Isolierglas

Mehrscheiben-Isolierglas (MIG), auch als Wärmedämmverglasung oder Isolierverglasung bezeichnet, ist ein aus mindestens zwei Glasscheiben zusammengesetztes Bauelement für Fenster und andere Verglasungen. Zwischen den Scheiben befindet sich ein Hohlraum, der luftdicht verschlossen ist und der Wärmedämmung dient. Vorläufer waren die Doppelverglasung ohne Luftabschluss, das Verbundfenster und die doppelte Einzelverglasung beim Kasten- oder beim Winterfenster .

In den ersten Jahrzehnten seit Aufkommen von Mehrscheiben-Isolierglas (1950er bis 1970er Jahre) hatte die Marke Thermopane im deutschen Sprachraum eine große Verbreitung. Der Name wurde so zum – mittlerweile verblassten – Synonym für Zweischeiben-Isolierglas. Als Produktbezeichnung werden auch die Begriffe Klimaschutzglas , Thermoglas oder Wärmeschutzglas verwendet.

Begriffe wie Sonnenschutzglas , Sichtschutzglas , Einbruchschutzglas oder Schallschutzglas bezeichnen in der Regel ein Mehrscheiben-Isolierglas mit speziellen zusätzlichen Eigenschaften, auch wenn eine einzelne Flachglaskonstruktion diese ebenfalls haben kann. ^[1]

Geschichte in der Bundesrepublik Deutschland

Von 1950 bis 1978 dominierten einfachverglaste Fenster sowie Kasten- und Verbundfenster mit zwei Einzelscheiben. ^[2] In der BRD war die Verwendung von Einfachverglasung für Wohngebäude bis 1978 gesetzlich zulässig. ^[3] 1977 trat die neue Wärmeschutzverordnung (WSchVO) in Kraft. Ab 1978 kamen verstärkt Isolierglasfenster auf den Markt ^[3] . (Zweischeiben-) Isolierverglasung wurde typischerweise in der Zeit von 1975 bis 1994 eingebaut. ^[4] Ab 1995 setzte sich dann das beschichtete Wärmedämmglas (Low-E) durch, und seit 2005, verstärkt seit 2009, werden Fenster mit Dreifach-Wärmedämmglas eingesetzt (2 Low-E-Beschichtungen). ^[2]

Die Gütegemeinschaft Mehrscheiben-Isolierglas stellt zusätzliche, über die Produktnorm DIN EN 1279 hinausgehende Anforderungen an das Mehrscheiben-Isolierglas sowie an die Güte und Eigenschaften der Vorprodukte.

Wirkungsweise und Aufbau

Die Isolierverglasung ist im Gegensatz zu sonstigen wärmedämmenden Verglasungsarten ein eigenständiges System, das keinen umgebenden Rahmen – in der Regel ein Fensterflügel – benötigt. Erreicht wird dies mittels eines Randverbunds, der die einzelnen Glasscheiben auf Distanz zusammenhält und gleichzeitig den Scheibenzwischenraum hermetisch versiegelt. Luft (26 mW/m·K) im Scheibenzwischenraum hat seit Jahrzehnten ausgedient, Schwefelhexafluorid (SF ₆ ) (12 mW/m·K) ist seit 2007/2008 verboten, derzeit ist Argon das meist eingesetzte Gas (18 mW/m·K), in Passivhäusern häufig auch das teure Krypton (9,5 mW/m·K), ganz selten auch Xenon (5,5 mW/m·K).

Um die Wärmeleitung einer Isolierglasscheibe zu minimieren, kann der Scheibenzwischenraum vergrößert werden. Da Gase bei zunehmenden Volumen jedoch Wärmemengen nicht nur durch Wärmeleitung (Konduktion), sondern auch durch Luftzug (Konvektion) übertragen, wird je nach Füllgas ab einem Scheibenabstand von 10 bis 20 mm die Wärmedämmung durch das eingeschlossene Gas wieder schlechter. Um dies zu unterbinden, wird eine weitere (dritte) Glasscheibe in das Isolierglas eingebaut.

Isolierglas besitzt – wie viele transparente Bauteile – den Glashauseffekt . Glasscheiben sind für die eintreffende solare Strahlung durchlässiger als für die vom Rauminneren abgegebene Wärmestrahlung . Die Durchlässigkeit für Wärmestrahlung sinkt mit der Anzahl der Glasscheiben und kann durch eine aufgedampfte Metallschicht je Glasscheibe weiter gesenkt werden. Der erreichte positive Effekt verschlechtert zugleich den möglichen solaren Wärmegewinn etwas, da dadurch auch der Energiedurchlassgrad (g-Wert) abnimmt. In Abhängigkeit vom Wärmedämmwert (U-Wert), dem Energiedurchlassgrad und dem solaren Strahlungsangebot ( Strahlungsgewinnkoeffizient ) kann der Gesamt-Wärmeverlust mit einer Formel berechnet werden. In der Regel ist bei einer günstigen Sonnenlage ein höherer g-Wert (und dafür ein etwas schlechterer und somit höherer U-Wert) besser. Bei geringem Angebot an Wintersonne ist die Bedeutung des U-Wertes weit höher als die des g-Wertes.

Die Wärmeverluste einer Isolierglasscheibe werden hauptsächlich durch folgende Faktoren bestimmt:

• Anzahl und Dicke der Gasschichten und Art des Gases
• Anzahl der Glasscheiben, sowie die Beschichtung der Glasscheiben zur Verminderung der Verluste durch Wärmestrahlung (die Dicke der Glasscheiben hat keinen Einfluss)
• Wärmeleitfähigkeit des Randverbundes und der Glashalteleisten (Einbausituation am Scheibenrand; siehe unten)
• Neigungswinkel der Isolierglasscheibe ^[5]
• Solares Strahlungsangebot (Süd- oder Nordausrichtung, Grad der Beschattung, Sonnenscheindauer in der Heizperiode)

Gasfüllung

Im Raum zwischen den einzelnen Scheiben – dem Scheibenzwischenraum (SZR) – befand sich früher getrocknete Luft, seit Jahren fast nur noch das etwa 10 % besser wärmedämmende Edelgas Argon oder selten das deutlich teurere Krypton . Mit Krypton liegt das Minimum der Wärmeleitung nur geringfügig niedriger, wird aber bei einem deutlich geringeren Scheibenabstand erreicht – ein Vorteil besonders bei mehr als einer Gasschicht. ^[6] Früher wurde bei Schallschutz-Isolierverglasung Schwefelhexafluorid (SF ₆ ) eingefüllt. Es wird aufgrund des sehr hohen Treibhauspotentials nicht mehr verwendet, so dass andere Methoden – wie der Einsatz von Verbundglas – angewandt werden.

Der Gasdruck im Scheibenzwischenraum entspricht dem Druck während der Produktion der Isolierglasscheibe. Der Höhenunterschied zwischen Produktionsort und Einbauort darf – in Abhängigkeit von der Scheibengröße – bestimmte Werte nicht überschreiten, da es sonst zu einer unzulässigen Belastung des Randverbundes oder gar der Glasscheiben kommt. Bei Einbauorten mehr als 1000 Meter über Meereshöhe sind spezielle Vorkehrungen zu treffen. Eine Möglichkeit ist das nachträgliche Versiegeln des Scheibenzwischenraumes am Einbauort.

Änderungen des Gasdrucks im Scheibenzwischenraum ergeben sich auch durch Temperaturänderungen. Je größer der Scheibenzwischenraum, je kleiner die Scheibenformate und je steifer (dicker) die einzelnen Glasscheiben sind, desto größer das Risiko, dass die Belastung des Randverbundes dessen Lebensdauer vermindert. Man spricht hier von der Klimalast , die in speziellen Nachweisverfahren berechnet werden kann. Dies betrifft insbesondere die Dreifachverglasung, da für die Klimalast die Summe der Scheibenzwischenräume (SZR) maßgebend ist. Für eine übliche Dreifachverglasung (SZR = 2 × 12 mm) werden in der Literatur Kantenlängen unter 600 mm als problematisch erachtet. Bei einem SZR von 2 × 18 mm läge die Mindestlänge bereits bei 900 mm. ^[7]

Randverbund

Der Randverbund hat die Aufgabe, die Glasscheiben auf Distanz mechanisch zusammenzuhalten und zu verhindern, dass die Gasfüllung entweicht und statt ihrer Umgebungsluft und Luftfeuchtigkeit eindringen.

Am Beginn der technischen Entwicklung des Zweifach-Isolierglases lötete man einen metallischen Abstandhalter zwischen den beiden Scheiben ein. Eine andere Methode war, den Glasrand zu schmelzen und gleichzeitig zu kröpfen , um auf diese Weise die einzelnen Glasscheiben zu verschweißen. Bekannt waren diese geschweißten Gläser unter den Markennamen Gado und Sedo .

Seit Jahrzehnten ist ein 1959 von Alfred Arnold entwickelter zweistufig geklebter Randverbund üblich. Ein 10 bis 20 mm breites Profil aus Aluminium , Edelstahl oder Kunststoff – der Abstandhalter – ist beidseitig mit einer klebrigen Schicht Polyisobutylen ^[8] oder Butylkautschuk ^[9] versehen. Es verbindet die Scheiben nach starkem Zusammenpressen miteinander und stellt zugleich die erste Dichtungsebene dar. Nach der Befüllung des Scheibenzwischenraums mit Gas wird die Lücke zwischen dem Umfang des Abstandshalters und den überstehenden Glaskanten mit einer zweiten dauerelastischen Dichtungsebene aus Polyurethan oder speziellen Polysulfiden versehen. Bei Fassadenelementen, die an dieser Stelle UV-Licht ausgesetzt sind, wird Silikon verwendet, das allerdings gasdurchlässiger ist.

Der Randverbund gewährleistet die Funktion der Isolierglasscheibe nur für eine bestimmte Zeit, da die Diffusion von Gasen durch einen geklebten Randverbund nicht völlig vermeidbar ist. Dadurch verschlechtert sich der Wärmedämmwert durch das entweichende Füllgas kontinuierlich – die Vorgabe liegt bei maximal einem Prozent Gasverlust pro Jahr – und Umgebungsluft sowie Luftfeuchtigkeit dringen ein. In der Literatur wird eine Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren ^[10] genannt. Damit die eindringende Feuchtigkeit nicht als Kondensat im Scheibenzwischenraum anfällt, wird im Abstandhalter ein Trocknungsmittel aus der Materialfamilie der Silicagele oder Molekularsiebe ( Zeolithe ) eingebracht. Sobald das Trocknungsmittel aufgebraucht ist, beschlägt die Innenseite der Scheibe. Dies wird als „blinde Scheibe“ bezeichnet.

Der Randverbund verschlechtert die Wärmedämmung einer Isolierglasscheibe. Der Wärmedurchgangskoeffizient wird bei Isolierglas als Ug-Wert (g = glazing ) angegeben und berücksichtigt nicht die Auswirkungen des Randverbunds. Eine Zweifach-Isolierglasscheibe von 1 m × 1 m mit einem herkömmlichen Abstandhalter aus Aluminium ( Psi-Wert : 0,068 W/m•K) und einem Ug-Wert von 1,2 W/m ² K hätte bei Einbeziehung der Auswirkung des Randverbundes einen U-Wert von: (1 m ²  × 1,2 W/m ² K + 4 m × 0,068 W/m•K) / 1 m ²  = 1,5 W/m ² K

Die Beeinträchtigung der Wärmedämmung am Scheibenrand führt bei niedrigen Außentemperaturen auch zum Kondensieren von Wasser am rauminneren Scheibenrand. (Da ältere Fensterelemente oft eine hohe Fugendurchlässigkeit aufweisen, wird das Kondensat durch eindringende Kaltluft getrocknet und ist dann nicht bemerkbar.) Durch den Einsatz eines thermisch verbesserten Randverbunds – die Warme Kante mit Psi-Werten von 0,03 W/m•K bis 0,05 W/m•K – fällt Kondensat je nach Psi-Wert und Raumfeuchte erst bei tieferen Außentemperaturen an.

Wellenlängenselektive Beschichtung („Low-E“)

Körper strahlen Wärmeenergie ab. Dies wird als Emissivität bezeichnet. Viele polierte Metalle weisen eine erheblich geringere Emissivität als Glas auf. Die Low-E-Beschichtung (vom englischen Wort Low Emissivity ) ist eine auf Glas aufgebrachte dünne Metall- oder Metalloxidschicht, um die Emissivität zu senken. Das so beschichtete Glas nennt man auch Low-E-Glas oder LE-Glas . Bei der Thermoskanne aus Glas wird dieser Effekt schon lange genutzt. Die Beschichtung eines Low-E-Glases muss möglichst durchgängig für die eintreffende solare Strahlung sein, wodurch sich ein hoher Gesamtenergiedurchlassgrad und keine Verschiebungen des sichtbaren Lichtspektrums wie bei manchen Sonnenbrillen ergibt.

Das Prinzip der meist durch Sputtern oder pyrolytische Beschichtung (bei höheren Anforderungen an die mechanische Beständigkeit) aufgebrachten Low-E-Beschichtung ist nicht an die Isolierglasscheibe gebunden. Auch bei einer Einfachverglasung wird dadurch der Ug-Wert reduziert. Bei Isolierglas wird die Low-E-Beschichtung in der Regel auf der raumseitigen Scheibe zum Scheibenzwischenraum hin aufgebracht. Über die Art der Beschichtung werden unter anderem auch der Gesamtenergiedurchlassgrad, der Lichttransmissionsgrad LT (prozentualer Anteil des durchgehenden Strahlungsbereichs von 380–780 nm), der Lichtreflexionsgrad (prozentualer Anteil des außenseitig reflektierten Strahlungsbereichs von 380–780 nm), der UV-Transmissionsgrad (prozentualer Anteil des durchgehenden Strahlungsbereichs von 280–380 nm) und der Farbwiedergabeindex Ra beeinflusst. Man kann so Funktionsgläser wie zum Beispiel Sonnenschutzglas oder verspiegeltes Glas herstellen.

Die Metallbeschichtung dämpft als Nebeneffekt auch Funkwellen. Im Frequenzbereich moderner Mobilfunktelefone wird eine Dämpfung von bis zu 30 dB erreicht; das entspricht einer Abschirmung von bis zu 99,9 %.

Variante

Schon seit Jahren gibt es neben herkömmlichem Isolierglas auch spezielle Versionen, etwa Schallschutz-, Sonnenschutz – oder Sicherheits-Isolierglas. Der technische Unterschied zwischen diesen und den herkömmlichen Isoliergläsern besteht vor allem im jeweiligen Aufbau: Durch speziell beschichtete Gläser und unterschiedliche Gasfüllungen lassen sich wesentliche Vorteile, beispielsweise hinsichtlich des Schallschutzes , erzielen.

Schall kann einfach und wirkungsvoll durch Verwenden verschieden dicker Glasscheiben gedämmt werden. Wegen der verschiedenen Stärken haben die Scheiben voneinander abweichende akustische Resonanzen, wodurch die Schall-Weiterleitung behindert wird.

Verglasung

In der Regel wird Isolierglas in einen Rahmen so eingebaut, dass die Scheibe den tragenden Rahmen an keiner Stelle direkt berührt und durch Verglasungsklötze ein Mindestabstand („Glasluft“) von 5 mm ^[11] zwischen dem Rand der Isolierglasscheibe und dem Rahmen (Glasfalzgrund) eingehalten wird. Der Glasfalzgrund ist zur Außenluft durchgängig zu belüften, um einen Dampfdruckausgleich zu ermöglichen und eindringendes Sickerwasser abzuleiten. In Deutschland sind für den Einbau von Isolierglasscheiben die DIN 18545 und DIN 18361 die wichtigsten Normen. Eine Verpflichtung zur Einhaltung dieser Normen besteht allerdings nicht.

Wird Isolierglas in einer Glasfassade eingebaut und die Scheibenstöße mit einer Dichtungsmasse durchgehend verklebt, wird dies als Structural Glazing bezeichnet.

Wesentliche Verglasungssysteme beim Isolierglas:

Trockenverglasung

Die Fuge zwischen Isolierglasscheibe und Rahmen wird mit Profilen aus elastischem Kunststoff abgedichtet, dabei können die Rahmenecken der Dichtprofile verschweißt oder nur gestoßen sein.

Nassverglasung

Die Abdichtung der Fuge zwischen Isolierglasscheibe und Rahmen erfolgt durch Dichtungsmassen , die nach der Einbringung dauerelastisch aushärten, beispielsweise Silikon .

Die meisten Isolierglasscheiben dürfen nicht mit dem bei Einfachverglasungen überwiegend verwendeten Fensterkitt aus Leinöl eingesetzt werden, da das Öl den Dichtmaterialien des Randverbunds schaden kann.

Direktverglasung

Auch als geklebte Scheibe bezeichnet. (Nicht zu verwechseln mit Structural glazing ). Hier wird die Isolierglasscheibe kraftschlüssig in einen Rahmen eingeklebt, um eine mittragende Wirkung zu erzielen. Dadurch können die umgebenden Rahmenprofile schwächer (weniger tragfähig) ausgeführt werden. Insbesondere beim Kunststofffenster ist dies anzutreffen.

Verglasung ohne Vorlegeband

Bei der Nassverglasung wäre nach DIN 18545 ein mindestens drei Millimeter dickes Vorlegeband zwischen der Glasfläche und dem Rahmenmaterial anzubringen. Bei der vorlegebandlosen Verglasung ^[12] wird darauf verzichtet. Obwohl dies gängige Praxis ist, raten einige Isolierglashersteller davon ab. ^[13]

Ausblick

Stand der Technik (2012) sind Dreifachverglasungen mit einem Ug-Wert von etwa 0,6 W/m²K bis 0,8 W/m²K und wärmetechnisch verbessertem Randverbund ( Warme Kante ). Maximal möglich ist derzeit ein Ug-Wert von 0,4 W/m²K, wobei dann der Energiedurchlassgrad gering ist und die Frage der Wirtschaftlichkeit ebenfalls im Raum steht.
[Grobe Faustregel: Eine Verringerung des U-Wertes um 0,1 W/m²K erspart etwa 1,1 l Heizöl je m² und Heizperiode , falls die Heizgradtagzahl bei 3600 liegt (Durchschnittswert Deutschland für Bestandsgebäude) und die Ölheizung 75 % Wirkungsgrad aufweist ^[14] ]

Mögliche Weiterentwicklungen – teilweise bereits erhältlich – sind beispielsweise dünnere Innenscheiben zur Gewichtsreduzierung (eine Standard-Dreifachverglasung mit 4 mm Glas wiegt 30 kg/m²), integrierte Photovoltaik -Elemente, oder elektrisch variierbare Licht- und Strahlungsdurchlässigkeit ( Intelligentes Glas ). Beim Randverbund geht die Entwicklung zum Vollkunststoffsystem, welches die vollautomatische Fertigung von Isolierglas erleichtert.

Die wärmetechnischen Fortschritte von Isolierglas verändern auch die Gestaltung von Fenstern . Echte (glasteilende) Sprossen und sonstige kleinteilige Aufteilung in mehrere Glasfelder werden zunehmend problematisch, da die schlechteren Wärmedämmwerte am Scheibenrand ( Psi-Wert ) umso mehr ins Gewicht fallen, je besser die Wärmedämmwerte (Ug-Wert) der Scheiben sind. Auch die Lebensdauer reduzierende Klimalast (siehe weiter oben), führt besonders beim Dreifachglas zu relativ großformatigen Scheiben. Damit beim Fenster die Uf-Werte (f = frame ) des Rahmens mit den Ug-Werten des Glases Schritt halten können, wurde die Bautiefe (Stärke) der Rahmen deutlich erhöht und zusätzlich werden in Kammern des Rahmenmaterials wärmedämmende Einlagen eingefügt. Auf diese Weise werden Uf-Werte zwischen 0,9 W/m²K und 1,2 W/m²K erzielt.

Vakuum-Isolierglas (VIG) wurde 1989 erstmals in der Universität von Sydney ^[15] hergestellt. 1996 begann Nippon Sheet Glass unter dem Markennamen Spacia mit der kommerziellen Produktion. Aktuell (2013) wird ein Ug-Wert von 0,7 W/m²K erreicht. Im etwa 0,2 mm breiten Scheibenzwischenraum (SZR) sind zur Stabilisierung gegen den Außendruck viele kleine Stützen rasterartig angebracht. In einer Ecke der Scheibe befindet sich ein gut sichtbares Evakuierungsventil. Die Abdichtung am Scheibenrand erfolgt mittels eines eingelöteten Metallstreifens. Die dadurch relativ schlechte Wärmedämmung am Scheibenrand (= hoher Psi-Wert) stellt eine nicht unerhebliche Wärmebrücke dar und begünstigt den Anfall von Tauwasser an den Rändern. Bisher werden diese Scheiben meist für besondere Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in denkmalgeschützten Fenstern, wo oftmals kein Einbauraum für Standard-Isolierglas zur Verfügung steht. Eine kommerzielle Fertigung in Europa ist bis heute (2013) nicht bekannt.

Literatur

• Hans-Dieter Hegner, Ingrid Vogler: Energieeinsparverordnung EnEV – für die Praxis kommentiert: Wärmeschutz …. Ernst&Sohn, 2002, ISBN 3-433-01730-1 , eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche
• E. Baust, W. Fuchs: Praxishandbuch Dichtstoffe. Ausgabe Deutsch, IVD, 5. Auflage, keine Jahresangabe, HS Public Relations Verlag GmbH, Düsseldorf
• E. Baust, W. Fuchs: The Sealants Manual. Ausgabe Englisch, IVD, 5. Auflage, keine Jahresangabe, HS Public Relations Verlag GmbH, Düsseldorf