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Der Einfluss des thermischen Emissionsvermögens eo

auf der Außenoberfläche von Verglasungen

Hans Joachim Gläser

87. Glastechnische Tagung in Bremen, 29.05.2013

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Gliederung

- Der Einfluss von eo , wenn die Wärmekapazität Hraum des 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

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1. Der Einfluss von eo bei Gebäudeverglasungen, d. h. wenn HRaum quasi 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

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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.

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Vermeidung von Taupunktüberschreitung/Beschlagvermeidung auf derAußenoberfläche.

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.

Untersuchung Fa. Interpane E&B, 2002/2003

Wie kann man sich diese erhebliche Erhöhung Außenoberflächentemperaturtos zunutze machen?

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Mit welchem eo kann unter kritischsten Witterungsbedingungen Beschlag auf der Außenoberfläche vermieden werden?

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.

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)

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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.

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2. Der Einfluss von eo im Falle der Abkühlung nachts,

d. h. Qsol = 0 bei

- Flachkollektor- und - Kraftfahrzeuge-Verglasungen, wenn HRaum begrenzt ist.

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2.1 Abkühlungsverhalten von Flachkollektoren

- 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‘

Untersuchte Konstruktionen

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Berechnung der Kollektorabkühlung während der Nacht (Qsol = 0)(Algorithmus: Differenzenverfahren auf der Basis des ‚Thermischen Bilanzmodells‘)

Flachkollektor mit Doppelscheibenabdeckung

Flachkollektor mit Einfachscheibenabdeckung

- Glasabdeckung mit eo = 0,2- Die Abkühlungsgeschwindigkeit verringert sich; d. h., tglass unterschreitet erst nach 1,8 h to, tcol nach 2,5 h.- Beide Kurve treffen sich wieder im En-Punkt; ‚Worst case‘ der Abkühlung!- Die Abkühlzeit bis zum En-Punkt ist aber nahezu konstant, da die Abkühlung unter to geringer ist.- Wichtig: tcol,En hängt von eo ab!

- Glasabdeckung mit eo = 0.84 (unbeschichtet)- Beginn der Abkühlung: tcol=70 °C; tglass=~25 °C - Nach ~1/2 h unterschreitet tglass to; 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. ‚Worst case‘ der Abkühlung!

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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,En ist. 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.

Ergebnis der Abkühlverläufe

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Die maximal mögliche Abkühlung der K.-Platine unter die Außentem- peratur (to – tcol,En) ist für ein vorge- gebenes eo unabhängig von to nahe- zu gleich.

Wie hängt tcol,En, d. h. der Endpunkt der Abkühlung von to ab?

Berechnung für einen Flachglaskollektor mit Einfachabdeckung

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!

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Für abnehmende eo erhöht sich die Luftfeuchte rHo,En, oberhalb der Beschlag sowohl auf den Glasoberlächen als auch auf der Platinenoberfläche auftritt. (worst case!) Für rHo < rHo,En kann Außenbeschlag nicht auftreten.

Da die H2O-Verdampfung energieträchtig ist, erhöht sich mit eo → 0 ebenfalls die solare Energieausbeute des Kollektors!

Bei welcher Außenluftfeucht tritt bei tcol,En - im Folgenden rHo,En genannt – , d. h. bei dem worst-case der Abkühlung in Abhängigkeit von to und eo Beschlag auf?

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Dargestellt ist der worst case. Wird bei der Abkühlung En nicht erreicht, ist die Abkühlung unter to geringer und Beschlag tritt erst bei höheren rHo auf.

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 eo bestimmt in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen (Strahlung, Kon- vektion) (to – tcol,En) und rHo,En,to=0.

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2.2 Abkühlungsverhalten von Kraftfahrzeugen

Die Innenraumlufttemperatur ti wird beim Abkühlprozess entscheidend von der Himmelstemperatur tsky und der Temperatur der Kabinenein- richtung tcab. Bestimmt.

Parameter, die das thermische Verhalten bestimmen.

Das Abkühlverhalten von Kfz ist wegen der schwer zu ermittelnden Wärme- kapazität der Inneneinrichtung Hcab. schwierig zu berechnen. Am En-Punkt, dem ‚worst case‘, ist dies jedoch möglich, da hier Hcab. keine Rolle spielt.

QN

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 ‚worst case‘ beim Abkühlen während der Nacht, ist erreicht, wenn ti,En = tcab.

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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!

Achtung: Niedrigemittierende Schichten auf der Außenoberfläche erhöhen wegen der Einfachverglasung der Windschutzscheibe den solaren Gewinn erheblich (s Folie 6)!

Überprüfbarer Stand der Technik!

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At the deepest room temperature ti = ti,En , it follows:ti,En = tos and

Tem

pera

ture

to

tos

Qsky(b, tsky., eo, tos)

Gla

zing

Qconv..(to., aoc, tos)

Exterior

Qloss through glazing = 0

Erklärung des thermischen Verhaltens am En-Punkt

Assumption: Qsol = 0

Qsky , Qconv. und Qground bestimmen Außenoberflächentemperatur tos.

Qground(b, tground, eground, eo, tos)

tground

tsky

Room cooling down

Durch was wird tos bestimmt?

Es gilt am En-Punkt, d. h. für Qloss = 0: Qsky = Qconv. + Qground

Richtung der Wärmeflüsse?Wenn die antreibend Temperatur tsky, to, tground < tos ist, fließt Energie von und wenn die antreibende Temperatur > tos fließt Energie zur Oberfläche.

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Schlussfolgerungen für die Entwicklung von Verglasungen

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Aus den Untersuchung können für alle Verglasungen folgendeSchlussfolgerungen 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 eo der 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 eo der Außenoberfläche und je geringer die Wärmedämmung der Verglasung ist.Achtung: Erhöhtes solare Absorptionsvermögen der Schicht wirkt dem entgegen!

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Kollektorverglasungen Bei Qsol = 0 (Nachtfall): Verringerung der Abkühlung des Kollektors sowie des Außenbeschlagrisikos Bei Qsol >0 (Tagfall): Erhöhung des Sonnenkollektoreffektes. Optimale Anwendung!

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!

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!

Folgerungen für die Produktentwicklung bei eo → 0 :

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Definition: Energieneutral = Kompensation der Verluste bei Nacht durch so gering wie mögliche solare Energiegewinne bei Tag, z. B. auch bei bedecktem Himmel

Lösung: Kastenfensterkonstruktion als mögliche zukünftige, energieneutrale Hochbau-Fensterverglasung (Hybride Lösung!)

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

Closed cavity; nutzbar als aktives Bauelement?

H. J. Gläser, Approaching energy-neutral window glazing, Proc. engineerred transparency, intern. Conf. at glasstec, Düsseldorf, Germany, p. 681 - 694

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Der Autor dankt Firma Interpane E&B, Lauenförde, für die Unterstützung der Studie

Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit