Elektrochromes Glas

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Thematische Grundlagen
2.1 Begriffsabgrenzung
2.2 Forschungsstand

3 Werkstoff Glas
3.1 Die Geschichte des Glases
3.2 Definition
3.3 Glasstruktur

4 Floatglas
4.1 Der Herstellungsprozess von Floatglas

5 Elektrochromes Glas
5.1 Technik elektrochromer Gläser
5.2 Schichtsysteme
5.3 Elektrochrome Schicht
5.3.1 Aufbau und Funktionsweise
5.3.2 Physikalische Eigenschafen

6 Analytische Betrachtungsweise des Systems „elektrochromer Gläser“ nach Wolffgramm
6.1 Technische Analyse nach Wolffgramm
6.2 Symboldarstellung energieändernder Vorgänge
6.3 Struktur und Wirkprinzipien energieändernden Grundvorgänge
6.4 Vorgangsdarstellung „Elektrochromer Gläser“ nach Wolffgramm
6.4.1 Prozesscharakteristik
6.4.2 Symboldarstellung
6.4.3 Wirkfaktor Verarbeitungseigenschaften des Energieträgers
6.4.4 Wirkfaktor Energetische Wirkbedingungen

7 Zusammenfassung und Fazit

Literaturverzeichnis

Kurzzusammenfassung

In dieser Abschlussarbeit geht es um das Thema Glas. In der modernen Architektur ist der Baustoff Glas nicht mehr wegzudenken. Hatte die Verglasung bislang eher ein Schat- tendasein, entdecken Wissenschaftler und Unternehmen nun, welche Möglichkeiten im Werkstoff Glas stecken. Durch immer größere gläserne Gebäudefronten wird es schwer mit herkömmlichen Sonnenschutzmethoden wie Jalousien die Sonneneinstrahlung zu reduzieren. Die Arbeit befasst sich daher mit der neuen Technologie „elektrochromer Glä- ser“. Dabei wird zuerst einmal geklärt was überhaupt Glas ist. In einem geschichtlichen Überblick werden die wichtigsten Meilensteine der Glasherstellung genannt. Den Kern der Arbeit bildet der Teil zum elektrochromen Glas. Darin werden der Aufbau sowie die Funk- tionsweise beschrieben. Durch eine technische Analyse soll das System als Ganzes bes- ser verständlich werden.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Zusammensetzung von Kalk-Natron-Glas (Quelle: Nölle,19979

Abbildung: 2 SiO4-Tetreader (Quelle: Glas- Werkstoffkunde)

Abbildung 3:

Abbildung 4 Prinzip der Floatglasherstellung (Quelle: itke 27,2006)

Abbildung 5 Gaschrome Verglasung in verschiedenen Schaltstufen a) gebleicht b) teilweise eingefärbt c) stark eingefärbt (Quelle: Frauenhofer ISE / Interpane E&B mbH)

Abbildung 7 Aufbau einer elektrochromen Isolierglasscheibe (Quelle: Flabeg)

Abbildung 8 Aufbau der elektrochromen Schicht (Quelle: Flabeg)

Abbildung 9 Transmissionsspektrum eines EC-Glas (Quelle:Flabeg)

Abbildung 10 Symboldarstellung energetischer Prozesse (Quelle: Wollfgramm,2000)

Abbildung 11 E1 Sonnenenergie, E2 Wärmeenergie + Licht

Abbildung 12 E1 elektrische Energie , E2 Chemische Energie, e Erregerstrom von 3V

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Qualitativer Vergleich der verschiedenen Schichten und Schaltung (Quelle: itke 27)

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Das innovative Potential des Glases wurde schon zur Zeit des Kaiser Tiberius argwöh- nisch beäugt. So heißt es in einer alten Überlieferung, dass ein Handwerker im antiken Rom ein Glas erfand, welches unzerbrechlich ist. Als er nun dieses dem Kaiser Tiberius in Form einer Vase schenken wollte, fiel sie ihm ausversehen aus der Hand. Sie zersprang dabei nicht, sondern blieb heil. Doch Tiberius argwöhnte, seine kostbaren Vorräte an Gold und Silber würden durch das unverwüstliche Material an Wert verlieren, und ließ den Er- finder kurzerhand töten (Petronius Arbiter Satyricon Buch 1 Kapitel LI 51).

Ob man dieser Geschichte Glauben schenken kann ist auch unter Historikern umstritten. Der Werkstoff Glas führte eher ein Schattendasein. Doch seit einigen Jahren wächst das Potenzial des Glases an. Das deutsche Unternehmen EControl ersetzte die 620 Einzel- scheiben des Bundespräsidialamts mit selbst verdunkelnden elektrochromen Fenster- scheiben nach dem über Jahre hin der Zustand im Gebäude eher einem Treibhaus glich. Glas wird mehr und mehr zu einem hochtechnisierten Baustoff, der aus unserem tägli- chen Leben nicht mehr fortzudenken ist. Gerade im Bauwesen der letzten Jahrzehnte spielt Glas eine immer größere Rolle. Die Einsatzbereiche des Glases sind dabei von ver- schiedenster Form, sei es aus konstruktiver, funktioneller oder architektonischer. Der Werkstoff Glas hat einen festen Platz durch seine Eigenschaften in der modernen Archi- tektur. Gerade die vielfältigen Möglichkeiten, die im Folgenden benannt werden, sind da- bei ausschlaggebend für diesen ständig wachsenden Anspruch.

Dazu gehört die Lichtdurchlässigkeit, Farbgebung, Gestaltung, technisch zielgerichteten Funktionen und Effekte, Zweckmäßigkeit und den zuletzt nicht außer Acht zulassende Faktor der Wirtschaftlichkeit (vgl. Petzold, 1990, S.170ff). Die modernen Fertigungstech- niken und Materialien lassen mittlerweile Konstruktionen zu, die noch vor Jahren eher undenkbar und als nicht umsetzbar galten. Glas bietet gerade im Gebäudebau eine Viel- zahl von Einsatzmöglichkeiten, sei es durch Wärmeschutz, Einbruchschutz, Sicherheit oder dem Schall- und Sonnenschutz. Gerade diese sind ausschlaggebend für den Wohn- komfort und das Wohlbefinden des Hausbewohners. Durch seine Transparenz und Licht- durchlässigkeit ist Glas als Baustoff im modernen Städtebau nicht mehr wegzudenken.

Diese Abschlussarbeit soll dazu dienen, mehr über den Werkstoff Glas zu erfahren, seine technische Innovation näher zu beleuchten und die Einsatzbereiche technisch zu analysieren. Dabei wird der Fokus verstärkt auf das elektrochrome Glas im Einsatz für Sonnenund Wärmeschutz gesetzt. Innerhalb der Arbeit soll folgende zentrale Fragestellung geklärt werden: „Welchen Einfluss hat elektrochromes Glas im Gebäudebau?“ „Welches technische Potenzial ergibt sich daraus?“ Da die spezielle Funktionsweise meist ein Betriebsgeheimnis der Firmen ist, werde ich versuchen das System „elekrochromer Gläser“ auf Grundlage der allgemeinen Techniklehre von H. Wolffgramm technisch zu analysieren. Die Bearbeitung erfolgt im Rahmen einer Literaturrecherche. Dabei werden zum besseren Verständnis zunächst Schlüsselbegriffe wie Glas, Baustoff und Werkstoff definiert. Im Anschluss daran wird der Forschungsstand beschrieben. Da die Entwicklung des Glases eine sehr große Zeitspanne einnimmt, werden die wichtigsten innovativen Meilensteine der Glasherstellung erläutert und beschrieben. Der Hauptteil der Arbeit um- fasst die Entwicklung des elektrochromen Glas, seinen Aufbau und die Funktion, sowie die Wirkgrößen und den momentanen Verwendungsstand. Der bauliche Aspekt hat in der gesamten Arbeit eine untergeordnete Rolle, da das Hauptaugenmerk verstärkt auf dem EC-Glas liegt. Nach Bearbeitung der Fragestellung sollte die Arbeit unter Berücksichti- gung der technischen Möglichkeiten zeigen, inwieweit der Werkstoff Glas und speziell das EC-Glas Einfluss auf den Gebäudebau nimmt.

2 Thematische Grundlagen

In dem sich anschließenden Kapiteln werden die zentralen Begriffe der eingangs formulierten Fragestellung, mit denen im Weiteren gearbeitet werden soll, konkretisiert. Dabei geht es vor allem um die Begriffe Werkstoff und Glas. Anschließend wird der Forschungsstand zum Glas bzw. dem Bauwesen beschrieben.

2.1 Begriffsabgrenzung

Der Begriff Werkstoff ist wie folgt definiert: „Festkörper, der aus Rohstoffen entweder durch einen physikalische Aufbereitung oder durch chemische Stoffwandlung gewonnen wird. Er dient einerseits als Ausgangsstoff zur Herstellung von Werkstücken, Bauteilen und Fertigerzeugnissen. Andererseits kann er gleichzeitig bei der Produktion des Fertig- erzeugnisses synthetisiert werden“ (Petzold, Marusch, Schramm, 1990, S.12). Werkstoffe sind allgemeiner formuliert feste Stoffe, die zur Weiterverarbeitung und Herstellung von Maschinen, Werkzeug und Geräten verwendet werden. Sie unterscheiden sich dabei in ihrer Stofflichen Zusammensetzung z.B. einer hohen Festigkeit des Stahls, geringes Ge- wicht des Aluminiums oder einer guten Leitfähigkeit des Kupfers. Die Werkstoffe werden mittels technischer Verfahren wie Umformen, Gießen, Zerspanen in die gewünschte Form gebracht. Die Grundlage bilden dabei in der Natur vorkommende Rohstoffe z.B. Eisener- ze, Mangan, Molybdän- und Wolframerze. Im weiteren Verlauf werden die Begrifflichkeit des Glases kurz erläutern und genauer definiert.

Das Wort Glas hat mehrere Bedeutungen. Als Glas oder glasig, bezeichnet man einen bestimmten Stoffzustand. Dieser Zustand weicht allerdings wesentlich von bekannten Zuständen fester Körper z.B. Kochsalz, Zucker aber auch Metall ab. Diese Stoffe sind kristallin und bilden ebene Flächen wie Würfel oder Kristalle. Werden diese gebrochen bilden sie immer neue ebene Flächen. Das Glas hingegen unterscheidet sich ganz cha- rakteristisch von Kristallen. Sie weisen weder eine geordnete noch eine regelmäßige Struktur auf. Bei physikalischen Einflüssen, wie bei einem etwa Bruch bilden sich willkürli- che Flächen aus, die oft muschelartiges Aussehen haben. Es gibt aber auch Eigenschaf- ten die, wie Härte oder Formbeständigkeit die beide Stoffgruppen aufweisen. Durch die Thematik der Arbeit ist ebenso die Begrifflichkeit des Baustoffes zu werten. Diese ist wie folgt definiert: „Werkstoff, der im Bauwesen eigesetzt wird bzw. aus Erzeugnissen für das Bauwesen hergestellt werden.“ Das Baustoff-Glas ist dabei Oberbegriff für die Erzeug- nisse, die aus Glas für das Bauwesen verwendet werden. Andere Synonyme für Baustoff- Glas sind Bauglas oder Glasbaustoff.

2.2 Forschungsstand

Glas ist in unserer heutigen Zeit ein sehr beliebter Baustoff. Gerade durch seine Vielsei- tigkeit ist es aus der Architektur kaum mehr wegzudenken. Glas gibt dem Gebäude von außen und innen einen bestimmten Charakter. Dabei ist es lichtdurchflutend und belebt den Raum mit Tageslicht. Gleichzeitig schafft es nötige Transparenz nach Außen und verleiht dem Inneren die gewisse Ästhetik. Glas hat dabei auch einen erheblichen Einfluss auf die energetischen Eigenschaften des Gebäudes. Da die Fenster im äußeren Teil des Gebäudes liegen, sind sie im Winter wichtig für die innere Wärmespeicherung und sollten dabei wenig bis keine Heizenergie an die äußere Umgebung abstrahlen. Im Sommer da- gegen sollen sie die Wärme, die durch die Sonneneinstrahlung entsteht, nicht in das Rauminnere lassen. Der sommerliche Wärmeschutz erlaubt eine passive Solarenergie- nutzung. Bei einer guten Planung durch Tageslichtnutzung kann man die künstliche Be- leuchtung minimieren.

Glas ist ein sehr guter Wärmeleiter. Im Vergleich zum Glas hat eine gedämmte Wand einen u-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient) von 0,2…0,3 W/(m²K). Die besten in der Ar- chitektur eingesetzten Gläser kommen auf einen u-Wert von 0,6 W/(m²K). Durch diese Vorteile kann man die eindringende Wärmestrahlung im Winter nutzen, um das Gebäude passiv zu wärmen. Doch diese Eigenschaft der hohen Wärmedurchlässigkeit ist im Som- mer dagegen sehr ungeeignet. Oft kommt es dann zu einer Überhitzung des Gebäudes. Man hat sprichwörtlich das Gefühl in einem „Gewächshaus“ zu sitzen. Dieser Treibhaus- effekt tritt dadurch auf, da die kurzwellige Strahlung der Sonne relativ leicht durch das Fenster dringt. Nach der Reflexion der Strahlung an Wänden, Möbeln und anderen Ober- flächen, wird diese langwellig. Da aber die langwellige Strahlung nicht mehr so leicht durch die Scheibe gelangt, wie kurzwellige, heizt sich der Raum sehr schnell auf.

Zwar wird der Einsatz von Tageslichtbeleuchtung im Büro vom Personal als angenehmer empfunden als Kunstlicht, vor allem in Hinblick auf die größere Transparenz nach außen. Doch bringt dieser Einsatz auch einen großen Nachteil mit sich. Da das Tageslicht ab- hängig von zahlreichen Faktoren wie von der Jahreszeit, Tageszeit und dem Wetter ist, sind die Lichtstärken immer unterschiedlich. Technisch ist es aufwändig, unter dem Ein- fluss von Tageslicht, immer die geeignete Beleuchtungssituation herzustellen (vgl. Jako- biak, 2000, S.67). Beim Kunstlicht kann man die Lichtverhältnisse durch Zu- und Weg- schalten einzelner Leuchten die Lichtstärke regulieren. Bei Fenstern dagegen muss beim Tageslichteinfall die Stärke durch Blendschutz- und/oder Lichtlenkeinrichtungen realisiert werde. Durch die Berücksichtigung von lichttechnischen Vorschriften der DIN5034, in der es heißt: „Eine Wohnung gilt als ausreichend besonnt, wenn in ihr mindestens ein Wohn- raum ausreichend besonnt wird. Ein Raum gilt als besonnt, wenn Sonnenstrahlen bei ei- ner Sonnenhöhe von mindestens 6 Grad in den Raum einfallen können. [….] Ein Wohn- raum gilt als ausreichend besonnt, wenn seine Besonnungsdauer am 17. Januar mindes- tens 1 h beträgt.“(DIN5034-1:1999-10, Tageslicht im Innenraum), kann man auf den Ein- satz von Kunstlicht nicht komplett verzichten. Durch den Einsatz des Baustoffes Glas be- darf es einiger Kompromisse zwischen den verschiedenen Zielstellungen Tageslichtnut- zung, Wärme- und Kälteschutz, angemessen Baukosten sowie dem architektonischen Anspruch. Um die Sommerproblematik der solaren Einstrahlung ins Gebäudeinnere zu minimieren setzte man bisher nur auf mechanische Elemente wie Jalousien, Fensterläden oder Markisen. Erst seit ein paar Jahren forscht man an dem Einsatz von elektrochromen Gläsern. Diese haben nun ihre Marktreife erreicht und finden schon zahlreich Verwen- dung im Gebäudebau.

Nachdem kurz auf die Begrifflichkeiten sowie den Forschungsstand eingegangen wurde, geht es nun genauer und vertiefend um den Begriff Glas. Um einen besseren Einblick zu erhalten, wird zunächst ein geschichtlicher Einblick über die wichtigsten Meilensteine der Glasentwicklung gegeben. Danach erfolgt eine genaue Definition des Glas-Begriffes, um dann die Strukturzusammensetzung auf der Grundlage zweier bestehender Theorien zu erläutern.

3 Werkstoff Glas

3.1 Die Geschichte des Glases

Glas, wie wir es im Alltag kennen, ist keine Erfindung der Menschen, sondern eine Kopie der Natur. Naturglas entsteht zum Beispiel bei Blitzeinschlag in sandigen Untergrund. Man spricht dann von Fulguriten. Eine andere Form entsteht durch Vulkanausbrüche. Die Gesteinsmassen schmelzen durch die hohen Temperaturen der Lava zu sogenannten Obsidian. Sogar auf dem Mond fanden Astronauten Naturglas. Wissenschaftler nehmen an, dass Meteoriteneinschläge die Mineralien zu Mondglasperlen schmelzen.

Wann das erste Glas von Menschenhand entstand kann nur vermutet werden. Doch man nimmt an, dass vor etwa 7000 v.Ch. Jahren die Ägypter zufällig bei der Herstellung von Tongefäßen auf Glasstücke stießen (vgl. Staib, 2006, S.10). Dabei wurde der Sand durch das Feuer flüssig und erkaltete zu Glas. Das älteste überlieferte Glasrezept ist mit der Tontafelbibliothek des assyrischen Königs Assurbanipal (669-627 v.Ch.) in Ninive überliefert (vgl. ebd., S.10). Darin heißt es:

"Nimm 60 Teile Sand, 180 Teile Asche aus Meerespflanzen, 5 Teile Kreide - und du erhältst Glas." (vgl. ebd, S.10.)

Dieses Rezept gilt heute als Urzusammensetzung von Glas. Die Ägypter fertigten um 3000 v. Ch. Kunst- und Gebrauchsgegenstände mit Hilfe der Sandkerntechnik an. Dabei wurde ein tonhaltiger Sandkern in eine auf 900 °C erhitzte Schmelzmasse getaucht. Durch die ständige Drehbewegung des Kerns haftete die Glasmasse an der Form. Nach dem Abkühlen des Kerns blieb nur das gewünschte Gefäß übrig. Mit Erfindung der Glas- macherpfeife um 200 v.Ch. durch die syrischen Handwerker, war es nun möglich flüssige Glasklumpen in dünnwandige Hohlgefäße in eine große Formvielfalt zu bringen. Diese Form der Glasherstellung bildet die Vorstufe der Flachglasherstellung.

Mit der Römerzeit wurde das Glas als Raumabschluss eingesetzt. Funde in Villen von Pompeji, Herculaneum und Thermen bestätigen dies. Die Herstellung erfolgte dabei nach der Guss- und Strecktechnik. Das Glas wurde dabei im flüssigen Zustand in Bronze oder Holzrahmen eingelassen und mit Nägeln fixiert. Sie hatten für damalige Verhältnisse mit 30 x 50 cm Höhe und 3 bis 6 cm dicke, eine beachtliche Größe. Durch die voranschreitenden Eroberungszüge nördlich der Alpen wurde Flachglas für die Römer ein wichtiger Baustoff zum Schutz gegen die mitteleuropäische Kälte.

Im Zuge des Hochmittelalters wurde Glas mehr und mehr als Baustoff für Kirchen und Klöster eingesetzt. Große Glashütten hatten ihren Standort meist in waldreichen Regio- nen, direkt an Flussläufen. Da für die Glasherstellung sehr viel Energie und Asche benö- tigt wurde, mussten sehr viele Bäume gefällt werden. Das Wasser aus den Flüssen diente als Kühlung für die Schmelze und als Transportmittel für den Sand. War ein Gebiet kahl- geschlagen, zogen die Glasmacher weiter. Da man durch den hohen energetischen Auf- wand riesige Waldgebiete rodete, wurde die Glasherstellung vielerorts verboten. Erst mit dem Einsatz von Kohle statt Holz Anfang des 18. Jahrhunderts wurde die Glasherstellung wieder erlaubt. Dies hatte aber auch ein Ende der Waldglashütten zur Folge. Bis in die frühen Anfänge des 20. Jahrhundert bildete das Zylinderstreck- und Mondgas- verfahren in Mitteleuropa die Grundlage der Glasherstellung. Beim Zylinderstreckverfah- ren wurden die Glaskugeln durch Blasen, Schwenken und Wälzen auf einer Platte zu ei- nem möglichst langen, dünnwandigen Zylinder geformt. Unter Zuhilfenahme eines nassen Eisenstifts klappte der Arbeiter die beiden Enden des gekühlten, spannungsfreien Zylin- ders und schnitt ihn der Länge nach auf. Im Streckofen wurde das Glaswerkstück erneut erwärmt und mit geeigneten Werkzeugen zu flachen Tafeln gebogen. Die Größe des Zy- linders war dabei durch die Lungenkraft des Arbeiters begrenzt. Die damalige maximale Zylinderlänge lag bei 2 m und wies einen Durchmesser von 30 cm auf. Beim Mondglasverfahren wird der Glaskörper auf die Kopfplatte eines Eisenstabs geklebt. Dabei wird die Glaspfeife abgesprengt und die entstehende Öffnung mit einem heißen Metallstab zu einer Wulst vergrößert. Durch schleudern wird der kelchartige Glaskörper zu einer Scheibe geformt. Der Glasmacher schneidet das nun entstandene Mondglas in klei- ne Scheiben. Die Formgebung ist dabei je nach Qualität z.B. in Rauten-, Recht- oder Sechseckenform. Das dickste Stück, die sogenannte Butze, stellt das Endprodukt des Verfahrens dar. Das Mondglasverfahren ermöglicht es im Gegensatz zum Zylindersteck- verfahren ebenere, reinere und glänzendere Oberflächen herzustellen. Das Glas hatte diese raue Oberfläche nicht, da es den heißen Ofenboden nicht berührt. Gerade die Glasmacher in Venedig galten als Vorreiter der Glaskunst. Sie schafften es, durch Beigabe von Asche einer bestimmten Strandpflanze, sowie Mangan und Arsenik als Färbemittel, ein Farbstich freies und nahezu bleifreies Glas herzustellen. Durch das Be- streichen der Glasplatten mit Zinn und Quecksilber entstanden die ersten Spiegel. Im 17. Jahrhundert stieg die Nachfrage nach Glas enorm, da man jetzt auch im Städte- und Häuserbau den Werkstoff Glas entdeckte und einsetzte. Die damalige Monopolstel- lung Venedigs, trieb die Glashütten im Norden an, neue Verfahrenstechniken zu entwi- ckeln. Dem Franzosen Bernard Perrot gelang im Jahre 1687 mit der Erfindung des Guss- glasverfahrens der entscheidende Schritt. Bei diesem Verfahren wurde die Schmelze auf eine vorgewärmte Kupferplatte gegossen und durch wassergekühlte Metallwalzen zu ei- ner Tafel ausgewalzt. Die deutlich ebeneren Glasplatten wurden mittels Sand und Wasser abgeschliffen und anschließend mit einer Eisenoxidpaste poliert. Das Verfahren wurde zwar deutlich beschleunigt, die Herstellung blieb dennoch teuer.

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