Holen Sie sich das Licht und bewahren Sie die Wärme

Datum: 14. Juni 2023

Autoren: Michal Ganobjak, Wim J. Malfait, Janis Just, Marcel Käppeli, Francisco Mancebo, Samuel Brunner und Jannis Wernery

Quelle: Journal of Building Engineering, Band 64, 2023, 105600, ISSN 2352-7102 | https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.105600.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352710222016060)

Silica-Aerogele sind thermische Superisolationsmaterialien, die in den letzten zehn bis fünfzehn Jahren zunehmend Anwendung im Bausektor gefunden haben. Während die gebräuchlichsten Materialtypen undurchsichtige Isolierdecken und Putze sind, kann Silica-Aerogel in seiner monolithischen Form nahezu transparent sein, was ein durchscheinendes, isolierendes Verbundbausystem ermöglicht.

Hier haben wir ein neuartiges modulares, transluzentes und wärmedämmendes Bauelement auf Basis von Silica-Aerogel-Granulat entwickelt und charakterisiert, den Aerogel-Glasbaustein. Es wurden sowohl thermische als auch mechanische Eigenschaften getestet und erstere mit einer 3D-Simulation der Wärmeübertragung durch den Ziegel verglichen. Der Glasbaustein hat eine gemessene Wärmeleitfähigkeit von 53 mW/(m·K), was gut den Simulationsergebnissen von 51 mW/(m·K) entspricht, und eine Druckfestigkeit von knapp 45 MPa. Dies macht den Glasbaustein zum Isolierstein mit der höchsten in der Literatur genannten oder auf dem Markt erhältlichen Dämmleistung und bietet gleichzeitig die Eigenschaft der Lichtdurchlässigkeit.

Der Aerogel-Glasbaustein eignet sich, wenn die Anforderungen Tageslicht, Blendschutz und Schutz der Privatsphäre vereinen, z. B. Büros, Bibliotheken, Museen; Eine Analyse der Materialkosten zeigt, dass der Isolierglasbaustein in solchen Anwendungen konkurrenzfähig sein kann. Der Glasbaustein bietet der Architektur neue Gestaltungsmöglichkeiten, um das Tageslicht in Gebäuden zu erhöhen.

Gebäudehüllen bestehender Gebäude stellen eine große Chance dar, die Energieeffizienz und den thermischen Komfort unserer Städte und Landschaften zu verbessern. Abgesehen von Verbesserungen in der Gebäudetechnik wird der Energiebedarf der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik typischerweise durch eine Erhöhung der Dicke der Dämmschicht gesenkt. Bei den transparenten Fassadenelementen funktioniert diese Lösung jedoch nicht, vielmehr erhöhen dicke Dämmschichten die Verschattung im Fensterbereich. Daher wäre ein neues Hüllenkonstruktionssystem, das den Beleuchtungs- und HVAC-Energiebedarf gleichzeitig reduzieren kann, eine äußerst attraktive Lösung. Hier stellen wir einen Aerogel-Glasbaustein vor, der trotz seiner geringen Dicke eine hohe Wärmedämmleistung aufweist und gleichzeitig den Solargewinn erhöht, den Einsatz von künstlichem Licht reduziert und den Sehkomfort verbessert.

Steigende Anforderungen an das Wohlbefinden, das Mikroklima im Innenbereich und die Energieeffizienz von Gebäuden bringen ein neues Dilemma für bestehende Gebäude mit sich. Gebäude verbrauchen weltweit etwa 40 % der Energie [1], S. 174] und 20–60 % des gesamten Energieverbrauchs von Gebäuden werden durch die Gestaltung der Gebäudehülle beeinflusst [2], S. 20]. Prognosen zufolge „werden im Jahr 2050 noch mehr als 50 % des aktuellen weltweiten Gebäudebestands stehen, und in den OECD-Mitgliedsländern liegt dieser Wert eher bei 75 % oder mehr“ [2, S. 21].

Rund 55 % der Menschen leben in Städten und diese Zahl wird in Zukunft noch steigen [3]. Städte bringen mehr Möglichkeiten und einen höheren Lebensstandard mit sich – z. B. weniger Handarbeit, abstrakte Facharbeit, Beschäftigungsmöglichkeiten, höhere Gehälter, Freizeitaktivitäten, einfacherer Zugang zu Waren und Dienstleistungen usw. Diese hohe Bevölkerungsdichte ist mit negativen Auswirkungen von Lärm verbunden , schlechte Luftqualität, Wärmeinseleffekt, weniger Zugang zur Natur und weniger Zugang zu Tageslicht. In Ländern mit hohem Einkommen wird der Anteil der Stadtbevölkerung im Jahr 2050 bei 70–88 % liegen [3]. Gleichzeitig ist bekannt, dass Menschen mehr als 90 % ihrer Zeit in Innenräumen verbringen [4], S. 2]. Mit der Verlagerung von ländlichen Gebieten in die Städte, der Urbanisierung und der Veränderung der Art der Arbeit nimmt die in Innenräumen verbrachte Zeit zu. Natürliches Tageslicht beeinflusst unseren Tagesrhythmus, die Ausschüttung von Hormonen, den Schlaf-Wach-Rhythmus, die Stimmung und unsere kognitiven Aktivitäten [5,6]. Die Distanz zur Natur aufgrund des Lebensstils in Innenräumen sowie künstlichem Tageslicht und allgegenwärtigem Bildschirmlicht kann sich negativ auf das menschliche Wohlbefinden auswirken [7,8]. Wir vermuten, dass transluzente Fassaden eine gute Möglichkeit sein könnten, diesen Mangel an natürlichem Tageslicht auszugleichen und den Menschen dem natürlichen Tageslicht näher zu bringen, ohne ihn aus dem Innenraum zu vertreiben. Dies würde durch die Verwendung lichtdurchlässiger Wände anstelle undurchsichtiger Wände bereits in der Gebäudeentwurfsphase erreicht. Obwohl die Hauptempfehlung darin besteht, mehr aktive Zeit im Freien [9] an frischer Luft und Licht zu verbringen [10], können transluzente Fassaden natürliches Tageslicht in Innenräume bringen und so Menschen ihrem natürlichen Biorhythmus näher bringen.

Umfassungswände und Gebäudehüllen sind meist undurchsichtig und erreichen häufig die tragende Funktion und eine wirksame Wärmedämmung (niedriger U-Wert) durch die Kombination von Struktur- und Dämmschichten wie bei Wärmedämmverbundsystemen (WDVS) oder Putzen [11]. Es wird eine gute Wärmedämmung erreicht durch Erhöhung der Dämmstärke und damit der Dicke der Umfassungswand. Transparente bzw. transluzente Fenster und Füllungen von Öffnungen für den Tageslichteinfall sind zwar dünner, dämmen dadurch aber bei relativ hohen U-Werten nicht so gut wie andere Wandsysteme. Freitragende Fassadenwandsysteme mit Tageslichteigenschaften werden seit vielen Jahrzehnten eingesetzt [12]. Transparente und transluzente Glasbausteine ​​(Luxfers) können tolle Möglichkeiten für die Tageslichtbeleuchtung und die funktionale Gestaltung der Fassade bieten.

Dank des Rahmens und der aus Stahlbeton gegossenen Struktur können Glasbausteinwände ihre eigene Last tragen. Glasbausteine ​​werden typischerweise durch die Verbindung zweier Glasschalen hergestellt. Sie sind mit niedrigem Innendruck oder mit einer Mitteltrennwand zur Verbesserung des U-Wertes erhältlich. Bei dieser Lösung stellt die Glasfuge senkrecht zur Wand eine große Wärmebrücke dar. Das Design von Glasbausteinen wurde im Hinblick auf die thermischen Eigenschaften über Jahrzehnte hinweg nicht ausreichend verbessert, obwohl einige theoretische Verbesserungen vorgeschlagen wurden [13]. Theoretische Lösungen zur Begrenzung der Wärmebrücken in dieser Verbindung wurden vorgestellt [14,15], einschließlich mit Aerogel gefüllter Kunststoffverbinder [16], aber praktische Lösungen sind noch nicht verfügbar. Während diese Glasbausteine ​​mit 80 mm Dicke relativ dünn sind, schränkt ihr hoher U-Wert den Einsatz in Zeiten der Energieeffizienz stark ein.

Als Alternative zu Glasbausteinen können transluzente Paneele große Flächen mit dünnen Fassadenlösungen bedecken. Diese Platten sind nicht tragend, erfordern einen Rahmen und haben mittlere U-Werte. Es ist möglich, die thermischen Eigenschaften transluzenter Platten und Elemente mit transparenten Isolierungen wie Niederdruckluft, Vakuum, Wabenstrukturen oder Silica-Aerogelen zu verbessern. Silica-Aerogel-Granulat bietet sehr niedrige Wärmeleitfähigkeiten zur Platzersparnis in dicht besiedelten Stadtgebieten [17], Dampfdiffusionsoffenheit, Superhydrophobie und kann je nach Lieferant und Produktionsmethode sehr gute optische Eigenschaften erzielen [18] und die Autoren haben ihren Einsatz bereits untersucht in den durchsichtigen Umschlägen [[19], [20], [21]]. Diese Kombination bietet interessante Möglichkeiten für die Sanierung von Gebäuden mit Glasflächen oder auch für Neubauten. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde Silica-Aerogel in Gebäuden eingesetzt (Abb. 1) [22]. Im Jahr 2001 wurden von Aspen Aerogel undurchsichtige Aerogeldecken auf den Markt gebracht. Der Markt für Industrieisolierungen verzeichnete ein schnelles Wachstum, gefolgt von Anwendungsentwicklungen für den Bausektor. Granulatförmige Aerogellösungen waren eine der ersten überhaupt, die in Gebäuden zum Einsatz kamen.

Im Jahr 2003 führte die Cabot Corporation – Hersteller von Silica-Aerogel-Granulat – Granulat mit sehr hoher optischer Klarheit ein. Noch im selben Jahr wurden sie bereits in Zürich, in der Turnhalle „Buchwiesen“, in Form von Aerogel-transluzenten Polycarbonat-(Glasfaser-)Platten eingesetzt [23]. Das amerikanische Unternehmen Kalwall brachte seine wärmeisolierenden Polycarbonatplatten ebenfalls im Jahr 2003 in Europa auf den Markt [[24], [25], [26]]. Pilkington Glass bietet seit 2004 isolierende U-Profil-Glasprofillösungen mit in Polycarbonat eingearbeiteten Aerogelplatten an. Birdair verkauft isolierte lichtdurchlässige Membranen für Zugarchitekturen mit einer Aerogelplatte mit einem visuellen Durchlässigkeitsbereich von 2,2 bis 4,3 % [27]. Im Jahr 2021 hat das Unternehmen Kalwall bereits mehr als 600 Anwendungen mit durchscheinenden, mit Aerogel gefüllten Paneelen [24] und in den letzten Jahren wurden viele kundenspezifische Designs eingeführt. Im Jahr 2019 zeigte das öffentliche Demonstratorgebäude Nest an der Empa ein neues Beispiel einer transluzenten Fassade mit Aerogel [28] (Abb. 1).

Trotz der Fortschritte bei aerogelgefüllten Paneelen [[42], [43], [44]] und anderen Hochleistungslösungen gibt es kein Bauelement auf dem Markt, das gleichzeitig tragende Funktionen, thermische Effizienz und transluzente Eigenschaften bietet. In diesem Artikel schließen wir diese Lücke, indem wir den Prototyp eines durchscheinenden Glasbausteins vorstellen, der mit Silica-Aerogel gefüllt ist (Abb. 2). Der römische Architekt Vitruv schlug vor, dass ein Gebäude und sein Material Haltbarkeit, Funktion und Schönheit haben sollten [45]. Alle drei dieser Eigenschaften erhöhen die Widerstandsfähigkeit des Materials, verlängern seine Lebenserwartung und können als Aspekte der Nachhaltigkeit angesehen werden.

Ziel dieser Studie war es, ein neues Element für isolierende und lichtdurchlässige Gebäudehüllenwände zu entwerfen und zu charakterisieren, das den drei vitruvianischen Qualitäten entspricht und gleichzeitig eine neue Kombination aus verbesserter Energieeffizienz, mehr Tageslicht im Gebäude und Raumeffizienz bietet . Zu diesem Zweck haben wir einen transluzenten und isolierenden Glasbaustein entwickelt, den wir durch Messungen und Simulationen hinsichtlich seiner thermischen und mechanischen Eigenschaften bewertet haben und dabei eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit von 53 mW/(m·K) erreicht haben – die niedrigste jemals gemeldete Isolierziegel – und gute mechanische Eigenschaften. Der mit durchscheinendem Silica-Aerogel gefüllte Glasbaustein kann ein neues strukturelles Fassadenelement für Außenwände mit hoher Wärmeleistung und einer ästhetischen und langlebigen Oberfläche für Tageslichtmöglichkeiten und großflächige Anwendungen bieten (Abb. 3).

2.1. Materialien

Der Glasbaustein wurde aus normalem Floatglas, Epoxidharz und Aerogelgranulat hergestellt. Die Glasscheiben im Ziegel wurden mit Epoxidharz-Abstandshaltern aus dem transparenten Epoxidharz Esprit Composite Epoxid-Kristallharz EC 141 mit niedriger Viskosität und hoher Klarheit verbunden. Die Hohlräume der erstellten Ziegelstruktur wurden mit geklopftem Aerogelgranulat (Lumira LA1000 von Cabot) mit einer hohen optischen Klarheit von >90 % sichtbarer Lichtdurchlässigkeit (VLT) pro cm gefüllt [29]. Die Wärmeleitfähigkeitswerte der verwendeten Materialien waren wie folgt: Floatglas: 1000 mW/(m·K) gemäß Angaben des Glaslieferanten; Epoxidharz: 226,5 mW/(m·K), gemessen auf einem kleinen, geschützten Heizplattengerät; Aerogel-Granulat: 18,6 mW/(m·K), gemessen an einem großen, geschützten Heizgerät (Bereich abhängig von der vom Hersteller angegebenen Dichte: 18–23 mW/(m·K) [29]).

2.2. Ziegeldesign und Montage

Es wurden mehrere Ziegeldesigns mit unterschiedlichen Formen, Materialien und Details angefertigt. Die Glasscheiben wurden mit Abstandshaltern aus Epoxidharz verbunden. Verschiedene Abstandshalterformen und Glasscheibenabstände wurden hinsichtlich des Wärmeflusses durch den gesamten Ziegel mithilfe zweidimensionaler thermischer Simulationen in der Open-Source-Software Therm 7.6 (Programm entwickelt von Berkeley Lab) [47] charakterisiert und die zuvor gemessenen Wärmeleitfähigkeitswerte aufgeführt über. Die Verwendung von Therm ermöglichte ein schnelles Screening vieler zweidimensionaler Designs. Mehrere entworfene interne Abstandshalter wurden auf Wärmeübertragung getestet und bewertet. Die Randbedingungen wurden nach den Schweizer Standards zur U-Wert-Berechnung [48] gewählt, mit einer Außentemperatur von −8 °C und einer Innentemperatur von 20 °C, was einer Temperaturdifferenz von 28 K entspricht. Aus den bewerteten Entwürfen wurden die Als interner Abstandshalter wurde eines mit der besten Kombination aus Herstellbarkeit, geringem Wärmefluss und guten optischen Eigenschaften ausgewählt.

Das endgültige Design (Abb. 4) bestand aus vier 12 mm dicken regulären Float-Klarglasscheiben, die mit Abstandshaltern verbunden waren, wobei die Seiten-, Unter- und Oberseite mit einer 1,5 mm dicken Epoxidschicht versiegelt waren. Die Abstandshalter wurden mit Hilfe von Silikonformen in Form von Abstandshaltern direkt zwischen die Glasscheiben gegossen. Bei dieser Technik wurden die Glasscheiben miteinander verklebt und gleichzeitig transparente Abstandshalter dazwischen geschaffen. Zur Bildung von Kammern zwischen den vier Glasscheiben wurden Abstandshalter aus zwei Formen aus Kunststoff (Epoxidharz) verwendet. Aus ästhetischen Gründen wurden auf den Außenschichten U-förmige Abstandshalter (Abb. 4) eingesetzt, um dem Ziegel eine robuste und tiefe Optik zu verleihen. In der Mittelkammer wurden Abstandshalter in Zick-Zack-Form mit reduzierter Wärmeübertragung eingesetzt. Die versetzte Position und Form der Abstandshalter soll den Wärmefluss reduzieren. Auf ähnliche Weise wie bei den Abstandshaltern wurden die Boden- und Seitenhülle aus 1,5 mm dickem Epoxidharz gegossen. In der Abdichtung jedes der sechs entstandenen Hohlräume wurde eine kleine Öffnung gelassen – vier in der mittleren Schicht des Ziegels und eine in jeder äußeren Schicht. Diese Hohlräume wurden mit geklopftem Aerogel-Granulat ohne Bindemittel gefüllt und die Öffnungen mit transparentem Klebeband verschlossen. Die Endmaße des Ziegels betragen 500 mm × 136 mm x 84 mm.

2.3. Thermische Simulation mit TRISCO

Um die thermische Leistung des gesamten Ziegels einschließlich der Abdichtung zu bestimmen, wurde eine dreidimensionale thermische Simulation des Ziegels mit der Trisco-Software von Physibel durchgeführt. Die Grenztemperaturen wurden gemäß der Schweizer Norm zur U-Wert-Berechnung [48] für außen und innen auf −8 bzw. 20 °C festgelegt. Zusätzlich wurden zwei Ziegel mit einem Abstand von 2 mm zwischen ihnen simuliert, um sie mit dem Szenario der physikalischen Messung der äquivalenten Wärmeleitfähigkeit zu vergleichen. In beiden Fällen wurde die Ziegelform in ein voxeliertes 3D-Modell mit einer genauen Darstellung des Ziegels vereinfacht.

2.4. Messungen der Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit des Epoxidharzes wurde auf einem speziell für kleine Proben mit geringer Wärmeleitfähigkeit konstruierten Gerät mit geschützter Heizplatte gemessen [49]. Die Messzone beträgt 25 mm × 25 mm und die Genauigkeit beträgt 10 %. Der Temperaturunterschied zwischen heißer und kalter Platte betrug 15 K und die Messtemperatur war Raumtemperatur. Die Epoxidprobe hatte eine Größe von 60 mm × 60 mm und eine Dicke von 10 mm.

Die äquivalente Wärmeleitfähigkeit einer Musterwand aus Glasbausteinen wurde mit einem großflächigen, geschützten Hot-Place-Gerät nach den Kriterien von SN EN 12667 und ISO 8302 ermittelt. Die Messfläche beträgt 300 mm × 300 mm und die Plattengröße 750 mm × 750 mm. Mit diesem Gerät können Proben bis zu einer Größe von 1000 mm × 1000 mm vermessen werden (Abb. 5). Die vermessene Musterwand – Verkleidung ohne Mörtel und Kleber – hatte die Maße 500 mm × 510 mm bei 136 mm Dicke und bestand aus sechs Ziegelreihen (drei Vollziegel und sechs Halbziegel) im klassischen „Läuferverband“. „Verlegung der Ziegel ohne Leim oder Mörtel und einem Abstand zwischen den Ziegeln in beide Richtungen von ca. 2 mm. Da die Ziegel von Hand hergestellt wurden und ihre Dicke variierte (136 ± 1,5 mm), wurden zwei Gummitücher mit einer Dicke von 5 mm und bekannter Wärmeleitfähigkeit verwendet, um die Boden- und Oberseite der Probe zu nivellieren. Der Wärmewiderstand der Gummitücher wurde vom gesamten gemessenen Wärmewiderstand der Probe abgezogen. Aus dem resultierenden Wert wurde die endgültige äquivalente Wärmeleitfähigkeit der Ziegelwand berechnet. Als Referenzprobe wurde eine graue Probe aus expandiertem Polystyrol mit den Abmessungen (750 × 750 x 100) mm3 verwendet.

2.5. Messung der Kompressionsstärke

Ein ganzer Glasbaustein der Größe 500 mm × 136 mm x 84 mm wurde mit einer Druckprüfmaschine von Alfred J. Amsler & Co. Schaffhausen, Schweiz, mit einer maximalen Kapazität von 5000 kN auf seine Druckfestigkeit getestet. Dazu wurde der Ziegel waagerecht in die Maschine eingelegt, wobei die Glasscheiben senkrecht standen und die mechanische Belastung ebenfalls senkrecht stand (Abb. 6). Dies entspricht dem Einsetzen des Ziegels in eine Wandverkleidung mit vertikalen Belastungen. Um die Spannung gleichmäßig zu verteilen und etwaige Unebenheiten des Ziegels auszugleichen, wurde ein Stück hochdichte Faserplatte der Firma Pavatex unter und über der Probe platziert. Außerdem war eine der Platten der Prüfmaschine schwenkbar und somit an die Probe anpassbar. Die Belastungsgeschwindigkeit betrug 0,6 MPa/s und der Ziegel wurde bis zum Versagen komprimiert.

3.1. Ziegel- und Abstandhalterdesign

Verschiedene Formen von Abstandshaltern wurden simuliert, um zu untersuchen, wie sie den Wärmefluss im Inneren des Ziegels behindern würden (Abb. 7). Offene Abstandshalter (A, B, C, D, E, F, M, N, O) sind mit Silica-Aerogel-Granulat gefüllt, während geschlossene Hohlräume (G, H, I, J, K, L) mit Luft gefüllt sind zum Zweck der Simulation. Für den inneren Hohlraum wurde der zick-zack-förmige Abstandhalter N (Abb. 7) ausgewählt, da er den niedrigsten simulierten U-Wert hatte und diese Form zwischen den Ziegelscheiben gegossen werden konnte. Als Kompromiss zwischen Wärmefluss und mechanischer Stabilität wurden an der Seite des Ziegels U-förmige Abstandshalter mit der Markierung „O“ ausgewählt. Der endgültige Ziegelprototyp bestand aus 4 Platten mit 12-mm-Glasscheiben (Abb. 4), zunächst mit vorgesehenen Abständen von 30 mm (in der Praxis 29,3 mm) für eine Gesamtziegeldicke von 136 mm.

3.2. Thermische und mechanische Leistung

Die thermische Simulation des gesamten Ziegels umfasste die obere und untere Abdeckung des Ziegels in den 3D-Simulationen. Die 3D-Wärmesimulation in Trisco (Abb. 8) ergab für den 136 mm dicken Ziegel einen U-Wert von 0,350 W/(m2·K), was einer äquivalenten Wärmeleitfähigkeit von 50,5 mW/(m·K) entspricht. Dies liegt sehr nahe am gemessenen Wert des geschützten Heizplattengeräts von 0,365 W/(m2·K), was einer äquivalenten Wärmeleitfähigkeit von 53,0 mW/(m·K) entspricht. Für die Simulation innerhalb dieser Randbedingungen gibt es eine gleichmäßige Umverteilung der Oberflächentemperatur auf den Flächen des Ziegels (Abb. 8), was darauf hindeutet, dass keine Wärmebrücken innerhalb der Struktur des Ziegels zu beobachten sind. Die Simulation und die experimentelle Konvergenz sind sehr hoch, und der geringfügige Unterschied kann auf eine Vereinfachung des Modells, Unsicherheiten bei den in der Simulation verwendeten Materialeigenschaften oder experimentelle Unsicherheiten bei der Messung des Prototyps zurückzuführen sein. Die Druckfestigkeit des Elements betrug 44,9 MPa, was einer maximal aufgebrachten Kraft von 3042 kN entspricht, bevor die Ziegelstruktur vollständig einstürzte.

Der Prototyp des Ziegels stellt mit seiner Kombination aus tragenden, transluzenten und wärmedämmenden Eigenschaften sowie einer wesentlichen Verbesserung dieser Eigenschaften einen neuartigen Ansatz bei Tageslichtelementen dar. Es kann im Design als Ersatz für undurchsichtige Außenwände mit zusätzlichem Tageslichtvorteil eingesetzt werden (Abb. 9). Im Vergleich zu herkömmlichen, undurchsichtigen Dämmsteinen ist der Aerogel-Glasstein hinsichtlich seiner Tragfähigkeit um ein Vielfaches stärker. Mit seiner geringen Dicke kann der Glasbaustein außergewöhnliche thermische Eigenschaften mitbringen und lässt viel natürliches Tageslicht in den Innenraum.

Die oben dargestellte Charakterisierung des Ziegels zeigt, dass ein sehr hochfestes Materialsystem mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und einer guten Lichtdurchlässigkeit realisiert werden kann. Dadurch wird die Lücke zwischen Tageslichtelementen – Fenstern und wärmedämmenden Wänden – und einer Vielzahl undurchsichtiger Baustoffe aus wärmedämmender Sicht geschlossen (Abb. 10). Im Folgenden gehen wir zunächst auf die einzelnen Eigenschaften des Ziegels und dann auf seine kombinierten Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten ein.

Die Wärmeleitfähigkeit des Ziegels ist mit 53,0 mW/(m·K) sehr niedrig – tatsächlich weisen alle kommerziellen Systeme sowie wissenschaftliche Prototypen in der Entwicklung unseres Wissens nach höhere gemeldete Wärmeleitfähigkeiten auf, wobei die besten isolierenden, undurchsichtigen (! ) Ziegel mit einer Wärmeleitfähigkeit von 59 mW/(m·K) [50]. Bei der realisierten Dicke von 136 mm erreicht der Ziegel laut Messung einen U-Wert von 0,365 W/(m2·K), was höher (weniger effizient) ist als die gesetzlichen Anforderungen in Mitteleuropa für undurchsichtige Wände (z. B. 0,17 W/ (m2·K) in der Schweiz [48,51]), aber deutlich niedriger (effizienter) als die Anforderungen für Fenster (1,0 W/(m2·K) in der Schweiz [51]). Der Ziegel kann jedoch auch mit einer höheren Dicke ausgeführt werden, um eine noch bessere Dämmwirkung zu erzielen. Da der Glasbaustein eine hervorragende Isoliereigenschaft mit einer einzigen Schicht für eine fertige Außenwand ermöglicht und keine weiteren Deckschichten benötigt, kann die Bauzeit erheblich verkürzt werden, was gleichzeitig zu einer Reduzierung der Bau- und Betriebskosten führt.

Mit einer Druckfestigkeit von 44,9 MPa ist die Druckfestigkeit eines solchen Ziegels um ein Vielfaches höher als bei auf dem Markt erhältlichen Tondämmsteinen und Ziegelblöcken (Abb. 9). Diese weisen typischerweise Druckfestigkeiten zwischen 6 und 13 MPa auf [52]. Allerdings sind Dämmsteine ​​meist deutlich dicker, beginnend bei etwa 365 mm und mehr. Herkömmliche tragende Tonziegel werden in vergleichbaren Dicken wie Glasziegel verwendet und weisen Druckfestigkeiten um 28 MPa auf [53]. Wenn diese Ziegel als primäre Konstruktion dienen, benötigen sie eine zusätzliche Wärmedämmung, um eine einheitliche thermische Behaglichkeit des Bauwerks zu erreichen, was letztlich neue technologische Schritte mit sich bringt (z. B. Auftragen der Durchdringungsfarbe, Mörtelkleber, Kernputz, WDVS-Systemverankerung, Glasfaser). Netz, Oberputz, Farbe) und verlängerte Zeit für den Gerüstbau, wodurch die Wände am Ende nicht dünner werden. Die wichtigsten Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst, die simulierte und gemessene Werte zeigt.

Die Lichtdurchlässigkeit der Glasbausteine ​​wurde nicht experimentell untersucht, kann aber anhand vorhandener Daten zu Aerogel-Granulat abgeschätzt werden. Die Gesamtdicke des durchscheinenden Silica-Aerogels im Ziegel betrug etwa 90 mm. Unter der Annahme eines Transmissionswerts für sichtbares Licht von >90 % pro cm [29] wird die Untergrenze der Transmission auf 0,99 = 0,38 geschätzt, also >38 % (nur Aerogel-Granulat ohne Glas). Die genaue Lichtdurchlässigkeit im gesamten UV-Vis-IR-Spektrum eines solchen lichtdurchlässigen Verbundelements lässt sich aufgrund der internen Reflexion, Streuung und Absorption des Lichts auf Prototypenebene nur schwer experimentell bewerten. Für ein handelsübliches Element aus transparentem Polycarbonat und Aerogel-Granulat mit einer Gesamtdicke von 70 mm wurde der Bereich der Transmission im sichtbaren Bereich mit 15–21 % angegeben [24]. Eine Platte aus Polycarbonat ist eine leichte Lösung.

Glas hingegen ist oft eine langlebigere Lösung von höherer Qualität und Tragfähigkeit. Kalwall verwendet in der Fassung glasfaserverstärkte Polymere und gefärbte Paneele, die zu einer geringeren Durchlässigkeit des sichtbaren Lichts führen. Ein anderer Hersteller bietet 4 Zoll (101,6 mm) verglaste Paneele mit einer visuellen Lichtdurchlässigkeit zwischen 5 % und 20 % an, die je nach Glaseinfluss, interner Wabenstruktur und lichtstreuendem Schleier variiert [54]. Die durch den Glasstein durchgelassene Lichtmenge kann durch das Reflexionsvermögen, den Glanz der Außenfläche, die Art des Glases, die Klarheit des Aerogel-Granulats, den Breitengrad, das Wetter und den täglichen Sonnenstand beeinflusst werden. Bei der Konstruktion wurde Floatglas 12 mm mit einer Durchlässigkeit für sichtbares Licht von 0,84 verwendet. Es besteht die Möglichkeit, besonders klares Glas mit niedrigem Eisengehalt und einer Durchlässigkeit für sichtbares Licht von 0,90 zu verwenden [46].

Mit der vorgelegten Schätzung würde eine Wand aus durchscheinenden Ziegeln ungefähr die gleiche Lichtdurchlässigkeit bieten wie eine Wand derselben Fläche, bei der etwa 20–40 % dieser Wand aus Fenstern und der Rest aus einem undurchsichtigen Material bestehen würden. Vorausgesetzt, dass Räume in der Regel bereits über ein Fenster verfügen, können mit einer transluzenten Hüllwand zusätzliche Tageslichtgewinne erzielt werden. Das Aerogel lässt IR-Strahlung durch, was im Winter solare Gewinne ermöglicht, im Sommer jedoch das Risiko einer Überhitzung birgt [21,55]. Aus diesem Grund werden für die meisten Kalwall-Anwendungen Prozentsätze der sichtbaren Lichtdurchlässigkeit über 30 % nicht empfohlen [24]. Obwohl UVA- und UVB-Strahlung größtenteils durch die Aerogelkörnchen (und das Glas) gefiltert wird, wird das für die Photosynthese notwendige sichtbare Licht immer noch durchgelassen und diffuses Licht dringt tiefer in die Vegetationsdecke ein [56], wodurch Glasbausteine ​​wie in anderen für den Einsatz in Gewächshäusern geeignet sind Aerogelanwendungen [24,55].

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Aerogel-Glasbaustein höchstwahrscheinlich etwas weniger Licht durchlässt als andere, dünnere transluzente Aerogel-Lösungen, wie beispielsweise Polycarbonatplatten. Allerdings ist es mit der gemessenen Druckfestigkeit mechanisch deutlich stärker. Selbst typische völlig undurchsichtige Ziegelwände, die häufig in Kombination mit WDVS verwendet werden, weisen eine deutlich geringere Druckfestigkeit auf. Dies macht den Glasbaustein zu einer einzigartigen Lösung, die eine gute Lichtdurchlässigkeit mit einer hervorragenden mechanischen Festigkeit kombiniert.

3.3. Potenzial für Energieeinsparungen

Gebäude machen etwa 40 % des Energieverbrauchs aus, wobei Wohngebäude 27 % und Gewerbegebäude 12 % ausmachen [1, S. 174]. Rund 60 % des Energieverlusts sind auf die Gebäudehülle zurückzuführen. Der Energieverbrauch durch Innenbeleuchtung beträgt in Wohngebäuden etwa 10 % und in Gewerbegebäuden etwa 20 % [57]. Die hier gezeigten Glasbausteine ​​können Energie sparen, indem sie das Tageslicht nutzen, solare Gewinne nutzen und eine thermische Barriere gegen Verluste bei Raumheizung und Raumkühlung schaffen. Dies ist insbesondere bei gewerblichen und öffentlichen Gebäuden (Dienstleistungsgebäuden) von Interesse, die insbesondere tagsüber genutzt werden. Das Energieeinsparpotenzial durch solare Gewinne und Einsparungen bei der Beleuchtung hängen natürlich stark von der Lage und Ausrichtung des Gebäudes ab, die wiederum die Menge der einfallenden Sonnenstrahlung bestimmen. Daher sollte dieser Aspekt in Zukunft durch die Untersuchung konkreter Baubeispiele an verschiedenen Standorten detaillierter untersucht werden.

3.4. Wo der Aerogel-Glasbaustein verwendet werden kann

Der Ziegel eignet sich zur ästhetischen Architekturgestaltung (Abb. 3, Abb. 11) für repräsentative Gebäude mit großzügigen Foyers, Terrassen und verglasten Wänden und/oder an Stellen, die keinen Sichtkontakt zum Außenraum erfordern, aber dennoch Natürlichkeit nutzen möchten Tageslicht. Ziegel eignen sich für Gebäude, bei denen es erforderlich ist, eine Sichtverbindung nach außen zu vermeiden (Privatsphäre, Sicherheit, Vermeidung von Störungen usw.) und Tageslicht ins Innere zu bringen, z. B. in Büros in belebten Bereichen. Diffuses Licht eignet sich für Bibliotheken, Kunstwerkstätten, Galerien, Museen, Foyers, Treppenhäuser und überall dort, wo dunkle Bereiche und starke Schatten beseitigt, eine angemessene Beleuchtung sichergestellt und gleichzeitig direkte Blendung durch Sonnenlicht vermieden werden müssen. Die Verwendung des Ziegels kann für große Räume geeignet sein, in denen eine ausreichende Beleuchtung bis tief in den Innenraum erforderlich ist (Turnhalle, Bibliotheken, Mehrzweckhallen usw.).

Lichtdurchlässige Ziegel eignen sich für Lösungen – die Wärmegewinnung aus Sonnenlicht durch Infrarotstrahlung, z. B. geschlossene tropische Gärten, Gewächshäuser, Terrassen oder Trombe-Wände zur Nutzung von Wärmeenergie [58,59]. Der Glasbaustein kann für Kunden geeignet sein, die ihre Einfamilienhäuser, Terrassen oder repräsentativen öffentlichen Gebäude und Räume bauen. Darüber hinaus kann es für die Nachrüstung als hochwärmedämmender Ersatz von Glasbausteinen (Luxfers) in Gebäuden aus den 1960er bis 1980er Jahren verwendet werden, als die Verwendung ineffizienter quadratischer Glasbausteine ​​für die Tageslichtbeleuchtung im Treppenhausbereich sehr beliebt war. Der neue isolierende Aerogel-Glasbaustein bietet das Potenzial, angemessene Beleuchtungsbedingungen und einen hohen ästhetischen Wert zu schaffen und gleichzeitig eine hohe Wärmedämmleistung zu bieten. An einigen Standorten in Wohngebäuden kann die nächtliche Lichtverschmutzung eine Herausforderung darstellen, die jedoch durch Innenvorhänge, Jalousien und lichtundurchlässige Betthimmel vermieden werden kann.

Hier haben wir einen neuen isolierenden und lichtdurchlässigen Ziegel für Gebäudehüllen entwickelt und charakterisiert. Seine Wärmeleistung ist einzigartig, mit einer Wärmeleitfähigkeit von 53 mW/(m·K), die sogar unter der aller gemeldeten undurchsichtigen Isolierziegel liegt. Der Ziegel verfügt über eine hohe Druckfestigkeit, die für den Einsatz in Fassaden als selbsttragende Wände wichtig ist. Der vorgestellte Ziegel bietet eine neue, ästhetische Lösung für Gebäudehüllen, die nicht nur gut dämmt, sondern auch natürliches Tageslicht in das Innere des Gebäudes bringt. Damit bietet es Architekten eine völlig neue Möglichkeit, gebäudefreundliche Fassaden und Innenräume mitzugestalten und die natürliche Ressource Tageslicht in Gebäuden besser zu nutzen.

4.1. Offene technische Fragen

Die Verwendung von transparenten Aerogelsteinen eröffnet die Möglichkeit, eine Gebäudehülle mit einer mechanisch selbsttragenden transluzenten Fassade zu schaffen. Die gemessene Druckfestigkeit ist deutlich höher als für diese Anwendung erforderlich und kann optimiert werden (Abb. 9). Die größte Herausforderung besteht darin, das Ziegeldesign und die Verkleidungsdetails für den praktischen Einsatz im Mauerwerk zu optimieren und den optimalen Kleber zwischen den Ziegeln (Mörtel oder Leim) zu bestimmen. Zukünftige Studien werden die Festigkeit der Wandverkleidung im Vergleich zur Festigkeit einzelner Ziegel untersuchen. Zur Erhöhung der Sicherheit muss der Ziegel gegen Einsturz unter hohem Druck geschützt werden, z. B. durch Glaslaminierung oder Verwendung von Sicherheitsglas. Der Feuerwiderstand muss untersucht werden.

Die seitlichen Scherkräfte einer so dünnen Gebäudehülle müssen berücksichtigt werden, und zukünftige Forschungen sollten die Möglichkeiten der Verstärkung einer mit einer Schicht dieser Ziegel errichteten Wand untersuchen. Auch das thermische Verhalten einer Wand in der gesamten Verkleidung sollte in Zukunft untersucht werden. Die Messung der Transmission ist eine weitere offene Herausforderung, da Aerogele als quasi-homogene Materialien erhebliche interne Reflexion und Streuung aufweisen. Eine Verbesserung der Herstellbarkeit ist erforderlich, um die Kosten zu senken und den Ziegel auf dem Markt erschwinglich zu machen. Die Materialkosten sind zwar erheblich (Tabelle 1), stellen jedoch angesichts der Leistung kein großes Hindernis dar. Abschließend soll in künftigen Arbeiten der Energieverbrauch neuer und sanierter Gebäude mit dieser Außenwandart ermittelt werden.

Tabelle 1. Ausgewählte Parameter der Materialien.

Tabelle 2. Zusammenfassung der Ergebnisse.

4.2. Ausblick

Das vorgestellte neue Ziegeldesign ermöglicht den randlosen, rahmenlosen Aufbau hochgedämmter, lichtdurchlässiger Wände mit mechanisch selbsttragender Funktion. Die Verwendung von Glas bietet verglaste Innen- und Außenflächen, die im Gegensatz zu Polycarbonatplatten wetterbeständige, benutzerfreundliche und langlebige Veredelungsmaterialien sind. Hochisolierende, dünne, lichtdurchlässige Außenwände ermöglichen die Nutzung des natürlichen Tageslichts und sorgen für thermische Energiegewinne in der Gesamtenergiebilanz des Gebäudes. Architekten und Bauingenieure haben mehr Möglichkeiten, den Bedarf an natürlichem Tageslicht im geplanten Raum zu sättigen, da nahezu das gesamte Spektrum des Tageslichts durchgelassen wird. Dies sorgt für visuelle Privatsphäre, eliminiert Blendung und streut direktes natürliches Sonnenlicht – wodurch scharfe Schatten des direkten Lichts gemildert werden und tiefere Bereiche des Innenraums mit diffusem Tageslicht beleuchtet werden. Mit dieser Lösung sind leichte, dünne und energieeffiziente Außenwände möglich. Wir glauben, dass der mit Aerogel gefüllte Glasbaustein durch die Gebäudehülle mehr Licht in die Innenräume von Gebäuden bringen kann, gleichzeitig die Gesundheit verbessert und dazu beiträgt, die für Beleuchtung und Heizung erforderliche Energie einzusparen.

Zusammenfassend haben wir hier einen lichtdurchlässigen, isolierenden Ziegel für Gebäudehüllen mit verbesserter Energieeffizienz vorgestellt – erreicht durch sehr gute Wärmedämmung in Kombination mit solaren Wärmegewinnen – mit erhöhtem Lichtkomfort – über die Durchlässigkeit von Tageslicht in das Gebäude – und mit optimierten Raumverhältnissen Effizienz – aufgrund der geringen Dicke, die durch den Einsatz der thermischen Superisolierung erreicht wird.

Michal Ganobjak: Konzeptualisierung, Schreiben – Originalentwurf, Simulationen, Messungen, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, Visualisierung, Überarbeitung.

Wim J. MalfaitSchreiben – Originalentwurf, Schreiben – Rezension.

Janis JustMessungen, Überprüfung.

Marcel KäppeliMessungen, Überprüfung.

Francisco ManceboSimulationen, Überprüfung, Überarbeitung.

Samuel BrunnerSchreiben, Messungen, Überprüfung und Bearbeitung.

Jannis WerneryKonzeptualisierung, Schreiben – Originalentwurf, Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten, Überarbeiten.

Die Autoren erklären die folgenden finanziellen Interessen/persönlichen Beziehungen, die als potenzielle Interessenkonflikte angesehen werden können: Michal Ganobjak, Jannis Wernery, Matthias Koebel haben das Patent Nr. E 2017-310 bei der Empa angemeldet.

Diese Forschung wurde von der Velux Stiftung, Projekt Nr. 1440 zur Entwicklung von thermisch superisolierenden transluzenten Glasbausteinen für diffuses Tageslicht, unterstützt. Die Idee wurde mit Unterstützung des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen, Finanzhilfevereinbarung Nr. 746992, entwickelt.

Wir möchten den beiden anonymen Gutachtern für ihre hilfreichen Kommentare zur ersten Version des Manuskripts danken.

Daten werden auf Anfrage zur Verfügung gestellt.