1 / 35

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.

ruth-solomon
Download Presentation

Gliederung meines Vortrags Physikalisache Grundlagen Materialkunde

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

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

More Related