Vakuumglas-Kastenfenster: Performance-Monitoring in Sanierungsprojekten

Abstract

Das Projekt VAMOS (das Akronym steht für „Vakuumglas-Kastenfenster: Performance - Monitoring in Sanierungsprojekten“) befasst sich mit der Sanierung von Kastenfenstern mittels dem innovativen Glasprodukt Vakuumglas. Dazu wurden für unterschiedliche Kastenfenstertypologien (z.B. Pfostenstock-Kastenfenster, Leistenpfostenstock-Kastenfenster, Rahmenpfostenstock-Kastenfenster, Doppelrahmenstock-Kastenfenster) und unterschiedlich intensive Interventionsgrade (von „kosmetischen“, minimalinvasiven Maßnahmen bis zur kompletten Fensterrekonstruktion/Neuerrichtung) Sanierungsvarianten für Kastenfenster unter Verwendung von Vakuumglas konzipiert, mittels Labormessungen und Simulationsuntersuchungen evaluiert und optimiert, konstruiert und in realen Einbausituationen eingebaut, sowie einem detaillierten und umfassenden (Performance-) Monitoring unterzogen. Die hierbei observierten Aspekte waren die für die Bewertung der Fensterperformance wesentlichen Aspekte wie z.B. Oberflächentemperatur an kritischen Punkten, relative Luftfeuchtigkeit (und damit Kondensat-Neigung bzw. Taupunkte), sowie weitere objektive und subjektive Performancekriterien. Österreichweit (sowie im D-A-Ch-Bereich) handelt es sich mit diesen Maßnahmen und Bemühungen um die ersten, umfassend wissenschaftlich begleiteten Fenstersanierungs-Realisierungen / Demonstrationen mit Vakuumgläsern in (zum Teil denkmalnahen, d.h. baukulturell sensiblen) Bestandsobjekten bzw. Sanierungen. Unter dem Begriff Vakuumgläser (bzw. Vakuumisolierglas) versteht man landläufig zweischalige Glaskonstruktionen, die einen evakuierten Zwischenraum besitzen. Solche Gläser haben durch den weitestgehenden Entfall (bzw. Minimierung) der Wärmetransportmechanismen Wärmeleitung („Conduction“) und Konvektion („Convection“) eine ausgezeichnete thermische Performance (Ug-Werte von 0,4 – 0,7 W.m-2.K-1). Jedoch erfordern solche Gläser durch ihre spezielle Konstruktionsform (Wärmebrücken durch Randverbund und Abstandhalter) beim Einsatz in Bestandskonstruktionen auch eine detaillierte Planung und Bewertung (z.B. Risikoabschätzung des Kondensationsrisikos). Im Sondierungsprojekt VIG-SYS-RENO (vergleiche Endbericht des FFG-Projektes Nr. 845225), welches die Basis dieses kooperativen F&E-Projekts darstellt, konnte die prinzipielle Anwendbarkeit von Vakuumgläsern in Kastenfenstern bewiesen werden, jedoch damals durch die zeitlichen und wirtschaftlichen Randbedingungen noch keine Umsetzung unter Realbedingungen bewerkstelligt werden. Gerade eine solche ist aber erforderlich, um letztlich über die wahren Potentiale und einzugehenden Risiken beim Einsatz von Vakuumgläsern entscheiden zu können. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den Vorprojekten VIG-SYS-RENO, MOTIVE und FIVA wurden für unterschiedliche Kastenfenstertypen und unterschiedliche Einbausituationen zunächst Sanierungsvarianten konzipiert. Diese Konstruktionen wurden einer rigorosen Testreihe sowohl virtueller, wie auch physischer Natur unterzogen, um dann eine Entscheidung für einen entsprechenden Bau und einen entsprechenden Einbau zu treffen. Knackpunkte bei solchen Bemühungen sind unter anderem in der Frage kumuliert, ob die Vakuumgläser auf der Innen- oder auf der Außenseite des jeweiligen Kastenfensters zu montieren sind, bzw. wie die Rahmen-Geometrien und Anschlussdetails auszusehen haben. Diese Frage muss grundsätzlich vor dem Spiegel der architektonischen Erscheinungsform (die in den meisten Fällen als erhaltenswerte Priorität zu betrachten sein wird) und den Performance-Implikationen untersucht werden. Dies wurde für die im Projekt untersuchten und modifizierten Fenster vorgenommen. Darüber hinaus wurden zahlreiche Testserien hinsichtlich Gebrauchstauglichkeit und bauphysikalischer Performance (Hygrothermische Performance, Akustische Performance) durchgeführt. Bei den Demonstrationen unter Realbedingungen wurden in sechs Gebäuden jeweils geeignete Fenster ausgewählt. In der Mehrzahl der Fälle wurden jeweils Test-Fenster (zumeist 2 mit unterschiedlicher Konfiguration des Vakuumglases innen bzw. außen) und Kontroll-Fenster (i.d.R. ein Fenster im Originalzustand ohne Modifikation) bestimmt, die alle mit weitestgehend identem, auf die jeweilige Situation zugeschnittenem Monitoring Equipment ausgestattet wurden. Die Modifikationen der Fenster waren sowohl in der Einsatzebene des Vakuumglases (Innen/Außenflügel) wie auch in den jeweiligen Randbedingungen (vorherrschendes Mikroklima, Nutzung der Räumlichkeiten, Einbausituation der Fenster, Typ des Kastenfensters) verschieden. In einem Fall wurden alle Fenster des Bauwerks durch einen Wunsch der Bauherren bei der tatsächlich stattfindenden Bauwerkssanierung mit einer Vakuumglasausstattung getauscht, so dass kein Kontrollfenster vorhanden war. Bei dem Monitoring wurden unterschiedliche Detaillierungsgrade durchgeführt (die als „Standard“ und „detailliert“ bezeichnet wurden). Um auch subjektive Einschätzungen und Beobachtungen zu erfassen, wurde auch auf andere Datenerfassungsmaßnahmen, wie dem Protokollführen hinsichtlich Auftretens von Kondensat, zurückgegriffen. Die Ergebnisse des Projektes zeigen, dass trotz der – im Vergleich zu „neuen“, spezifisch auf die Charakteristika des Vakuumglases hin optimierte Fenster (vergleiche Endbericht des Forschungsprojektes FIVA unter www.nachhaltigwirtschaften.at) – nicht ganz optimalen bauphysikalischen Randbedingungen hinsichtlich Überdeckung der Wärmebrücke Glasrandverbund, es kaum zu negativen Einflüssen durch die Integration des Vakuumglases kommt. Vielmehr zeigt sich eine signifikante Reduktion des Wärmeverlustes durch das jeweilige Fenster. Es muss an dieser Stelle aber darauf hingewiesen werden, dass ein Einsatz der Vakuumgläser in Kastenfenstern allein schon durch die Vielzahl an Parametern (Material von Wand und Fenstergewände, Position der Flügel relativ zu Innen- und Außenoberfläche, Vorhandensein von Dichtungen oder nicht, unterschiedliche Temperatur- und Feuchtebelastungen durch verschiedene Außenklima sowie unterschiedliche Innenraumnutzungen, Vorhandensein von Heizsystemen, etc.) detailliert hochbautechnisch und baukonstruktiv mit entsprechendem Fachpersonal (Bauphysik, Holz- und Fensterbau, Tischlerhandwerk, Architekt) zu planen ist, um eine dauerhafte Konstruktion einerseits und stark reduzierte Wärmeverluste unter Beibehaltung der attraktiven Hochleistungskonstruktion „Kastenfenster“ andererseits sicherzustellen. Das Projekt hat gezeigt, dass Kastenfenster unter Verwendung von Vakuumglas zu wärmetechnisch guter Performance im Spiegel der Reduktion von Wärme und damit der Vermeidung von Emissionen und Energieverbrauch optimiert werden können. Die Ergebnisse des Projektes wurden in diesem Bericht, in zahlreichen Publikationen, sowie in einer rudimentären Entscheidungshilfe für interessierte Stakeholder zusammengestellt.

The project VAMOS („Vakuumglas-Kastenfenster: Performance-Monitoring in Sanierungsprojekten“ which more or less corresponds in „Vacuumglas-Casement-Windows: Performance – Monitoring in building retrofit projects”) focused on the thermal retrofit of casement windows via implementation of vacuum glazing products. Toward this end, different casement window typologies, such as “Alt-Wiener-Kastenfenster” and “Wiener Kastenfenster” as well as different degrees of retrofit intervention were considered. These different degrees included minimal-invasive restoration but also ranged until total reconstruction and replacement of the old casement window by a facsimile. These different retrofit modes resulted in construction concepts, which were evaluated both virtually via building performance simulation tools and as full-scale mock-ups within laboratory test-beds. Moreover, the retrofitting approaches were applied to real casement windows of case study buildings, in part being of historic value due to their building history. The idea behind was to study the different retrofit concepts in real life buildings, and subjected to real-life conditions. To be able to evaluate the different retrofit concepts later on, the test sites were equipped with comprehensive monitoring equipment, tailored to capture performance data such as surface temperature at critical points, dry-bulb temperature indoor, in interstitial spaces, and outdoor, and levels of air humidity and thus dew point temperatures (to assess condensation risk). Moreover, subjective and objective performance criteria were collected utilizing comfort and condensation assessment by the building occupants. To the knowledge of the authors, this venture can be considered a pioneering one, given that no other casement window retrofit effort has been conducted so far that includes both the implementation of vacuum glazing products and accompanying scientific monitoring. Moreover, the present project might be also the first in Austria that implements vacuum glass panes in windows of historically relevant buildings and thus the sensitive building stock. By vacuum glazing products regularly two parallel glass panes are understood that feature a small, evacuated interstitial gap, a vacuum tight edge seal, and a set of distance pillars to keep the parallel positioning of the panes against the air pressure from outside. Due to the minimizing of conductive and convective heat transfer, such glass products feature very good thermal insulation at very small system thickness. The Ug-values of such glass panes can be found to be between 0.4 and 0.6 W.m-2.K-1. Due to the thermal bridges caused by the edge seal and the distance pillar grid, such glass products require an in-depth planning and evaluation (e.g. risk assessment toward condensation risk). In the previous exploratory project VIG-SYS-RENO, which also forms the basis of the present project, a proof of concept was delivered that illustrated the principle possibility and suitability of vacuum glass as mean of retrofit for casement windows. However, due to time and economic restraints of this project no real-life performance inquiry could be done at that time. However, such a real-life performance assessment is a crucial condition sine qua non to consider potential and risk of vacuum-glass based window retrofit. Thus, building upon the findings of the previous projects VIG-SYS-RENO, MOTIVE, and FIVA, different casement window typologies and different construction specifics of casement windows were examined, and tailored retrofit solutions utilizing vacuum glass products were envisioned. These construction solutions were subjected to a rigorous series of test and analysis runs, both virtually via suitable simulation tools and physically via prototype testing in the laboratory. As a result, decisions toward the development of solutions for the specific window typology could be made. Typical crucial aspects of such retrofit concepts encompass the question, if vacuum glass should be applied to the inner or the outer layer of the casement window system, or the question, how frame geometries and connection joints have to be designed. These questions need to be worked upon under consideration of the architectural appearance, which, in most cases, may not be affected by the implementation of vacuum glass or any other retrofit measure. Moreover, performance aspects pertaining to building physics need to be considered as well. These questions were answered for the case study windows within the project. Furthermore, a wide range of laboratory and simulation-assisted evaluations were conducted to explore performance aspects of the windows (e.g. air tightness, tightness against wind-driven rain, hygro-thermal performance, acoustics, etc…). Six demonstration sites could be utilized for demonstration purposes. In all but one case, test windows (regularly two different vacuum-glass integrated windows) and control windows (regularly one non-modified window still equipped with the original window panes) were selected and subjected to monitoring. The monitoring equipment was tailored to the specific requirements of each situation. The test windows of the different sites showed variations in the improved layer and in the specific boundary conditions (microclimate outdoor conditions, usage of the rooms, wall-material and construction typology of the casement windows). In one case, no control window was available due to the client’s wish to update all of the existing windows with vacuum-glass-equipped windows. The monitoring was conducted in different levels of detail, which were named “standard” and “detailed”. Subjective aspects and observations by the occupants were additionally collected via a logbook for the specific windows. This aimed at thermal comfort assessment and observation of surface condensate on the windows. The results of the project illustrate that – despite the non-optimal integration possibilities of the vacuum glass in the windows (regularly the edge seal cover was by far smaller than 40mm) in contrast to new window constructions as reported about in the project FIVA (see www.nachhaltigwirtschaften.at) – no negative effects could be monitored in most cases. In detail, no condensate could be found, if the window construction and mounting followed the correct principles. Rather, a significant reduction of heat losses through the specific window could be monitored. However, the integration of vacuum glass into casement windows required specific knowledge in the case studies of this project, and the same is true for any other casement window. Given the multitude of combinations of different construction parameters, such as size, indoor and outdoor conditions, position and material of windows, walls, and casement frame, it seems obvious that any retrofit planning should be accompanied by a detailed evaluation by domain experts on building construction and building physics, as well as by experts of window carpentry. This is a condition sine qua non to reach the goals of longevity, energy savings, and upkeep of architectural appearance. The present project emphasized that vacuum glazing is a viable option for thermal retrofit of casement windows and might play an important role in reduction of energy demand and connected emissions of the building stock. The findings of the project have been published in this report, as well as in numerous scientific and non-scientific publications. Moreover, a rudimentary decision tree for interested stakeholders was created.