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Gliederung meines Vortrags Physikalisache Grundlagen Materialkunde

Gliederung meines Vortrags Physikalisache Grundlagen Materialkunde Glasprodukte mit niedrig emittierenden Schichten. 1. Physikalische Grundlagen. Frage : Was haben diese beiden Gefäße gemeinsam ?. Dewar- Gefäß doppelwandig. ‘ Dröppelmina ’. Thermoskanne. einwandig Zinnkanne.

garima
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Gliederung meines Vortrags Physikalisache Grundlagen Materialkunde

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Presentation Transcript

  1. GliederungmeinesVortrags • PhysikalisacheGrundlagen • Materialkunde • GlasproduktemitniedrigemittierendenSchichten

  2. 1. PhysikalischeGrundlagen Frage: Was habendiesebeidenGefäßegemeinsam? Dewar-Gefäß doppelwandig ‘Dröppelmina’ Thermoskanne einwandigZinnkanne Mitihnenkann man KaffeelangeZeit warm halten! BeideGefäßewirkenwärmeisolierend!

  3. WiefließtWärme? Wärmeleitung(QWL) UmgebungT2z.B. 20 °C HeißeOberflächeT1 z. B. 100 °C Konvektion(QK) AbstrahlungistOberflächeneffekt! Strahlung(QStr) Qgesamt = QWL + QK + QStr PhysikalischerFormalismus: StrahlungQStr = e*s*(T14 – T24) e= thermischesEmissionsvermögen; (materialspezifisch; Sn: e = 0,03; Glas: e = 0,84) Konvektion konv.W.-Übergang QK = a*(T1 – T2) Wärmeleitung(beiGasen)a= konvektiverWärmeübergangskoeffizient (z. B. von Luftbewegungabhängig)

  4. Wieisoliert die ‘Dröppelmina’? Schema Dröppelmina; einwandig! außen e = 0,03 (Sn; Ag) Umgebung T2 = 20 °C T1 = 100 °C a = klein (imRaum) Wegene = 0,03 istQStr ≈ 0 (Oberfläche muss blank sein!) Wegen T1 – T2 = 80 K ist QK > 0, jedoch rel. gering!

  5. Wieisoliert die ‘Thermoskanne’? Schema Thermoskanne; doppelwandig! Zwischenraum außen Ag-Schichtmite ~ 0,02 Umgebung T3z.B. 20 °C T2~20 °C 100 °C a = 0; Vakuum! Da T1 ~ T3folgt: nahezukeinWärme- flusszurUmgebung! Wegene = 0,02 istQStr ≈ 0; Wegena = 0 ist QK = 0! e ≈ 0.84 (Glas) DerKaffeebleibt in derThermoskannelänger warm als in derDröpelmina, weil QK = 0 ist!

  6. Dewar-Gefäß doppelwandig ‘Dröppelmina’ Thermoskanne einwandig Die ‘Dröppelmina’ und die ‘Thermoskanne’ repräsentieren die beiden typischenAnwendung von niedrigemittierendenOberflächen (Schichten) beiwärmedämmendenProdukten.

  7. 2. Materialkunde WelcheMaterialiensind in Schichtform transparent und habenniedrigesEmissionsvermögen? R□ = r/d = 1/(s*d); s = e*m*N KorrelationzwischenR□ (el. Leitffähigkeit, Elektronendichte) und e. Die Theorieergibt: e = 0,0106* R□ (W) = 1 – rIR e (%) = 1,06*R□(W) = 100 – rIR (%)

  8. Warumsind Ag, Au und Cu und in dünnenSchichtennebenniedrigemittierendauch transparent? T/R-Spektrum von Ag-Schichten (analog Au- u. Cu-Schicht) (schematisch) W.-Strahlen (l ~ 10 mm) d ~ 11 nm; R□ ~ 2 W Plasmaresonanzkante • tIR= 0 • rIR= hoch • aIR = gering • t + r + a = 1 • e =aIR = 1 - rIR el. Leiter Schichtdicke d Refl. W.-Strahlen(rIR) Ag- (Au- und Cu)Schichten: tsichtbar = hoch; tIR ~ 0 rsichtbar = niedrig; rIR= hoch ≡ e = niedrig Ag-(Au- und Cu)SchichtensindfürSonnenstrahlenselektiv! Au und Cu habenAbsorptionen in sichtbarenBereich und sinddeshalbfarbig; Ag absorbiertnurim UV und istdeshalbfarneutral!

  9. Spektrenfür In2O3:Sn (ITO)-Schicht (analog SnO2:F-Schicht) Spektrenanalogwie Ag-(Au-,Cu-)- Schichten, jedoch Elektronendichteist um Faktor 100 geringer→ rIRniedriger (≡ e; R□höher). PhysikalischeDeutung: P. Drude, Marburg (1900)

  10. 3. ProduktemittransparentenniedrigemittierendenSchichten • - Lichtquellen • Gebäudeverglasungen • Kfz-Verglasungen • Solarkollektoren

  11. 3. Glasproduktemitniedrigemittierenden, transparentenSchichten Glasprodukt Na-Niederdrucklampe (Fa. Philips, Aachen), Anfang 1060er Jahre– - Anwendung des Thermoskannen-Effektes Lichtausbeute: 200 lm/W (heutenochWeltrekord); Nachteil: gelbesLicht Vergleich: Glühbirne ≤ 15 lm/W Leuchtstofflampe: ≤100 lm/W Prinzip: ‘Thermoskanne’ Wärmedämm-Isolierglas (Flachglas-Produkt) Vorschlägeder Fa. Philips in den 1960er Jahren Die Zeit war damalsnochnichtreiffürdieseProdukte! Prinzip: abgerollte ‘Thermoskanne’ Prinzip: ‘Thermoskanne’ 1. Energiesparhaus von Philips in Aachen Mitte 1970

  12. ProblemstellungderFlachglasindustrie war in den1960er Sonnenschutz Grund: Aufkommen des Glasfassadenbaustils (Bauhaus) mitderFolgehoheKlimatisierungskostenwegen des Treibhaus-Effektes (s. WintergärtenimSommer) EnergetischeAufwandfürKühlungist 3- bis 4-mal so hochwiefürHeizung! außen innen Luft Au-Schicht-SpektrumfürSonnenschutzscheibe; reflektierenderSonnenschutzfür d ~ 20 nm (Wärmedämmwirkunginteressiertedamalsnochnicht!) Aufbau Sonnenschutz-Isolierglas mitWärmedämmeffekt

  13. Pioniertat! Sonnenschutzscheibe auf Basis Au verglastim ‘Rheingold, Fa. Heraeus/DETAG Eineder 1. S.-Schutz-Verglasungen in der BRD, Kreisverwaltung GM; Gold 40/26 Lichtdurchlässigkeit (TL): 40% Gesamtsonnenenergiedurchlass (g): 26% Selektivitätskennzahl: TL/g

  14. ZDF-Verwaltung, Mainz; Auresin39/28, Fa. FLACHGLAS AG Basis: Goldschichtsystem Weltstadthaus, Köln; ipasol67/34, Fa. Interpane Basis: Silberschichtsystem

  15. BeginnderAnwendungderWärmedämmscheibenbeiWohnhaus-Verglasungen 1974 (1. Energiekrise) Ca. 30 % derHeizenergiegehtdurch die Fensterverloren; Fensterverglasungdrohte auf Bullaugen-Größezuschrumpfen! Damaliger Stand derTechnikbeiVerglasungen in Wohngebäuden Einfach-Verglasung Isolierscheibe ‘Thermopane’) Luft U = Wärmedurchgangskoeffizient (Wärmedämmmaßzahl) W/(m2K) Ug-Wert 5,8 W/(m2K) 3,0 W/(m2K) Vergleich: U-Werteiner Wand damals 0,6 - 0,8 W/(m2K)

  16. WiefunktioniertderWärmeverlustbeieinerIsolierscheibe und wiekannerreduziertwerden? Glasscheiben Glasscheiben Glasscheiben • Schicht • ~ 0,02 W.-Strahlung Anteil: 2/3 Zwischenraum 12 mm; Luftgefüllt W.-Strahlung Anteil: ~ 0 Zwischenraum 16 mm Argon gefüllt W.-Leitung u. Konvektion Anteil :1/3 W.-Leitung u. Konvektion Anteil: 1 Ug~3W/(m2K) Ug~1W/(m2K) • Optimierungsmöglichkeiten des U-Wertes: • einerOberflächereduzieren; Gasfüllung des ZR mit Argon; • Zwischenraumbreiteerhöhern!

  17. Was sind die Anforderungen an eineWärmedämmscheibe? • - NiedrigerUg-Wert des Isolierglases • HoheLichtdurchlässigkeit (TL) • HoheSonnenenergieduchlässigkeit (g) (≡großerS.-Kollektoreffekt!!) • Farbneuralität in Durch- und Außenansicht • preisgünstig Realisierung • 1. AusführungderWärmedämmschichten: • BisAnfangder 1990er dünneGoldschicht • dAu~ 15 nm • TL = 60%; g = 57%; Ug = 1,5 W/m2K • Problem: Farbigkeit außen innen e = 0,02-0,05 Argon 16 mm • Ab 1979 dünneSilberschichten • dAg ~ 11 nm • TL = 80%; g = 64%; Ug = 1,1 W/m2K • Problem: Solarisation AufbaueinesWärmedämmglases

  18. Typischer Aufbau einer Wärmedämmschicht auf der Basis eines Ag-Schichtsystems (seit Ende der 1970er Jahre (Fa. Interpane, Laurenförde)) Zwischen-schichten d = 2 – 3 nm ~40 Atomlagen • Gründe, warum sich die Ag-Schichten durchgesetzt haben: • kleinstmögliches e (~0,02)(Vergl. Gold-Schicht e ~ 0,05) • kleinstmögliche solare Absorption; höchstmögliche solare Transmission • Farbneutralität in Außenansicht und Durchsicht

  19. Prinzip des BeschichtungsverfahrensmitSputtern (Kathodenzerstäuben) Analogon: EffektderAlterungderLeuchtstoffröhre

  20. Schema der Beschichtungsanlagen (Basis Sputtern) biszu 150 m Scheibengröße: 3,20 m x 6,00 m Prod.-Kapazität: bis 10 Mio. m2/a Anlagenpreis: ~ 20 Mio € Schichtkosten: ~ 1 €/m2

  21. Entwicklung und MarktderWärmedämmscheiben bis 1974 zukünftiger Standard ab 1974, heute Standard Einfach- scheibe Dreifach-Wärmedämmscheibe ‘Thermopane’ Wärmedämmscheibe Luft Argon Argon Argon Ug(W/(m2K): 5,83,0 1,1 – 1,2 0,6 – 0,8 Uw(W/(m2K): 4.8 – 5,2 2,6 – 3,0 1,1 – 1,8 0,8 – 1,1 Produktion von W.-Dämmschichten (2013): BRD: ~45 Mio. m2/a; Europa: ~ 120 m2/a; weltweit: ?? Mio. m2/a Promotor in BRD: staatl. Wärmeschutzverodnungen (ENEVs)!

  22. Zukunftsvision: Energieneutrale Verglasung Verluste während der Nacht werden durch solare Energiegewinne bei Tag kompensiert (Anpassung an Null-Energiehaus) Anfoderung an die Verglasung: Ug ~ 0,4 W/(m2K) u. hohe solare Energietransmission 4-fach-W.-Dämmscheibe Kastenfenster Vakuum-Scheibe (VIG) • Niedrig emittierende Schichten (rot markiert) werden auch bei zukünftigen • Verglasungen fester Bestandteil sein. • Problem aller energieneutralen Verglasungen: • Außenbeschlag (blau markiert) kann bei Nacht schon bei bedecktem Himmel auftreten. • Die Vermeidung von Reifbeschlag wäre schon ein großer Fortschritt!

  23. WanntrittbeiGebäudeverglasungenAußenbeschlag auf? • nachts (keineSonneneinstrahlung) • sternklarerHimmel (tHi. = ta – 19 °C) • möglichstWindstille • Luftfeuchtehinreichendhoch • NiedrigerUg-Wert (hohe W.-Isolation) Worst-case- Witterungsbedingungen NatursuchtAusgleich bis: QHi. = QRaum Was sind die Potentiale? Raum Raum QHi. hochwegen e = 0,84 QHi. QRaum klein, weilUgkleinist! QRaum Glas Glas taußen taußen Absenkung tOberfläche tOberfläche WenntOberfl. ≤ taußenexistiert Beschlagrisiko! Reduktiondurchniedrigeseaußen!

  24. Beschlagverhinderung durch niedrig emittierenden Schichten auf der Außenoberfläche - Anwendung des ‚Dröppelmina-Effekts‘ Dachfensterverglasung b = 45°, Fa. Interpane E&B 2002/2003 Ug= 0,7 W/m2K Ug= 1,0 W/m2K KeineUnterscheidungzwischen Tau- und Reifbeschlag! e = 0,17, SnO2:F-Schicht e = 0,84, unbeschichtet Effekt funktioniert! Die Außenoberflächentemperaturwirddurchniedrigeseüber den Taupunktangehoben. Herausforderung : Witterungsbeständigkeit der Schichten!!

  25. Berechnung: Mit welchen e-Werten ist für welche Ug-Werte Reifbeschlagfreiheit (Oberflächentemperatur > 0 °C) zu erreichen? Für tiefere Innraumtemperaturen ti sind kleinere e notwendig sind. 2. Mit e können alle derzeitig vermarkteten Fensterverglasungen reifbeschlagfrei gehalten werden. 3. Für energieneutralen Verglasungen sind witterungsbeständige Schichten mit e ~ 0,1 bis 0,15 notwendig. Hier besteht Entwicklungsbedarf!

  26. Berechnung: Ug-Wertverbesserung mit niedrig emittierenden Schichten auf der Außenoberfläche DerEinfluss von e auf die Ug-Wert-VerbesserungnimmtmitfallendemUg-Wertab! RScheibe Grund: RScheibe-außen. RRaum-Scheibe außen Raum

  27. Herausforderung: witterungsbeständigeniedrigemittierendeSchichten Die ITO-Schichten (In2O3:Sn, dereinst von Fa. Philips entwickelt) werdenheutenahezuausschließlich in China hergestellt und fürnahezualleelektr. Anzeigeneingesetzt. DerzeitigeProduktionnurfür Displays ohne TV-Bildschirme: 30 Mio. m2/a Hoffnung: Graphen-Schichten (Novoselov u. Geim; Nobelpreis 2010)

  28. Zusammenfassung • MitHilfe von niedrigemittierendenSchichtenkonnte in den • letzten 40 JahrenderUg-Wert von Gebäudeverglasungen um • einenFaktor 10 von ~6 W/(m2K) (Einfachverglasung) auf 0,6 W/(m2K) • (Dreifach-Verglasung) gesenktwerden. (Vorbildfür E-Autos?!) • Die staatl. ENEVs warenmaßgeblicher Promoter dieserEntwicklung. • EingesetztwerdenheutebeiGebäudeverglasungenalsniedrigemittierende • Schichteweltweitausschließlich Ag-Schichten. • Zuerwartensind in ZukunftenergieneutraleVerglasungenmitUg-Werten • von ~ 0,4 W/(m2K) auch auf der Basis von Ag-Schichten. • Dem AußenbeschlagsrisikodieserVerglasungenkannmitniedrig • emittierendenSchichten auf derAußenoberflächeentgegengewirktwerden. • FüreinewitterungsbeständigeSchicht, die gleichzeitigkostengünstig und • effizientist, bestehtnochEntwicklungsbedarf .

  29. IchbedankemichfürIhreAufmerksamkeit!

  30. Reiffreie Windschutzscheiben Einfachdurch niedrig emittierenden Schichten auf der Außenoberfläche - interessant bei Laternengaragen im Winter Außenbeschlagtest unbeschichtet ITO-Schichtaußen Quelle: IST, BS CharakteristikaderKabine : NiedrigeW.-Kapazität u. Einfachverglasung Außenbeschlagkannauftreten, wenn die Kabineninnenraumtemperaturunter die Außentemperatursinkt.

  31. MitwelchemekannAußenbeschlagvermiedenbzw. reduziertwerden? Berechenbarerstrationärer Fall = EndpunktderAbkühlung Außenraum nachts Temperatur EndpunktderAbkühlung, wenntos so tief abgesenktist, dass QHi. = QK, dannfolgt QVerlust = 0, d. h. tos = ti. QHi.(b, tHi., tos, e) Verglasung Kfz-Kabine ta tos QK (ta., tos, a) QVerlust

  32. Simulationsergebnisse für maximale Kabinenabkühlung bei Nacht *Bei Beschlag auf der Scheibenaußenseite; to = Außenlufttemperatur Die Ergebnisse können durch gleichzeitige Messung der Kabinenlufttemperatur ti und der Außenlufttemperatur toüberprüft werden! Folgerungen:Niedrig emittierende Schichten - verringern das Außenbeschlagrisiko Höhere Fahrsicherheit bei Reifbeschlagbedingungen! - verringern die Kabinenauskühlung (Kühlschrank-Effekt) bei Nacht; geringerer Aufheizenergie morgens. Sinnvoll bei E-Autos!

  33. Anwendung von niedrigemittierendenSchichten auf derAußenoberfläche von Flachkollektoren c = 5 kJ/(K*m2) c = 5 kJ/(K*m2) Isolierglasaufbau Nachtfall (Qsol= 0) Niedrigeseverlangsamt die AbkühlungbeiNacht!

  34. DerEinfluss des thermischenEmissionsvermögens auf den solarenWirkungsgrad von Flachkollektoren (Tagfall; Qsol> 0 ) e = 0,2 e = 0,2 -Niedriges e erhöht den solaren Wirkungsgrad (≡ S.-Kollektoreffekt) - Sein Einfluss ist bei niedrigem Qsolhoch; mit wachsendem Qsolabnehmend. Vorteilhaft für Heizperiode! Ergebnissesind auf Gebäude-und Kfz-Verglasungenübertragbar!

  35. Zusammenfassung Anwendungdertransparenten, niedrigemittierendenSchichten Thermoskannen-Effekt ErheblicheErhöhungderWärmeisolation (Energieeinsparung) Einsatz: Na-Dampf-Niederdrucklampe u. Isoliergläsernfür den Hochbau Schichten: Basis TCO und Ag (weltweit) • Dröppelmina-Effekt • - Nachteffekte • Verringerung des Außenbeschlagrisikos • VerringerungderAbkühlgeschwindigkeit • Verringerung des Abkühlniveaus • D. h.: Kühlschrank-EffektderVerglasungwirdabgeschwächt! • Tageffekt • Erhöhung des solarenGewinnsbeiniedrigemQsol • D. h.: SelektiveErhöhung des S.-Kollektor-Effektes HeutigeAnwendung des Dröppelmina-Effektes BeiGebäude- und Kfz-Verglasungen in Erprobungsphase (ITO-Dilemma) BeiS.-Kollektorverglasung in Studienphase AngewandteSchichten: Ausschließlich TCOs

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