf der Seite des Spalts angebracht werden, da sie bei Witterungseinflüssen schnell korrodiert. Die Dichtheit des Spalts in Isolierglaseinheiten ist daher ein notwendiger Faktor für die Aufrechterhaltung einer guten Wärmedämmung transparenter Verglasungen [1,2].

Enge Fugen bestimmen jedoch einige spezifische Eigenschaften von IGUs im Zusammenhang mit der Übertragung von Umweltlasten und der damit verbundenen Verformung von Strukturelementen. Der Spalt wird im Produktionsprozess der Einheit mit Gas gefüllt, daher weist das Gas im Spalt einige Anfangsparameter Druck, Temperatur und Volumen auf. Unter Betriebsbedingungen ist eine Isolierglaseinheit klimatischen Belastungen ausgesetzt, die aufgrund der Druckdifferenz zwischen Spalt und Umgebung zu Belastungen und Durchbiegungen der Teilglasscheiben führen. Beispielsweise führt eine Erhöhung des Atmosphärendrucks oder eine Verringerung der Gastemperatur im Spalt zu einer konkaven Form der Durchbiegung der Scheiben (Abbildung 1a) und umgekehrten Änderungen dieser Parameter in einer konvexen Form (Abbildung 1b). Die Größe des Unter- oder Überdrucks im Spalt hängt nicht nur von der Größe der klimatischen Belastungen ab, sondern auch von der Struktur der IGU. Im Allgemeinen nimmt sie mit reduzierten IGU-Abmessungen (Breite × Länge), größerer Dicke des Gasspalts und größerer Dicke der Komponentenglasplatten zu. Wie sich der Druckunterschied auf die Durchbiegungen in der IGU auswirkt, wird später in diesem Artikel erläutert.

Bei Windeinwirkung (Abbildung 1c) wirkt sich die Enge des Spalts positiv auf die Lastverteilung in einem IGU aus. Aufgrund von Gasdruckänderungen in den Zwischenräumen wird die äußere Last teilweise auf die anderen Scheiben der Einheit übertragen.

Die oben beschriebenen Durchbiegungen des Glases führen zu einer Verformung des betrachteten Bildes des vom Glas reflektierten Lichts in Fenstern oder an Glasfassaden (Abbildung 2). Wichtig ist, dass Isolierglaseinheiten bei niedrigen Lufttemperaturen, also während der Heizperiode, dazu neigen, die konkave Form der Durchbiegung anzunehmen. Das Ergebnis ist eine Verringerung der Dicke des Gasraums – insbesondere im mittleren Teil der Verglasung, wo die einzelnen Glasscheiben am nächsten beieinander liegen –, was eine Reduzierung der Wärmedämmung der IGU ermöglicht.

Ziel der in der Arbeit durchgeführten Analyse war es, den Einfluss der Berücksichtigung der Dickenreduzierung gasgefüllter Zwischenräume in Isolierglaseinheiten unter winterlichen Bedingungen auf die berechneten Wärmeverluste durch diese Trennwände zu bestimmen. Die Analyse wurde beispielsweise für Doppel- und Dreifachglas-Isoliergläser durchgeführt. Eine detaillierte numerische Quantifizierung dieses Phänomens wurde für verschiedene IGU-Konstruktionen durchgeführt.

In der Literatur finden sich Studien, die frühere Forschungen auf diesem Gebiet beschreiben: Barnier und Bourret [3] analysierten den Einfluss der Plattenkrümmung in IGUs auf den Wärmedurchgangskoeffizienten (Ug-Wert). Die Autoren ermittelten den Ug-Wert für IGUs mit variabler Spaltdicke (begrenzt durch die Oberflächen der ausgelenkten Scheiben) und betrachteten die durchschnittliche Spaltdicke im belasteten IGU als zuverlässig. Die Autoren gaben an, dass diese Annahme sinnvoll ist, wenn die Plattenkrümmung gering ist, und dass sie im Leitungsbereich, in dem die Konvektionsbewegung nicht signifikant ist, sicherlich akzeptabel ist. Dieser Artikel liefert die Ergebnisse von Beispielrechnungen für Zwei- und Dreifachglaseinheiten unter winterlichen Bedingungen. Es zeigte sich, dass sich unter Berücksichtigung der Plattenkrümmung der berechnete Ug-Wert von 4,4 % auf 5,8 % erhöht. Es wurden auch Berechnungen durchgeführt, um Änderungen der Wetterbedingungen (typisches meteorologisches Jahr) für Montreal und Toulouse zu berücksichtigen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Ug bis zu 5 % über und 10 % unter dem Jahresdurchschnitt schwanken kann.

Hart et al. [4] analysierten den Ug-Wert, der aus realen Durchbiegungen von Doppel- und Dreifachverglasungen berechnet und im Sommer und Winter an mehreren Standorten in den USA gemessen wurde. Es wurde festgestellt, dass ein Temperaturunterschied von 20 °C die Wärmeleistung bei Doppelverglasungs-Isoliergläsern um 4,6 % und bei Dreifach-Isolierglas-Isoliergläsern um 3,6 % verringert.

Penkova et al. [5] präsentierte Beispiele numerischer Analysen und experimenteller Forschung zu beiden Parametern im Zusammenhang mit Wärmefluss und Klimalasten. Es wurde jedoch keine detaillierte Analyse der Änderung des Wärmedurchgangskoeffizienten im Zusammenhang mit den Durchbiegungen in den IGUs durchgeführt.

Es wurden auch Wärmebildaufnahmen veröffentlicht, die eine Abnahme der Wärmedämmung im mittleren Teil der Verglasung zeigten [6]. Es werden Beispiele vorgestellt, bei denen die Temperatur im zentralen Teil der Verglasung 1–3 °C höher ist als der Durchschnitt an ihrer Oberfläche (in Bildern von außen). Außerdem wird ein Beispiel für ein Isolierglas dargestellt, bei dem es aufgrund klimatischer Belastungen zu einer Berührung der Bauteilscheiben kam.

Die Methoden zur Berechnung der statischen Größen in klimatisch belasteten Isolierglas-Isolierglasfenstern sind in der Literatur beschrieben. Zu nennen sind hier analytische Modelle aus Veröffentlichungen [7,8,9,10] und numerische Modelle, die die Möglichkeit nichtlinearer Durchbiegungen von Glaskomponenten berücksichtigen [11,12]. Die in dieser Arbeit vorgestellten Berechnungsergebnisse wurden unter Verwendung des im Artikel [13] vorgeschlagenen Analysemodells des Autors ermittelt, das die Berechnung der Belastung und Durchbiegung von Glaskomponenten in Einheiten mit einer beliebigen Anzahl enger Lücken ermöglicht.

Grundlage für die Berechnung statischer Größen in IGUs ist die Annahme, dass das Gas in den Zwischenräumen der idealen Gasgleichung entspricht:

Wo:

Weiterhin wird davon ausgegangen, dass die Glasscheiben lediglich an den Rändern abgestützt werden und dass die lineare Abhängigkeit der Durchbiegung w [m] der Teilglasscheibe von ihrer resultierenden Flächenlast q [kN/m²] angenommen wird. Letztere Annahme gilt als hinreichend genau, wenn die Durchbiegung nicht größer als die Glasdicke ist [14]. Die Durchbiegungsfunktion einer einfach gelagerten Einzelscheibe der Breite a [m] und der Länge b [m] unter der Last q [kN/m²], zentral im xy-Koordinatensystem platziert, kann wie folgt aufgezeichnet werden:

mit

D [kNm] ist die Biegesteifigkeit der Glasscheibe:

Wo:

Die Änderung des Spaltvolumens ∆v [m³], die sich aus der Durchbiegung einer der begrenzenden Glasscheiben ergibt, kann durch Integration von Gleichung (2) bestimmt werden:

Nachdem die entsprechenden Berechnungen durchgeführt wurden:

Wo:

Jede Änderung der klimatischen Bedingungen (Luftdruck, Temperatur, Wind) führt zu einer Änderung des Gasdrucks in den Zwischenräumen, die sich auf die resultierende Betriebsbelastung der einzelnen Glasscheiben auswirkt. Für jede Lücke einer IGU lässt sich die Zustandsgleichung formulieren:

Wo:

Σ∆v – ist die durch die Durchbiegung beider Scheiben verursachte Änderung des Spaltvolumens, die es begrenzt [m³].

Wie bereits im Artikel erwähnt, wurden zwei- und dreifach verglaste IGUs analysiert. Im restlichen Teil wurden die Parameter der einzelnen Teilglasscheiben und -spalte mit entsprechenden Indizes gekennzeichnet (Abbildung 3). Es wird außerdem davon ausgegangen, dass Lasten und Verformungen positiv sind, wenn sie nach innen gerichtet sind, also von links nach rechts wie in Abbildung 3.

Unter Berücksichtigung der angenommenen Kennzeichnungen und Konventionen kann Gleichung (8) für eine doppelt verglaste IGU in der Form dargestellt werden:

mit

Wo:

Nachdem die entsprechenden Übergänge vorgenommen wurden:

mit

Gleichung (11) hat eine Lösung, die nicht negative Ergebnisse liefert:

Im Falle einer Dreifachverglasung ist ein quadratisches Gleichungssystem zu lösen:

Für dieses System gibt es keine analytische Lösung, es kann jedoch numerisch durch Iteration gelöst werden.

Nach der Berechnung des Betriebsdrucks pop für jeden Spalt kann die resultierende Belastung q für jede einzelne Glasscheibe ermittelt werden:

für eine doppelt verglaste IGU

Die Durchbiegung wc [mm] in der Mitte der Glasscheibe lässt sich nach folgender Formel ermitteln:

Wo:

α′w – ist der dimensionslose Koeffizient, der vom b/a-Verhältnis abhängt (Tabelle 1) [-].

Die durchschnittliche Durchbiegung der Teilglasscheiben wₘ [mm] wurde jedoch nach der Formel ermittelt:

Tabelle 1. Koeffizienten zur Berechnung der Volumenänderung und Durchbiegung für einfach unterstützte Glasscheiben.

Der Wärmedurchgangswert Ug [W/(m²·K)] von IGUs wurde auf der Grundlage der in der Norm [16] beschriebenen Methodik berechnet und die Wärmeverluste wurden anhand der Formel durch die Dichte des Wärmestroms Φ [W/m²] ausgedrückt :

Wo:

tᵢ, tₑ – sind die Innen- und Außenlufttemperatur [°C].

Der Wärmefluss durch eine Isolierglaseinheit ist komplex – durch Leitung, Konvektion und Strahlung. Den größten Einfluss auf den U-Wert hat der Wärmedurchlasswiderstand gasgefüllter Fugen Rs [(m²·K)/W]. Für jede Lücke:

mit

Wo:

Besonders wichtig ist, ob in den Zwischenräumen Konvektion auftritt. Bei schmalen Spalten (Nu < 1) wird davon ausgegangen, dass keine Konvektion auftritt – die Wärmedämmung des Spaltes nimmt linear mit seiner Dicke zu. Bei Überschreitung einer bestimmten Spaltdickengrenze (für Nu = 1) wird der Einfluss der Konvektion berücksichtigt. In diesem nichtlinearen Bereich (für Nu > 1) verbessert sich die Wärmedämmung der IGU nicht. Der Wert dieser Dickengrenze hängt von vielen Faktoren ab (siehe auch [17,18]), vor allem von:

Der thermische Widerstand der Fugen wird vor allem durch den Einsatz von emissionsarmen Gläsern beeinflusst. Glas ohne Beschichtung hat einen Standard-Emissionskoeffizienten von ε = 0,837. Das Aufbringen einer emissionsarmen Beschichtung verringert den Emissionsgrad der Plattenoberfläche, was zu einer erheblichen Reduzierung der Wärmeübertragung durch Strahlung führt. Derzeit werden in Mittel- und Nordeuropa am häufigsten IGUs hergestellt, bei denen jede Lücke an eine beschichtete Oberfläche und eine ohne Beschichtung angrenzt (Abbildung 3). Diese Lösung wird am häufigsten in Geräten verwendet, die derzeit in Mittel- und Nordeuropa hergestellt werden. In den Berechnungen wurden die Werte εsur1 = 0,837 und εsur2 = 0,04 verwendet.

Glas leitet Wärme gut, daher hat die Dicke der Glasscheiben keinen wesentlichen Einfluss auf den Ug-Wert. Die physikalischen Parameter von Argon wurden auf Basis der Norm [17] übernommen.

Natürlich wird die Wärmedämmung auch durch den thermischen Oberflächenwiderstand an der Außenseite (Re [(m²·K)/W]) und an der Innenseite eines Fensters (Ri [(m²·K)/W]) beeinflusst. Sie hängen in erster Linie von der Positionierung des Fensters in der Struktur und der Luftgeschwindigkeit ab (eine kurze Analyse zu diesem Thema finden Sie in Kapitel 5). Die Berechnungen gingen von Ri = 0,13 (m²·K)/W (vertikale Position) und Re = 0,04 (m²·K)/W (für Windgeschwindigkeit V = 4 m/s) aus. Dabei handelt es sich häufig um akzeptierte Vergleichswerte, auch in der Norm [16].

Die Berechnungen nach dem angenommenen Modell erfordern den Einsatz numerischer Methoden, da wir hier auf mehrere voneinander abhängige Werte stoßen. Beispielsweise hängen die Temperaturwerte von Gas- und Glasoberflächen von der Temperaturverteilung im Querschnitt der IGU ab. Diese Verteilung hängt von den resultierenden Wärmewiderstandswerten ab. Die Ergebnisse der Berechnungen wurden durch Iteration nach Erstellung der entsprechenden Tabellenkalkulation unter der Annahme eines stationären Zustands der Wärmeübertragung ermittelt.

Abbildung 4 zeigt den Einfluss der Spaltdicke s [mm] auf den Bemessungs-Ug-Wert für Zwei- und Dreifach-Isolierglas, mit Glasdicke d = 4 mm, unter der Annahme von ti = 20 °C und in zwei Varianten der Außenlufttemperatur te = 0 °C und te = −20 °C. Die gestrichelte Linie wurde verwendet, um die Grenzen der Spaltdicke zu bestimmen, bei denen Nu = 1 ist.

Abbildung 4 zeigt, dass bei niedrigen Temperaturen die Grenzdicke abnimmt. Es kann auch festgestellt werden, dass bei Dreifach-Isolierglas der Temperaturunterschied im Spalt kleiner wird und die Dicke der Grenze zunimmt.

Für Mustereinheiten mit den Abmessungen 0,7 × 1,4 m wurde eine Analyse des Einflusses von Klimalasten auf den Wärmeverlust durch IGUs unter winterlichen Bedingungen durchgeführt. Die Glasmaterialparameter wurden gemäß der Norm [19] übernommen: E = 70 GPa, μ = 0,2.

Es wurde außerdem angenommen, dass sich in den mit Argon gefüllten Spalten während des Produktionsprozesses folgende Ausgangsparameter ergaben: T₀ = 20 °C = 293,15 K, p₀ = 100 kPa. Unter diesen Bedingungen sind die einzelnen Glasscheiben flach.

Es wurden zwei Varianten der Temperaturabfallbelastung verwendet.

Variante 1. Reduzierte Temperaturbedingungen: ti = 20 °C, te = −20 °C; Die Gastemperatur in jedem Spalt wurde für jeden Fall anhand der Temperaturverteilung in der jeweiligen Isolierglaseinheit berechnet: für eine zweifach verglaste Isolierglaseinheit Top1 = −2,37 bis −2,25 °C, für eine dreifach verglaste Isolierglaseinheit Top1 = −10,09 bis −9,66 °C C, Top2 = 7,60 bis 7,97 °C.

Variante 2. Bedingungen für einen „milden Winter“: ti = 20 °C, te = 0 °C; Gastemperatur: für ein doppelt verglastes IGU Top1 = 8,80 bis 9,01 °C, für ein dreifach verglastes IGU Top1 = 4,97 bis 5,08 °C, Top2 = 13,66 bis 14,10 °C.

Zunächst wurde der Einfluss unterschiedlicher Glasdicken auf die Spaltbreite im belasteten Satz untersucht. Es wurden IGUs mit 16 und 12 mm Spaltdicke in verschiedenen Kombinationen von 3, 4 und 6 mm dicken Scheiben analysiert. Es wurde angenommen, dass IGUs wie in Variante 1 nur mit dem Temperaturabfall belastet werden, also dem aktuellen Atmosphärendruck pa = p₀ = 100 kPa. Die Ergebnisse der Berechnungen sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2. Statische Größen und Spaltdicken in IGUs – unter reduzierten Temperaturbedingungen (Variante 1).

Die resultierende Belastung qex und qin (Absolutwert) verdeutlicht den Unterdruck in den Spalten gegenüber dem Atmosphärendruck. Der Parameter q₁₋₂ ist die Differenz des Betriebsdrucks zwischen den Spalten einer Dreifachverglasung. Aus den Gleichungen (18) und (19) wurden für jede Scheibe die extreme Durchbiegung (in der Scheibenmitte) wc und die durchschnittliche Durchbiegung wm (die wₘ-Werte sind in Klammern angegeben) berechnet.

Auf Basis dieser Durchbiegungen wurden die minimale Spaltdicke in der Mitte der IGU sc [mm] und die mittlere Spaltdicke sₘ[mm] berechnet.

Anhand der in Tabelle 2 dargestellten Berechnungen wurde festgestellt, dass die berechneten Werte von sc und sₘ für analysierte IGUs mit Lücken gleicher Nenndicke nicht wesentlich voneinander abweichen. Dies trotz der Tatsache, dass die Durchbiegung einzelner Glasscheiben erheblich variiert. Hier lässt sich die Wirkung von Gaswechselwirkungen in engen Spalten erkennen. Starre Scheiben sind weniger anfällig für Durchbiegungen, allerdings wird die äußere Belastung durch den Gasdruck im Spalt weniger kompensiert. Nach Änderung der Dicke aller Scheiben einer Einheit ändert sich die Belastung, die Durchbiegungen sind jedoch ähnlich. Wenn daher eine der Glasscheiben zu einer steiferen wird, erhöhen sich die absoluten Belastungswerte der einzelnen Glasscheiben, obwohl ihre algebraische Summe für jedes IGU gleich 0 ist. Nach einer solchen Umwandlung verformen sich die weniger steifen Scheiben stärker, weil sie freiliegen zu einer höheren Belastung – aus diesem Grund weist eine belastete Isolierglaseinheit trotz der Dickenänderung der Bauteilscheiben ein annähernd konstantes Spaltvolumen auf.

Um das Ausmaß des oben beschriebenen Phänomens zu ermitteln, wurde ein weiteres Beispiel gelöst. Abbildung 5 zeigt den Einfluss der IGU-Breite (bei konstantem Verhältnis b/a = 2) auf die maximale Durchbiegung von Bauteilscheiben wc in Doppelglaseinheiten bei 3, 4 und 6 mm dicken Scheiben und 16 mm dickem Spalt. Es wurde angenommen, dass die IGU nur durch eine Änderung des Atmosphärendrucks um ∆p = pa − po = 3 kPa belastet wird. Das bedeutet, dass der aktuelle Luftdruck pa = 103 kPa beträgt. An dieser Stelle kann hinzugefügt werden, dass die Ergebnisse der Berechnung statischer Größen nicht sehr empfindlich auf den Wert von po und in erheblichem Maße auf ∆p reagieren. Das heißt, wenn wir beispielsweise po = 950 kPa i pa = 980 kPa annehmen würden, wären die Ergebnisse nahezu identisch.

Abbildung 5 zeigt, dass bei kleineren IGU-Größen eine größere Divergenz der Durchbiegungen für Einheiten unterschiedlicher Bauteilscheibendicke auftritt. Dann sind jedoch die Auslenkungswerte kleiner und es ist zu erwarten, dass auch die Änderungen der Spaltdicke gering ausfallen.

Im Rahmen des oben Gesagten wurden weitere Analysen für IGUs mit gleicher Teilglasscheibendicke d = 4 mm durchgeführt und unterschiedliche Spaltdicken s angenommen. Tabelle 3 enthält Berechnungen der wc-, wm-, sc- und sm-Werte für Einheiten, die wie in Variante 1 mit Temperaturänderungen belastet sind und bei gleichzeitiger Betriebsbelastung mit einem externen atmosphärischen Druckanstieg von ∆p = 3 kPa betrieben werden. Dies sind besonders ungünstige Betriebsbedingungen im Hinblick auf die Reduzierung der Spaltdicke. Für Variante 2 wurde eine analoge Berechnung durchgeführt (Tabelle 4).

Tabelle 3. Statische Größen und Spaltdicken in IGUs unter reduzierten Temperaturbedingungen (Variante 1) und Atmosphärendruckanstieg um ∆p = 3 kPa.

Tabelle 4. Statische Größen und Spaltdicken in IGUs unter Bedingungen eines „milden Winters“ (Variante 2) und Luftdruckanstieg um ∆p = 3 kPa.

Basierend auf den oben genannten Daten sind in Tabelle 5 (für Variante 1) und Tabelle 6 (für Variante 2) die Ergebnisse der Berechnungen des Wärmedurchgangskoeffizienten U und der Wärmestromdichte Φ [W/m²] dargestellt:

Tabelle 5. Größen, die Wärmeverluste von IGUs unter Bedingungen reduzierter Temperatur (Variante 1) und atmosphärischem Druckanstieg um ∆p = 3 kPa beschreiben.

Tabelle 6. Größen, die Wärmeverluste von IGUs unter Bedingungen eines „milden Winters“ (Variante 2) und eines Luftdruckanstiegs um ∆p = 3 kPa beschreiben.

Abschließend wird auch die prozentuale Steigerung der berechneten Größen (∆Φc, ∆Φm) für Einheiten der Nennspaltdicke dargestellt.

Die in Tabelle 5, Tabelle 6 und Abbildung 4 dargestellten Daten weisen darauf hin, dass die Verringerung der Dicke der Zwischenräume von Isolierglaseinheiten aufgrund ihrer Durchbiegung bei sinkender Gastemperatur und steigendem Atmosphärendruck zu einer Erhöhung der Auslegungswärme führen kann Verluste im Verhältnis zu den Berechnungen ohne Berücksichtigung der Scheibenkrümmung. Der Anstieg des Wärmeverlustes erfolgt im linearen Bereich der Ug-Wert-Änderung, also dann, wenn die Verhältnisse im Spalt zu Nu < 1 führen. Anders verhält es sich, wenn sich der Ug-Wert im nichtlinearen Bereich ändert (Nu > 1). ). Die Wärmeverluste nehmen nicht zu. Dann kann die Verringerung der Spaltdicke zu einer leichten Verringerung des berechneten Nu-Werts führen, was sich in einer leichten Verringerung der berechneten Wärmeverluste niederschlägt.

In diesem Zusammenhang ist es vorzuziehen, IGUs so zu konstruieren, dass sie Nu > 1 mit einem gewissen Spielraum basierend auf Glasdurchbiegungen haben. Diese Aufgabe sollte jedoch unter Berücksichtigung der örtlichen Klimabedingungen mit großer Vorsicht angegangen werden. Es ist zu prüfen, ob die Verdickung der Scheibenzwischenräume nicht zu einem übermäßigen Überdruck im Sommer aufgrund der Erwärmung des Gases in den Scheibenzwischenräumen führt.

Ein weiteres Merkmal des beschriebenen Phänomens sollte beachtet werden. Im linearen Bereich der Ug-Wert-Änderung sind die Indizes ∆Φc und ∆Φm nahezu unabhängig von der Spaltdicke. Dies liegt daran, dass, wie zusätzliche Berechnungen gezeigt haben, auch der Zusammenhang zwischen der Dicke der Isolierglasspalten und den statischen Größen (resultierende Belastung der Glaskomponenten und deren Durchbiegungen) linear ist.

Viele Jahre lang dominierten doppelt verglaste IGUs den Markt. Aufgrund der Notwendigkeit, Energie zu sparen, ist in Mittel- und Nordeuropa derzeit die Dreifachverglasung IGU 4-16-4-16-4 die am häufigsten hergestellte und verkaufte Verglasung für Fenster. Abbildung 6 zeigt eine Analyse, die die Abhängigkeit der prozentualen Änderung des berechneten Wärmeverlusts ∆Φm für diese Einheiten von ihrer Breite (bei einem konstanten Verhältnis b/a = 2) unter verschiedenen Außentemperaturbedingungen te veranschaulicht. Es wurde ein gleichzeitiger Druckanstieg ∆p = 3 kPa angenommen. Andere Daten wurden wie in den vorherigen Beispielen verwendet.

Es wurde festgestellt, dass der beschriebene Effekt für die derzeit verkauften Verglasungen bei „milden Winterbedingungen“, also bei schwankenden Außentemperaturen zwischen −5 °C und 5 °C, von Bedeutung ist. Bei einer IGU-Breite über 0,7 m ändert sich das Verhältnis ∆Φm von 3,9 % auf 5,0 %. Diese Werte sind an vielen Orten der Welt charakteristisch für die Durchschnittstemperatur in den Wintermonaten.

Winddruck oder Sog sind ebenfalls Faktoren, die eine Durchbiegung der einzelnen Glasscheiben in einer Isolierglaseinheit verursachen. Wie bereits erwähnt, wirkt der Windgeschwindigkeitsdruck direkt nur auf die Außenscheibe, durch die Änderung des Gasdrucks in den Zwischenräumen verteilt sich die resultierende Belastung jedoch auf alle Scheiben der Einheit. Tabelle 7 zeigt die resultierenden Belastungen und Durchbiegungen in der mit 0,3 kN/m² belasteten Oberfläche der Probeeinheit, was in etwa [20] einem Winddruck mit der Geschwindigkeit V von ca. 80 km/h (22,2 m/s).

Tabelle 7. Statische Größen in IGUs, belastet mit einem Winddruck von 0,3 kN/m².

Tabelle 7 zeigt, dass die Durchbiegungen der Glaskomponenten in den meisten Einheiten ähnliche Werte aufweisen. Bei Verwendung dickerer Scheiben kann es zu größeren Abweichungen kommen, die Durchbiegungswerte sind jedoch gering. Daraus lässt sich schließen, dass die Änderung der Spaltdicke durch Windlast gering ist und keinen spürbaren Einfluss auf den Wärmeverlust von IGUs hat.

Die Windgeschwindigkeit hat einen indirekten Einfluss auf den Wärmeverlust. Es handelt sich um einen Einflussfaktor auf den äußeren thermischen Oberflächenwiderstand, der sich im Ug-Wert niederschlägt. Eine grafische Darstellung dieses Effekts ist in Abbildung 7 dargestellt. Die Berechnungen wurden für Geräte mit einer Spaltdicke von 16 mm durchgeführt. Es ist festzuhalten, dass bei dreifach verglasten IGUs der Einfluss der Windgeschwindigkeit vernachlässigbar ist.

Einer der Faktoren, die den Wärmedurchgangskoeffizienten Ug von Isolierglaseinheiten beeinflussen, ist die Dicke der gasgefüllten Dichtspalte. Bei den Berechnungsverfahren wird davon ausgegangen, dass diese Mächtigkeit nicht von vorübergehenden Änderungen der klimatischen Faktoren abhängt. Die Dicke ist unter realen Betriebsbedingungen variabel. Insbesondere bei winterlichen Verhältnissen weisen die IGU-Teilglasscheiben eine konkave Durchbiegung auf, wodurch sich die Spaltdicke verringert. Dieser Effekt verstärkt sich, wenn gleichzeitig der Atmosphärendruck steigt.

Anhand der durchgeführten Beispielrechnungen konnte gezeigt werden, dass die mit der Reduzierung der Spaltdicke einhergehende Erhöhung der berechneten Wärmeverluste dann auftritt, wenn die Verhältnisse im Spalt zu Nu < 1 führen, also der Wärmedurchgangskoeffizient des Gases Die Schichtdicke hängt linear von ihrer Dicke ab. Bei einer Außenlufttemperatur te = 0 °C können die Wärmeverluste dann bei Doppelverglasungs-Isoliergläsern auf etwa 4,6 % und bei Dreifach-Isoliergläsern auf etwa 5 % ansteigen. Diese Werte sind nahezu unabhängig von der Nenndicke der Fugen, was sich aus der linearen Abhängigkeit statischer Größen in einer IGU von dieser Dicke ergibt. Unter bestimmten Voraussetzungen können daher nach Standardverfahren berechnete Wärmeverluste unterschätzt werden.

Anders verhält es sich im nichtlinearen Bereich der Ug-Wert-Änderung (Nu > 1), also wenn die Außentemperatur stark absinkt oder die Fugen dick genug sind. Die thermische Leistung der Verglasung verschlechtert sich nicht. Daher ist es vorteilhaft, IGUs so auszulegen, dass Nu > 1 ist, es ist jedoch notwendig, die örtlichen klimatischen Bedingungen zu berücksichtigen und Belastungen zu analysieren, die auch während der Sommerperiode auftreten können.

Bei den am häufigsten verkauften Dreifachverglasungen 4-16-4-16-4 können Wärmeverluste unterschätzt werden, wenn die Außentemperaturen zwischen –5 °C und 5 °C schwanken. Für große IGU-Abmessungen beträgt der ∆Φm-Index dann 3,9 % bis 5,0 %.

Es wurde auch gezeigt, dass der Einfluss der Windlast auf die Spaltdickenänderung im Rahmen der Wärmeverlustschätzung vernachlässigbar ist.