Projekt 06227/01

Solar-Fassadenelemente mit richtungsselektiver Transmission (RST)

ProjekttrÀger

Hochschule OsnabrĂŒck
Albrechtstr. 30
49076 OsnabrĂŒck
Telefon: 0541/969-2178

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Solarfassaden mit richtungsselektiver Transmission (RST) fokussieren direktes Sonnenlicht auf horizontal verlaufende Brennlinien. Der Höhenwinkel der Sonne beeinflußt dabei die Lage der Brennlinie. Dadurch wird die Direktstrahlung der hochstehenden Sommersonne zurĂŒckreflektiert, wĂ€hrend die Direktstrahlung der tief stehenden Wintersonne nahezu ungehindert transmittiert wird. Das System kommt ohne bewegte Teile aus und reduziert die KĂŒhllast des GebĂ€udes ebenso wie die Beleuchtungsenergie.
Ziel dieses Projektes war der Nachweis der glastechnischen Machbarkeit von RST, und zwar theoretisch durch Simulationsrechnungen und praktisch durch Produktionsversuche sowohl von Walzglas-Zylinderlinsen-Scheiben als auch von fertigen RST-Doppelscheibenelementen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1. Numerische Simulation: Mit Hilfe umfangreicher FEM-Rechnungen sollte gezeigt werden, unter welchen Bedingungen RST-GußglĂ€ser der geforderten Zylinderlinsen-Profilierung unter BerĂŒcksichtigung der zulĂ€ssigen inneren Spannungen herstellbar und evtl. auch hĂ€rtbar sind.
2. Walzglas-Herstellung: Im Partnerbetrieb wurden RST-Zylinderlinsenscheiben in zwei verschiedenen Querschnitts-Geometrien und unterschiedlichen Dicken probehalber hergestellt.
3. Funktions-ÜberprĂŒfung: RST-Elemente mit den o.a. Walzglas-Scheiben wurden durch Transmissionsmessungen auf ihre Winter-(Durchlaß-) und Sommer-(Abschattungs-)Funktion untersucht.
4. Isolierglas-Herstellung: Aus den o.a. Zylinderlinsen-Scheiben wurden bei verschiedenen Partnerfirmen mit Hilfe unterschiedlicher Randverbundstechniken Doppelscheiben-Isolierglaselemente hergestellt. Zur ÜberprĂŒfung der langfristigen Diffusionsdichtigkeit wurde ein Wasserbad-Wechseltest entwickelt.


Ergebnisse und Diskussion

1. Numerische Simulation: Die Simulation der materialtechnischen VorgĂ€nge bei der Herstellung von Walzglas hat ein grundlegendes VerstĂ€ndnis der prozeßrelevanten physikalischen ZusammenhĂ€nge gebracht.
Die VorgĂ€nge bei der Erstarrung einer Glasschmelze werden komplex durch das Relaxationsverhalten des Werkstoffes: Als Folge der AbkĂŒhlung Ă€ndern sich die Struktur und die damit zusammenhĂ€ngenden Stoffwerte mit zeitlicher Verzögerung. Die daraus resultierende dynamische Anpassung der Stoffwerte wĂ€hrend des Programmablaufs war mit der verfĂŒgbaren Software (ANSYS) nur zum Teil realisierbar. Ferner fehlten experimentell gewonnene zeitlich aufgelöste DatenverlĂ€ufe, die den WalzvorgĂ€ngen entsprechen, als Eingabeparameter fĂŒr die Simulation.
Die erweiterte Simulation unter viskoelastischen Bedingungen lieferte Spannungswerte, unter denen das Glas nicht mehr herstellbar wÀre. Praktische Versuche (s. 2.) zeigten jedoch die tatsÀchliche Machbarkeit.
Fazit: Eine wirklichkeitsnahe Simulation der viskoelastischen AbkĂŒhlung einer Glasschmelze mit Relaxation war wegen der o.a. Defizite unter den gegebenen Bedingungen noch nicht möglich.
2. Walzglas-Herstellung: Durch eine Probe-Produktion im Partnerbetrieb konnte zweifelsfrei gezeigt werden, daß die Herstellung von RST-Zylinderlinsenplatten aus Walzglas technisch möglich ist.
Da aus produktionstechnischen GrĂŒnden die glatte Seite der Glasplatte oben und die strukturierte Seite unten auf den Walzen auflag, ergab sich ein Durchsacken des noch nicht erstarrten Materials, das zur Abflachung der Linsenstruktur und zu einer Wellenstruktur der glatten Seite fĂŒhrte. Beide Effekte zusammen ergaben zufĂ€llig wieder brauchbare Fokussierungseigenschaften. LĂ€ngsriefen im Linsenprofil und Breitenabweichungen der Linsen machten zusĂ€tzliche Probleme.
Durch Modifikationen des Herstellungsvorgangs, der AbkĂŒhlungsparameter und der Glasmischung erscheinen RST-Zylinderlinsenscheiben machbar, die allen Anforderungen genĂŒgen.
Einzelne Proben konnten auch gehÀrtet und erfolgreich nach DIN 1249 T.12 getestet werden.
3. FunktionsĂŒberprĂŒfung: RST-Doppelscheibenelemente mit Walzglas-Linsenplatten (aus 2.) wurden im Labor fĂŒr verschiedene Fassadenorientierungen und alle SonnenstĂ€nde des Jahres auf ihre Transmission untersucht. Die Apparatur enthielt einen Scheinwerfer mit sonnenĂ€hnlichem Spektrum, eine Azimut-Höhen-Schwenkpositionierung und ein Solarzellenfeld als Detektor.
Bei jeweils durchschnittlichem Strahlungswetter ergaben sich Transmissionen fĂŒr die Globalstrahlung von 70 % fĂŒr den 21.12. und 13 % fĂŒr den 21.06.
4. Isolierglas-Herstellung: RST-Elemente sind nicht ohne Weiteres als Zweischeiben-Isolierglas herzustellen, da sie auf der Innenseite weit tiefer strukturiert sind als herkömmliches Ornamentglas. In Zusammenarbeit mit zwei Partnerfirmen wurden Randverbund-Verfahren entwickelt, die sowohl mit Aluminium- als auch mit thermoplastischen Abstandshaltern anwendbar sind und langfristige Gas- und Wasserdampf-Diffusionsdichtigkeit garantieren. Zur ÜberprĂŒfung der Wasserdampf-Diffusion wurde ein Wasserbad-Wechseltest entwickelt.
Der Doppelscheiben-Effekt (Durchbiegen der beiden Scheiben im Verbund nach innen bei tiefen und nach außen bei hohen Temperaturen) wurde speziell fĂŒr RST-Zylinderlinsenscheiben realitĂ€tsnah berechnet. Es konnte gezeigt werden, daß er die Funktion von RST nicht entscheidend beeintrĂ€chtigt.


Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation

RST wurde zweimal auf der Hannover-Messe Industrie sowie auf mehreren lokalen und regionalen Ausstellungen gezeigt und der Fachwelt durch VortrÀge auf Tagungen und Konferenzen prÀsentiert.


Fazit

: Eine wirklichkeitsnahe Simulation der viskoelastischen AbkĂŒhlung einer Glasschmelze mit Relaxation war wegen der o.a. Defizite unter den gegebenen Bedingungen noch nicht möglich.
2. Walzglas-Herstellung: Durch eine Probe-Produktion im Partnerbetrieb konnte zweifelsfrei gezeigt werden, daß die Herstellung von RST-Zylinderlinsenplatten aus Walzglas technisch möglich ist.
Da aus produktionstechnischen GrĂŒnden die glatte Seite der Glasplatte oben und die strukturierte Seite unten auf den Walzen auflag, ergab sich ein Durchsacken des noch nicht erstarrten Materials, das zur Abflachung der Linsenstruktur und zu einer Wellenstruktur der glatten Seite fĂŒhrte. Beide Effekte zusammen ergaben zufĂ€llig wieder brauchbare Fokussierungseigenschaften. LĂ€ngsriefen im Linsenprofil und Breitenabweichungen der Linsen machten zusĂ€tzliche Probleme.
Durch Modifikationen des Herstellungsvorgangs, der AbkĂŒhlungsparameter und der Glasmischung erscheinen RST-Zylinderlinsenscheiben machbar, die allen Anforderungen genĂŒgen.
Einzelne Proben konnten auch gehÀrtet und erfolgreich nach DIN 1249 T.12 getestet werden.
3. FunktionsĂŒberprĂŒfung: RST-Doppelscheibenelemente mit Walzglas-Linsenplatten (aus 2.) wurden im Labor fĂŒr verschiedene Fassadenorientierungen und alle SonnenstĂ€nde des Jahres auf ihre Transmission untersucht. Die Apparatur enthielt einen Scheinwerfer mit sonnenĂ€hnlichem Spektrum, eine Azimut-Höhen-Schwenkpositionierung und ein Solarzellenfeld als Detektor.
Bei jeweils durchschnittlichem Strahlungswetter ergaben sich Transmissionen fĂŒr die Globalstrahlung von 70 % fĂŒr den 21.12. und 13 % fĂŒr den 21.06.
4. Isolierglas-Herstellung: RST-Elemente sind nicht ohne Weiteres als Zweischeiben-Isolierglas herzustellen, da sie auf der Innenseite weit tiefer strukturiert sind als herkömmliches Ornamentglas. In Zusammenarbeit mit zwei Partnerfirmen wurden Randverbund-Verfahren entwickelt, die sowohl mit Aluminium- als auch mit thermoplastischen Abstandshaltern anwendbar sind und langfristige Gas- und Wasserdampf-Diffusionsdichtigkeit garantieren. Zur ÜberprĂŒfung der Wasserdampf-Diffusion wurde ein Wasserbad-Wechseltest entwickelt.
Der Doppelscheiben-Effekt (Durchbiegen der beiden Scheiben im Verbund nach innen bei tiefen und nach außen bei hohen Temperaturen) wurde speziell fĂŒr RST-Zylinderlinsenscheiben realitĂ€tsnah berechnet. Es konnte gezeigt werden, daß er die Funktion von RST nicht entscheidend beeintrĂ€chtigt.


Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation

RST wurde zweimal auf der Hannover-Messe Industrie sowie auf mehreren lokalen und regionalen Ausstellungen gezeigt und der Fachwelt durch VortrÀge auf Tagungen und Konferenzen prÀsentiert.


Fazit

RST-Zylinderlinsenscheiben sind im Walzglasprozeß herstellbar und hĂ€rtbar, weisen aber bisher noch herstellungsbedingte Form- und OberflĂ€chenabweichungen auf. Die Randverbundprobleme sind gelöst; ein vereinfachtes Testverfahren steht zur VerfĂŒgung. Die relaxationsabhĂ€ngigen Spannungen im Glas bei der Herstellung konnten bisher noch nicht realitĂ€tsnah numerisch simuliert werden.
Weitere Projekte sollten die QualitĂ€tsverbesserung der Gußglas-Linsenscheiben, geometrische und materialtechnische Eigenschaften der Streifenscheibe, Produkttests, die Automatisierung der Herstellung von RST-Doppelscheibenelementen sowie die Anwendung von RST an einem Prototyp-GebĂ€ude zum Gegenstand haben.

Übersicht

Fördersumme

46.016,27 €

Förderzeitraum

23.12.1994 - 23.07.1999

Bundesland

Niedersachsen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik