Fensterprototypen mit integriertem Vakuumglas - FIVA - Berichte aus Energie- und Umweltforschung 47/2020

Abstract

Es ist allgemein bekannt, dass Gebäude für einen Großteil des Energieverbrauchs und der Emission klimaschädlicher Gase verantwortlich sind, dabei wird in Europa bei Wohngebäuden (das ist die überwiegende Mehrheit der Gebäude) dem Bauteil Fenster ein erheblicher Anteil dieser Problematik zugeschrieben. Zu den Technologien zur Verbesserung dieses "Schwachpunkts Fenster" gehört der Einsatz zeitgemäßer und innovativer Glasprodukte, wie zum Beispiel Vakuumglas. Dabei gilt es, die Spezifika von Vakuumglas - exzellenter Ug-Wert ≤ 0,5 W/(m2K) bei extrem dünnen Glasdicken (8-10 mm), geringes Gewicht und der notwendige tiefe Glaseinstand von ca. 40 mm - in entsprechenden innovativen Fensterkonstruktionen zu berücksichtigen. In der Fensterentwicklung der letzten Jahrhunderte (und Jahrzehnte) gab es nur wenige disruptive Innovationssprünge. Im Wesentlichen können die Entwicklungsschritte Einfachfenster, Kastenfenster, Verbundfenster und letztlich Isolierglasfenster benannt werden. Diese Entwicklung war stets vom Streben nach verbessertem Wärmeschutz und stark von der Entwicklung der Glastechnologie geprägt. Vor knapp 60 Jahren sind fast zeitgleich das Isolierglas und der Dreh-Kipp Beschlag erfunden worden. Nach diesem Innovationsprung folgten weitere Entwicklungen, jedoch vor allem in der linearen Optimierung dieser bestehenden Grundkonstruktions-Technologien und in den verwendeten Rahmenmaterialien (Holz, Kunststoff, Aluminium, Kompositmaterialien). Im Projekt FIVA ergab sich die einmalige Chance, mit dem innovativen Vakuumglas auch holistisch eine neue Fenstergeneration zu entwickeln: Einerseits galt es, die Spezifika des Vakuumglases bestmöglich zu berücksichtigen, andererseits, komfortable Öffnungsszenarien zu entwickeln und die Fenster mit zeitgemäßen, mechatronischen Beschlägen auszustatten. Diesbezüglich ist es in diesem Forschungsvorhaben gelungen, eine Überleitung der im Sondierungsprojekt MOTIVE (FFG-No.: 854690) erreichten Ergebnisse auf die nächste Stufe der technischen Ausgereiftheit zu bewerkstelligen. Gemeinsam haben die TU Wien und die Holzforschung Austria mit sieben Wirtschaftspartnern (Fa. Gaulhofer, Fa. Katzbeck, Fa IEB Eisele, Fa. Internorm, Fa. Maco, Fa. Svoboda, Fa. Wick) in einem iterativen Entwicklungsprozess vier voll funktionsfähige Prototypen entwickelt und Systemkomponenten, wie z.B. Vakuumdichtungen oder Steuermodule entworfen, gebaut und getestet. Konkret handelt es sich dabei um folgende Fenster-Prototypen: . (Typ A) Raumseitig flächenbündiges, nach innen öffnendes Dreh-Fenster (mit Lüftungsstellung) . (Typ B) Nach außen öffnendes Parallel-Abstell-Dreh-Fenster (mit Lüftungsstellung) . (Typ C) Schwing-Klapp-Fenster ohne bewegliche Verriegelungselemente (mit Lüftungsstellung) . (Typ D) Abstell-Schiebe-Fenster mit unsichtbar integrierten Teleskopschienen (mit Lüftungsstellung) Alle vier Fenster zeigen hervorragende wärmetechnische Eigenschaften und erreichen im besten Fall - bei Einsatz eines Vakuumglases mit Ug=0,4 W/(m2K) - einen exzellenten Fenster U-Wert von Uw=0,55 W/(m2K). Auch die anderen getesteten Performancewerte in Hinblick auf die Gebrauchstauglichkeit, wie z.B. Luftdurchlässigkeit, Schlagregendichtheit, Windwiderstandsfähigkeit und Schallschutz zeigen, dass die Funktionsprototypen auf einem sehr guten Niveau liegen, aber noch weitere Optimierungen möglich sind. Insgesamt sollten diese vier Prototypen in naher Zukunft zur Serienreife weiterentwickelt werden. Im Hinblick auf nutzungsrelevante Aspekte wurden die vier Prototypen einer breiten Öffentlichkeit, in Form von Vorträgen, Publikationen und einer Sonderschau (im Rahmen des Fenster-Türen-Treffs 2020 in Salzburg) vorgestellt und von dieser bewertet. Das Feedback war enorm und fand auch entsprechenden Niederschlag in der Fachpresse. Es wurden sowohl die mutigen Lösungsansätze, die konsequente Umsetzung in den Prototypen, wie auch die innovativen Öffnungsarten anerkannt. Kritisch wurde die wirtschaftliche Umsetzung insbesondere in Zusammenhang mit den mechatronischen Antrieben und der Nutzerakzeptanz gesehen. Die technischen Kommentare können teilweise aufgrund der detaillierten technischen Ausführung entkräftet werden, sollten aber im nächsten Entwicklungsschritt Berücksichtigung finden. Insgesamt wurde mit diesem Projekt ein wichtiger Impuls für die gesamte Fensterbranche gegeben und die Innovationskraft und Technologieführerschaft Österreichs auf diesem Gebiet eindrucksvoll sichtbar gemacht.

It is common knowledge that buildings contribute to the major share of energy consumption and emission of CHG (Climate harming Gases). In the case of residential buildings, which constitute the majority of buildings, windows are considered to cause a significant proportion of this share (in Europe). Recent technologies that improve the window performance encompass contemporary and innovative glass products, such as vacuum glazing. In the case of vacuum glazing the characteristics of this technology needs to be considered. These are a very low Ug-Value (≤ 0.5 W/(m2K) accompanied by very thin total thickness (8 to 10 mm) and, as a result, low weight. Moreover, construction efforts with vacuum glass have to consider that a glass edge cover length of about 40 mm is required to avoid unwanted thermal bridge effects along the glass perimeter. In the construction development of windows very few disruptive innovations can be identified in the past centuries and decades. Majorly, the steps of single-glazing window, casement window, composite window and (multi-pane) insulation glass windows can be named as major innovation steps. This development was majorly driven by the need for better thermal insulation. Moreover, the development has been accompanied by developments in the glass-producing industry as well as in the fittings and sealing industries. Around 60 years ago, multipane-insulation glass and fittings for tilt-and-turn-windows have been developed nearly simultaneously. Since this last innovative leap, only linear optimization of the mentioned basic technologies can be found as well as some innovation in the used materials for window frames (timber, plastic, aluminum, composites). The project FIVA offered the unique opportunity to utilize the integration of vacuum glazing products in windows for fundamental considerations regarding window constructions as such: On the one hand, the mentioned specifics of vacuum glass have to be considered in such window design approaches. On the other hand, new and comfortable operational schemes for the windows can be explored together with mechatronic fitting technologies. Based on the findings of the exploratory project MOTIVE (FFG-No.: 854690) the next development steps regarding technology readiness were addressed in FIVA. Thereby, two scientific partners (TU Wien and Holzforschung Austria) together with 7 industrial partners (Fa. Gaulhofer, Fa. Katzbeck, Fa IEB Eisele, Fa. Internorm, Fa. Maco, Fa. Svoboda, Fa. Wick) collaborated in iterative development processes, which resulted in four, fully-functional window prototypes. Moreover, system components required for these four window prototypes (including rubber seals based on vacuum technology and controller for mechatronic operation of the windows) have been envisioned, prototyped and tested. The four prototypes were: . (Typ A) Turn window opening to the inside with flush-mounted glass. . (Typ B) Turn window opening to the outside including parallel offset ventilation position . (Typ C) Swing Window without moving fittings . (Typ D) Sliding window with offset movement and invisible telescope slide railings All four windows feature excellent thermal performance characteristic. If a vacuum glazing with an Ug-value of 0.4 W/(m2K) is used, Uw-values of 0.55 W/(m2K) are reachable. Moreover, other performance criteria and their threshold values, such as usability, air tightness, density against wind-driven rain, wind resistance, and sound insulation, were considerably surpassed by the prototypes. However, future improvement seems both necessary and desirable. All four prototypes should be further developed to series-production readiness in the near future. The four prototypes were shown to an interested audience in form of talks, publications, and a special exhibition that took place in the framework of the Fenster-Türen-Treff 2020 in Salzburg. The feedback was constructive and the prototypes and the work of the project consortium were reported in articles by different periodicals. Thereby, the innovation, the consequent integration in prototypes, and the unusual operation schemes of the prototypes were highlighted. Some critical comments included the possibility of feasible mass production and some aspects of user acceptance. All of these comments will be integrated in the future R&D work pertaining to the prototypes. To conclude, the project provided a major boost to the window producing industry, and underlined the innovation power and technology leadership of Austrian window producing companies.