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Dec 09, 2023

Verschlechterung von Isolierglaseinheiten: Wärmeleistung, Messungen und Energieauswirkungen

Datum: 8. August 2023 Autoren: Madison Likins-White, Robert C. Tenent und Zhiqiang (John) Zhai Quelle: Buildings 2023, 13(2), 551; MDPI DOI: https://doi.org/10.3390/buildings13020551 (Dieser Artikel

Datum: 8. August 2023

Autoren: Madison Likins-White, Robert C. Tenent und Zhiqiang (John) Zhai

Quelle: Gebäude 2023, 13(2), 551; MDPI

DOI:https://doi.org/10.3390/buildings13020551

(Dieser Artikel gehört zur Rubrik Gebäudeenergie, Physik, Umwelt und Systeme)

Der Abbau von Isolierglaseinheiten (IGU) wurde ausführlich untersucht. Es besteht jedoch nur begrenztes Verständnis darüber, wie sich die aktuellen Standards zur Haltbarkeitsbewertung auf die Produktlebensdauer auswirken. Darüber hinaus gibt es eine Debatte darüber, wie die Leistung installierter Fenster im Laufe der Zeit quantifiziert werden kann, um Verschlechterungsprozesse besser zu verstehen. Es sind weitere Kenntnisse zu diesen Themen erforderlich, um die Haltbarkeitsbewertung mit Prognosen zur Produktlebensdauer auf der Grundlage der Energieeffizienz zu verknüpfen. Energiemodelle liefern hilfreiche Schätzungen des jährlichen Gesamtenergieverbrauchs von Gebäuden. Die meisten Modelle basieren jedoch auf der Leistung der Hüllenkomponenten im „installierten Zustand“ und berücksichtigen keine Leistungseinbußen. Dies kann dazu führen, dass der Energieverbrauch eines Gebäudes über die gesamte Lebensdauer unterschätzt wird.

Ein besseres Verständnis der Beziehung zwischen Haltbarkeit und Energieleistung kann die Integration der Degradationsdynamik in Energiemodellierungssoftware unterstützen. Dies wird die Schätzungen des Energieverbrauchs eines Gebäudes über die gesamte Lebensdauer verbessern und Informationen zu geeigneten Nachrüstungsstrategien und Zeitplänen liefern. In diesem Artikel werden die aktuelle Literatur zur Haltbarkeit, verschiedene Standards für Fensterleistungsbewertungen und Bewitterungsmethoden, bestehende In-situ-IGU-Energieleistungsmessungstechniken und die Energieeffekte des gesamten Gebäudes besprochen. Die Herausforderungen und Unterschiede zwischen verschiedenen Studien werden analysiert und diskutiert. Die Autoren hoffen, dass weitere Arbeiten in diesem Bereich zur Entwicklung verbesserter In-situ-Testmethoden zur Bewertung des IGU-Abbaus vor Ort führen und dieses Wissen mit verbesserten Ansätzen zur Modellierung der Energieleistung verknüpfen werden.

Der Gebäudesektor ist für 40 % des gesamten Energieverbrauchs und mehr als 35 % der Treibhausgasemissionen in den USA verantwortlich, wie in Abbildung 1 dargestellt [1].

Die Gebäudehülle ist die wichtigste Wärmebarriere zwischen Innen- und Außenraum und umfasst Wände, Fenster, Dach und Fundament. Die Gebäudehülle ist ein Schwachpunkt des gesamten Gebäudeverbrauchs und für die Verbesserung der Gebäudeleistung von entscheidender Bedeutung. Es wird geschätzt, dass die Gebäudehülle 30 % des Energieverbrauchs von Wohn- und Gewerbegebäuden ausmacht, wobei Fenster 15–50 % dieser gesamten Übertragungsverluste der Gebäudehülle und 10 % des gesamten Energieverbrauchs von Gebäuden ausmachen [3,4,5,6 ]. Die Auswirkungen der Hüllenleistung wirken sich auf alle Systeme innerhalb eines Gebäudes aus; Eine effizientere Hülle reduziert nicht nur die Wärmeübertragung, sondern kann auch die Größe der Ausrüstung verringern, den Wasserverbrauch senken, die Gesamtlebensdauer eines Gebäudes verbessern und den thermischen Komfort erhöhen. Allerdings ist die Wärmeleistung der Hülle während der gesamten Lebensdauer eines Gebäudes nicht statisch; Sie nimmt mit zunehmendem Alter und Witterungseinflüssen ab, was zu einem höheren Energiebedarf führt. Es wird geschätzt, dass die Verschlechterung der Gebäudehülle und der HVAC zu einem Anstieg des Energieverbrauchs von Gebäuden um 20–30 % führen kann [7].

Fenster machen je nach Fenstertyp, Klima und Gebäudetyp einen großen Teil der Hüllenverluste aus [4,5]. Fenster haben nicht nur einen hohen U-Faktor im Vergleich zu undurchsichtigen Hüllenkomponenten, sondern auch solare Gewinne, die zu ihrer gesamten Wärmeübertragung in Räume beitragen (solarer Wärmegewinnkoeffizient). Abbildung 2 zeigt, dass 84 % der auf das Fenster treffenden Sonnenstrahlung in Form von Wärme in den Raum übertragen werden [8].

Die Sonneneinstrahlung und die Wärmeleitfähigkeit führen im Sommer zu erhöhten Wärmegewinnen, die die Kühllast erhöhen. Im Winter trägt nur die Leitfähigkeit zur Erhöhung des Heizbedarfs bei. Die mit extremen Temperaturunterschieden einhergehende Leitfähigkeit und die auf Fenster treffende Sonneneinstrahlung führen ebenfalls zu einer Verschlechterung [9]. Fenster werden typischerweise in zwei physische Komponenten zerlegt: die Isolierglaseinheit (IGU) und den Rahmen. Die IGU besteht aus mindestens zwei Glasscheiben, die durch ein Abstandssystem getrennt sind und typischerweise ein Trockenmittel enthalten, wobei die Kanten der Einheiten mit verschiedenen Polymermaterialien versiegelt sind. Das Innere der versiegelten Einheit ist typischerweise mit einem inerten Gas mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt, und die Glasscheiben können mit Beschichtungen mit niedrigem Emissionsgrad (Low-e) versehen sein, um den solaren Wärmegewinn abzuschwächen.

Die Verschlechterung von IGUs ist am häufigsten mit einem Versagen der Randdichtung, einem Gasverlust zwischen den Scheiben und einem Ausfall der Low-E-Beschichtung verbunden. Diese Versagensarten treten innerhalb der IGU eines Fenstersystems auf und können typischerweise von Wärmebrücken und anderen Rahmeneffekten entkoppelt werden. Gewerbliche Fenster haben eine Lebensdauer von 20–30 Jahren im Vergleich zur Gesamtlebensdauer von 50–60 Jahren bei einem gewerblichen Gebäude [10]. Ihre kürzere Lebensdauer, mehrere Arten der Verschlechterung und ihr großer Beitrag zum Energieverbrauch im Vergleich zu anderen Hüllenkomponenten unterstreichen, wie wichtig es ist, die Alterung von Fenstern mit der Energieeffizienz zu verknüpfen, um die Effizienz und Energieschätzung von Gebäuden zu verbessern.

Durch das Verständnis des Zusammenhangs zwischen thermischer Leistung und Degradation können die Energiemodellierung und Energieschätzung von Gebäuden verbessert werden, was es dem Gebäudesektor ermöglicht, die Effizienz über die gesamte Lebensdauer hinweg zu optimieren und Sanierungsanforderungen besser gerecht zu werden. Es wurde festgestellt, dass die Verbesserung der Nachrüstung und die Investition in die Energieeffizienz von Gebäuden der einfachste Weg zur Reduzierung der damit verbundenen Kohlendioxidemissionen sind [11]. Solche Investitionen sind mit positiven sozioökonomischen Auswirkungen in den Gemeinden verbunden, wie z. B. mehr Beschäftigung, verbesserter Lebensqualität und höheren Staatseinnahmen. Diese Verbesserungen haben das Potenzial, die Ungleichheit unterrepräsentierter Gruppen auf dem Wohnungsmarkt zu verringern und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen insgesamt zu reduzieren.

Da die für diese Arbeit interessanten Ausfallarten nicht mit den Rahmeneffekten zusammenhängen, konzentriert sich der Inhalt dieses Dokuments auf Hintergrundinformationen zur Haltbarkeit von IGU, Methoden zur Leistungsbewertung, In-situ-Messtechnik und Gesamtenergieauswirkungen. Das Hauptziel dieses Dokuments besteht darin, die vorhandene Literatur in Bezug auf die Haltbarkeit von IGU, In-situ-Messtechniken, Leistungsbewertungen und -standards sowie die Gesamtauswirkungen auf den Energieverbrauch von Gebäuden aufgrund von Leistungsänderungen von IGU zu überprüfen. Ziel dieses Artikels ist es, sowohl die positiven als auch die negativen Aspekte der vorhandenen Literatur hervorzuheben und den verbleibenden Bedarf dieser Forschungsthemen zu ermitteln. Die Analyse der aktuellen Literatur wird als Grundlage für zukünftige Forschungsmethodologien dienen, um größere Ziele zu erreichen.

2.1. Haltbarkeit der Dichtung

Die Haltbarkeit eines Fensters ist seine Fähigkeit, funktionsfähig zu bleiben und die vorgesehene Leistung zu erbringen. Die Haltbarkeit von Fenstern hängt vom Rahmen und Flügel, den Isolierglasdichtungen und der Dichtungsleiste ab, eine einfache Bewertung der Haltbarkeit gibt es jedoch nicht [12]. Abbildung 3 aus NFRC 100 zeigt die Anordnung einer IGU mit zwei Scheiben.

Abbildung 3 zeigt eine IGU mit einem Dual-Rand-Dichtungssystem, das in den 1990er Jahren aufgrund der Forderung nach längerer Lebensdauer populär wurde [9]. Ein Doppeldichtungssystem besteht aus einem „primären“ Dichtungsmittel, typischerweise Polyisobutylen (PIB), das für Gasrückhalteeigenschaften sorgt, und einer sekundären Dichtung aus verschiedenen Polymermaterialien, die für strukturelle Integrität der Einheit sorgt. Zu den häufig verwendeten Sekundärdichtstoffen gehören Polyurethan, Polysulfide und Polysilikone. Der Abstandshalter, der die beiden Glasscheiben voneinander entfernt hält, ist mit einem Trockenmittel gefüllt, das jegliche in die Randdichtung eindringende Feuchtigkeit absorbieren und das Eindringen in den Gasspalt zwischen den Glasscheiben verhindern soll.

Das Doppeldichtungssystem einer IGU ist für die Produkthaltbarkeit von großer Bedeutung, da es einen erheblichen Einfluss auf die Gasleckrate und die Dampfdurchlässigkeit hat, die beide die thermische Leistung eines Fensters verringern können [13]. Zusätzlich zu den Bedenken hinsichtlich der Gasspeicherung kann das in die Randversiegelung diffundierende Wasser zu Kondensation im Scheibenzwischenraum führen und so die Lebensdauer verkürzen. Wenn die thermische Leistung des Fensters mit der Zeit rapide nachlässt, erfüllt es nicht mehr die allgemeinen Kriterien der Haltbarkeit.

In den 1990er Jahren fanden Wolf und Waters heraus, dass die Sekundärdichtung von IGUs die wichtigste Rolle für die Lebenserwartung und Haltbarkeit von IGUs spielt [14]. Die wichtigsten umweltbedingten Alterungs- und Witterungseinflüsse auf ein IGU und eine Dichtung sind Temperatur, Druck, Sonnenlicht und Sauerstoff/Ozon, wie in Abbildung 4 dargestellt [13].

Sowohl Temperatur- als auch Druckschwankungen führen zu einer mechanischen Beanspruchung der Randversiegelung, die die Elastizität beeinträchtigen und den physikalischen Verfall beschleunigen kann. Die Einwirkung von Sauerstoff/Ozon kann zur Oxidation der Glasversiegelungen führen und sie spröder machen. Sonnenlicht gilt aufgrund seiner thermischen und photochemischen Wirkung auf den Randverbund als wichtigster Alterungsfaktor von IGUs. Diese Alterungsfaktoren wirken während des gesamten Lebenszyklus von IGUs zusammen und können zu einer Verschlechterung des Dichtungs- und Glasmaterials führen. Darüber hinaus verkürzt die geringe elastische Erholung der Sekundärdichtung bei hohen Temperaturen die Lebensdauer von IGUs. Wolf und Waters untersuchten den Einfluss der Temperatur auf die Dampfdiffusion von 15 Isolierglasdichtstoffen nach DIN 53122.

Sie bewerteten die Durchlässigkeit bei 20 °C, 40 °C, 60 °C und 80 °C und stellten fest, dass die Dichtstoffe bei 60 °C eine sechs- bis achtmal höhere Durchlässigkeit aufweisen als bei 20 °C. Dies weist darauf hin, dass sich das Dichtmittel in den Sommermonaten schneller zersetzt als in den Wintermonaten, selbst wenn es für kürzere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Wolf und Waters stellten außerdem fest, dass die Durchlässigkeit von Silikondichtstoffen weniger stark von der Temperatur abhängt als bei Dichtstoffen auf Polysulfidbasis, wie in Abbildung 5 und Abbildung 6 dargestellt. Dies weist darauf hin, dass Polysilikone die Lebensdauer von Dichtstoffen verlängern und das Eindringen von Feuchtigkeit verhindern können. Beachten Sie, dass für die mit b gekennzeichneten Dichtstoffe in Abbildung 5 keine aussagekräftigen Daten erhalten wurden.

Wolf und Waters analysierten außerdem acht Dichtstoffe auf vorzeitiges Versagen aufgrund von Haftungsverlust gemäß ASTM G-53. Alle Dichtstoffe konnten sechs Wochen lang unter normalen Klimabedingungen aushärten, bevor sie einer beschleunigten Bewitterung unterzogen wurden. Die beschleunigte Bewitterung der Dichtstoffe bestand aus einer UV-Lichteinwirkung über 1000, 2000, 5000, 10.000 und 20.000 Stunden, gefolgt von einem Bewitterungszyklus von vier UV-Einstrahlungen bei 65 °C und anschließend vier Stunden Kondensation bei 50 °C. Schließlich wurden die Proben 24 Stunden lang um 25 % gedehnt und als „nicht bestanden“ betrachtet, wenn sie mehr als 10 % der Haftung verloren. Die Ergebnisse dieses Tests zeigten, dass Polysulfid-Dichtstoffe die schlechteste UV-Beständigkeit und die geringste elastische Erholung aufwiesen, wie in Abbildung 7 dargestellt.

Alle von Wolf und Waters durchgeführten Tests zeigten, dass Silikondichtstoffe eine höhere Lebenserwartung haben als Polysulfiddichtstoffe und dass sowohl die sekundären als auch die primären Dichtungen eine Rolle bei der Lebenserwartung spielen. Diese Forschung ist eine nützliche Einführung in die Hauptfaktoren, die zum Versagen von IGU führen, und in die standardisierten Testmethoden, die für beschleunigte Alterungs- und Haltbarkeitstests verwendet werden. Die beschriebenen Methoden wurden jedoch alle in einer Laborumgebung durchgeführt und berücksichtigen weder die Bewitterung vor Ort noch einen Zusammenhang mit der thermischen Leistung.

Wolf untersuchte weiterhin die Lebenserwartung von Isolierglaseinheiten, indem er die Auswirkungen von Temperatur, Arbeitsbelastung, Sonnenlicht, Wasser und anderen Bedingungen auf die Dichtung weiter analysierte [13]. Obwohl dieses Papier eine Fülle von Daten und Einblicken in die Haltbarkeit von Fenstern bietet, wird nur wenig Methodik beschrieben, was es schwierig macht, sie zu erweitern oder zu reproduzieren. Wie in früheren Arbeiten kann auch die Methodik keinen Bezug zur Haltbarkeit und Alterung von IGUs im Feld herstellen.

Im Gegensatz zur meisten Literatur zur Haltbarkeit, die normalerweise in einem Labor erstellt wird, verwendeten Garvin und Wilson Feldmessungen, um quantitative Daten zu Haltbarkeitsparametern zu erfassen [15]. Das Hauptziel dieser Forschung bestand darin, die potenzielle Lebensdauer von Fenstern unter realen Bedingungen zu analysieren, da Langzeitstudien zur Haltbarkeit fehlen. Das Experiment wurde in einem Testhaus in Schottland durchgeführt und dauerte zwei Jahre. Fenster unterschiedlicher Ausrichtung und Konstruktion wurden alle 30 Minuten auf relative Luftfeuchtigkeit im Hohlraum, Temperatur im Hohlraum und Flüssigkeitsfeuchtigkeit in der Randabdichtung überwacht.

Die Raumtemperatur im Innenraum wurde über Heizgeräte geregelt, während der Außenbereich den Umgebungsbedingungen ausgesetzt war. Die Luftfeuchtigkeitsergebnisse zeigten, dass die mittlere relative Luftfeuchtigkeit in den Hohlräumen in den Wintermonaten und bei Holzrahmen am höchsten war, was wahrscheinlich auf das direkte Eindringen von Regen zurückzuführen ist. Temperaturmessungen ergaben, dass die Hohlraumtemperaturen direkt die äußeren Bedingungen widerspiegelten. Es wurde festgestellt, dass die flüssige Feuchtigkeit in der Randabdichtung bei vollflächigen Fenstern höher war als bei entwässerten und hinterlüfteten Rahmen. Ein Beispiel der Ergebnisse für einen PVC-U-Rahmen ist in Abbildung 8 dargestellt.

Am Ende des zweijährigen Experiments gaben die Autoren an, dass es sich bei allen Ergebnissen um Zwischenergebnisse handele und dass die Ergebnisse zur Haltbarkeit nur geschätzt werden könnten. Obwohl noch keine schlüssigen Erkenntnisse zur Haltbarkeit vorliegen, bietet dieses Papier eine hochmoderne Methode zur Messung von Haltbarkeitsfaktoren vor Ort. Die Testgeräte und -methoden können möglicherweise erweitert werden, um bestehende Haltbarkeits- und beschleunigte Bewitterungsstandards mit Felddaten zu vergleichen und zu validieren.

Eine weitere Feldstudie von Booth et al. [16] versuchten, die größten Umweltauswirkungen auf die primäre Dichtungsmasse von IGUs zu ermitteln. Ihre Arbeit konzentrierte sich insbesondere auf den Fluss von Polyisobutylen (PIB)-Primärdichtstoff in den Raum zwischen IGU-Scheiben. Die Studie umfasste eine visuelle Inspektion des PIB-Flusses in verschiedenen IGU-Baugruppen, Klimazonen und Ausrichtungen. Darüber hinaus haben Booth et al. führte eine fotografische Untersuchung jeder Gebäudehülle durch und maß die Oberflächentemperatur der untersuchten IGUs. Einige IGUs wurden zur weiteren PIB-Analyse in einer Laborumgebung aus Gebäuden entfernt. Die Ergebnisse der Vor-Ort-Inspektion zeigten einen stärkeren PIB-Fluss für nach Süden, Osten und Westen ausgerichtete IGUs. Die Laboruntersuchung des extrahierten PIB zeigte Polymerzersetzung und Viskositätsänderung. Die in dieser Studie durchgeführte Arbeit zeigt den Abbau von PIB-Dichtstoffen unter normalen Umgebungsbedingungen und unterstreicht die Bedeutung der Fensterhaltbarkeit. In diesem Artikel fehlen jedoch Daten, die dabei helfen könnten, die Haltbarkeit mit der gesamten thermischen Leistung in Verbindung zu bringen. Darüber hinaus konzentriert sich dieses Papier nur auf eine Komponente der IGU-Haltbarkeit und versäumt es, Elemente im Zusammenhang mit der Alterung und größeren Auswirkungen zu analysieren.

Asphaug et al. fanden heraus, dass Alterung und Zersetzung von Fensterscheiben zu einem Verlust der Edelgaskonzentration im Scheibenzwischenraum führen können [5]. Wie Wolf und Waters, Asphaug et al. fanden heraus, dass die Haltbarkeit von IGUs hauptsächlich durch den Abstandshaltertyp bestimmt wird. Ein Versagen der Dichtung führt zum Verlust von Isoliergas wie Argon, Krypton, Xenon und Luft, was den U-Faktor einer IGU um bis zu 32 % erhöhen kann. Ihr Experiment umfasste 18 mit Argongas gefüllte IGUs, neun mit Superspacern und neun mit Aluminiumspacern. Die IGUs wurden in drei Gruppen mit verschiedenen Bewitterungsmethoden aufgeteilt, darunter ein Klimasimulator, eine Heizkammer und eine Kombination aus beiden. Die Gaskonzentration jeder IGU wurde über einen Zeitraum von 70 Wochen regelmäßig gemessen und gegen die Zeit aufgetragen. Die Ergebnisse zeigten eine stärkere Gasleckage bei Aluminium-Abstandshaltern und deutlich mehr Gasleckage bei allen IGUs in der Heizkammer, wie in Abbildung 9 dargestellt.

Die Ergebnisse deuten auch auf eine Abnahme des U-Faktors als Funktion der Gasleckage hin, wie in Abbildung 10 dargestellt. Es werden jedoch nur wenige Informationen darüber gegeben, wie der U-Faktor in dieser Studie bewertet wird.

Schließlich wurde ein Gewerbe- und Wohngebäude simuliert, um den Anstieg der Gebäudeenergie zu ermitteln, der mit einer geringeren Fensterleistung aufgrund von Alterung und Verlust von Isoliergas einhergeht. Die Gebäude wurden in einem heizungsdominierten Klima für neue Fenster, Fenster nach 70 Wochen beschleunigter Alterung, Fenster mit einer Reduzierung der Gaskonzentration um 50 % und Fenster mit einer Reduzierung der Gaskonzentration um 100 % simuliert. Für jede dieser Bedingungen wurden Energievergleiche für ein Jahr und 20 Jahre durchgeführt.

Ähnlich wie bei der Gaskonzentration werden nur wenige Informationen zum Gesamt-U-Faktor der in den einzelnen Simulationen verwendeten Fenster gegeben. Die Ergebnisse der Simulation zeigten, dass ein Anstieg des Wärmebedarfs über 20 Jahre aufgrund von Gaskonzentrationsverlusten bei einem typischen Bürogebäude bis zu 65 MWh und bei einem Einfamilienhaus bis zu 1,3 MWh betragen würde. Ein Beispiel der Ergebnisse ist in Abbildung 11 dargestellt.

Dieses Experiment ist zwar wertvoll für die Bestimmung der Auswirkungen auf die Fensterdegradation und den U-Wert des Fensters, es gelingt jedoch nicht, die beschleunigte Alterung mit der Echtzeitalterung in Zusammenhang zu bringen, und es mangelt an einer robusten Validierung der U-Faktor-Messungen. Das Experiment verwendet auch kleine Stichprobengrößen ohne unterschiedliche Ausrichtung oder Klima und berücksichtigt somit nicht die realen Bedingungen. Darüber hinaus sind die verwendeten beschleunigten Alterungstechniken nicht standardisiert und stellen ihre Gültigkeit in Frage. Die Lücke zwischen realen und Laborergebnissen muss weiter untersucht werden, um die Fensterhaltbarkeit mit anderen Leistungsfaktoren in Beziehung zu setzen.

Buddenberg et al. untersuchte auch den Zusammenhang zwischen Klimabelastungen und der Haltbarkeit von IGU [17]. Ziel ihres DuraSeal-Projekts war es, die Klimabelastung der Dichtung in Kombination mit dem Gasverlust zu untersuchen. Buddenberg et al. Das Experiment begann damit, dass zehn Doppelscheiben-IGUs und zehn Dreifachscheiben-IGUs mit unterschiedlichen Abstandhalter- und Dichtungstypen einem Bewitterungszyklustest gemäß EN 1279 ausgesetzt wurden. Leider liegen derzeit keine Ergebnisse zur Dampf- und Gasdiffusion und keine Aktualisierungen zu diesem Projekt vor.

Im Jahr 1998 fasste Burgess [18] verschiedene nationale Standards für IGU-Haltbarkeitstests zusammen, um ihre wissenschaftlichen Grundlagen und Anwendungen zu vergleichen. Burgess stellte fest, dass viele dieser Methoden auf ähnlichen Annahmen basieren oder sich gegenseitig erweitern und es vielen an wissenschaftlicher Überprüfung mangelt. Burgess skizziert und vergleicht zehn verschiedene Standardtests, wie in Abbildung 12 dargestellt.

Abbildung 12 verdeutlicht den Mangel an Gemeinsamkeiten zwischen den zehn vorgestellten Standardtests, und diese Probleme erstrecken sich auf weitere Standards, die in der Abbildung nicht aufgeführt sind. Aufgrund der Vielfalt der Testmethoden und der fehlenden Feldvalidierung besteht wenig Einigkeit darüber, welcher IGU-Haltbarkeitstest am besten geeignet ist. Dies verdeutlicht noch einmal die Unzulänglichkeiten beschleunigter Alterungstests in Bezug auf die tatsächliche Leistung und Haltbarkeit der IGU.

Obwohl die Aussagekraft von Haltbarkeitstests in Frage gestellt wird, gibt es nur wenige Studien, die versuchen, die Ergebnisse zu validieren. Lingnell [19] versuchte, diese Wissenslücke zu schließen, indem er eine 25-jährige Feldstudie durchführte, um den Zusammenhang zwischen beobachtbarem IGU-Versagen und standardisierten Bewitterungsprüfungsklassifizierungen gemäß ASTM E 773 zu ermitteln. Diese Studie begann 1980 und umfasste über 2400 IGUs 140 Gebäude und vierzehn Städte in den Vereinigten Staaten mit unterschiedlichem Klima. Ein Versagen der IGUs wurde durch eine visuelle Inspektion des Dichtungsversagens und/oder des Beschlagens angezeigt. Die Einheiten wurden nach 10, 15 und 25 Jahren überprüft und die Gesamtausfallraten wurden mit 4,9 %, 7,9 % bzw. 9,2 % berechnet. Obwohl diese Forschung eine einzigartige Perspektive auf die Leistung im Feld bietet, die oft übersehen wird, versäumt sie es, tatsächliche IGU-Ausfälle mit standardisierten Wetterverfahren in Verbindung zu bringen oder quantitative Daten im Zusammenhang mit beschleunigter Alterung bereitzustellen.

In ähnlicher Weise führte Gjelsvik [20] mehrere Feldstudien durch, um die Ergebnisse beschleunigter Alterungstests nach norwegischen Standards zu validieren. Der umfassendste Feldtest in Gjelsvik bestand aus 2040 IGUs von zehn verschiedenen Marken und zwölf Installationsjahren. Die Feldstudie fand 1963 statt und die meisten Ergebnisse in der Arbeit sind qualitativ. Obwohl Gjelsvik angibt, dass die Korrelation zwischen Labortests und Feldtests „überraschend gut“ sei, liegen nur wenige Daten vor, die diese Behauptung stützen. Dieses Papier verdeutlicht den Mangel an Wissen über Haltbarkeitstests und die Schwierigkeiten bei Langzeit-Feldtests.

Aufgrund der Schwierigkeiten bei langfristigen Feldtests auf IGU-Versagen entwickelten Pylkki und Doll [21] ein prädiktives Simulationsprogramm, um die Haltbarkeit von IGU im Zuge der Entwicklung von Designs zu verbessern. Die Simulation besteht aus einem thermischen Modell, einem Permeationsmodell und einem Spannungsmodell als Reaktion auf die Umweltbelastungen einer IGU. Der Benutzer kann eine IGU zusammenstellen, indem er Abmessungen, Beschichtungen, Dichtungsmaterialien und mehr definiert. Die Simulation nutzt Datenbanken für weitere gängige Parameter wie optische und Materialeigenschaften. Die Ergebnisse zeigen die Verteilung von 44 verschiedenen Fehlermodi und die Zeit bis zum Ausfall.

Derzeit gibt es keine Validierung des Simulationstools. Obwohl dieses Tool eine vielversprechende Methode zur Beschleunigung der Bestimmung von Fehlerarten bietet, muss es letztendlich anhand realer IGU-Fehler validiert werden. Dieses Papier verdeutlicht erneut die Notwendigkeit von Haltbarkeitstests vor Ort, um sowohl Simulationen als auch beschleunigte Alterungsstandards zu validieren.

Gubbels et al. [22] führten eine Studie durch, in der die Wärmeleitfähigkeit von vakuumisolierten Paneelen (VIP) bei beschleunigter Alterung untersucht wurde. Die Autoren verwendeten eine Klimakammer, um VIPs 24 Stunden am Tag und sieben Tage in der Woche zwischen –20 °C und 80 °C und 10 % und 90 % relativer Luftfeuchtigkeit zu zirkulieren. Nach einer Woche wurden die Platten aus der Kammer genommen und die Wärmeleitfähigkeit mit einem Wärmeflussmesser gemäß ISO 8301 gemessen. Obwohl die Ergebnisse dieser Studie keinen direkten Bezug zu dieser Forschung haben, ist die Methodik nützlich und die Forschungsarbeiten sind eine der wenigen, die einen Zusammenhang zwischen Alterung und thermischer Leistung einer transparenten Konstruktion herstellen. Die Arbeit von Schwab et al. [23] und Fantucci et al. [24] untersuchten auch die Auswirkungen der Haltbarkeit auf die thermische Leistung von VIPs und bieten Möglichkeiten zur Erweiterung der Methodik zukünftiger Forschung auf diesem Gebiet.

2.2. Haltbarkeit der Low-E-Beschichtung

Ein weiterer Aspekt der Fensterhaltbarkeit ist der Zustand der Beschichtung mit niedrigem Emissionsgrad (Low-E). Die meisten Low-E-Fenster bestehen aus mindestens einem dünnen, transparenten Metallfilm zwischen dielektrischen Schichten. Die Wahl der dielektrischen Schichten erfolgt zur Optimierung der Haltbarkeit und zum Schutz der Metallschicht. Aufgrund seines hohen Infrarotreflexionsvermögens und seiner geringen Lichtabsorption wird am häufigsten Silber als Metallschicht verwendet [25]. Die Haltbarkeit der Low-E-Beschichtung ist aufgrund des Einflusses des solaren Wärmegewinnkoeffizienten (SHGC) auf die Energieeffizienz des Gebäudes von entscheidender Bedeutung. Wie der U-Faktor führt ein höherer SHGC aufgrund der zusätzlichen Sonneneinstrahlung zu einer erhöhten Wärme im Raum. Diese zusätzliche Übertragung erhöht die Raumbelastung in den Sommermonaten, was zu einem höheren Gerätebedarf und einem insgesamt höheren Energieverbrauch des Gebäudes führt.

Miyazaki und Ando [26] diskutieren die Verbesserung der Haltbarkeit silberbasierter Low-E-Beschichtungen. In ihrer Studie untersuchten sie den Abbau einer Silberschicht, die zwischen zwei Zinkoxidschichten liegt. Der Abbauprozess umfasste einen 144-stündigen Feuchtigkeitstest bei 50 °C und 95 % relativer Luftfeuchtigkeit. Nach diesem Test verwendeten Miyazaki und Ando Elektronenmikroskopie, energiedispersive Röntgenspektroskopie und Röntgenbeugung, um sie mit der neuen Probe zu vergleichen. Sie fanden heraus, dass die Zinkfilme unter höherem Gasdruck eine große innere Spannung aufwiesen, die durch die Zugabe von Aluminium reduziert wurde, wie in Abbildung 13 dargestellt.

Diese beiden Methoden verbesserten auch die Haltbarkeit der gesamten Low-E-Beschichtung. In ähnlicher Weise untersuchte Ross [27] die Auswirkungen der durch Feuchtigkeit verursachten Zersetzung silberbasierter Low-E-Beschichtungen. Ross führte drei Experimente durch, um den Zustand der Filme vor und nach der induzierten Alterung zu vergleichen. Experiment eins bestand aus Low-E-Filmen mit verschiedenen Zinkbarrieren, die vier Tage lang Raumtemperatur und 95 % relativer Luftfeuchtigkeit über einer KCl-Lösung ausgesetzt wurden. Bei den anderen beiden Experimenten wurden Proben vier Tage lang in einer Kammer bei 50 °C und 95 % relativer Luftfeuchtigkeit platziert und entweder mit optischer Mikroskopie oder Transmissionselektronenmikroskopie untersucht, um unterschiedliche Abbaueffekte zu beobachten. Ross fand heraus, dass der durch Feuchtigkeit verursachte Abbau durch eine physikalische Umstrukturierung der Silberschicht und nicht durch eine chemische Reaktion verursacht wird. Ross fand außerdem heraus, dass der Abbau durch Temperatur und Luftfeuchtigkeit gesteuert wird.

Während diese Arbeiten nützliche Methoden für die Alterung von Low-E-Proben liefern, liegt ihr Schwerpunkt eher auf der physikalischen Degradation im kleinen Maßstab als auf den Auswirkungen, die die Degradation auf die gesamten thermischen Leistungsfaktoren von IGUs wie U-Faktor und SHGC haben würde.

2.3. Haltbarkeitstestmethoden

Aufgrund der verschiedenen Umwelteinflüsse einer IGU, die zu Dichtungs- und Low-E-Ausfällen führen können, wie z. B. Wasser/Wasserdampf, Temperaturschwankungen und Arbeitslasten, ist es zwingend erforderlich, Testmethoden zu entwickeln, um die Haltbarkeit als Funktion der Witterung und Witterungseinflüsse zu quantifizieren Altern. Prüf- und Qualitätsstandards wurden in den USA erstmals in den 1980er Jahren für IGUs eingeführt [28]. Seitdem haben mehrere Länder ihre eigenen Standards zur Bewertung der Fensterhaltbarkeit entwickelt. Die Genauigkeit und Eignung vieler dieser Methoden ist jedoch unbekannt [18]. Bei vielen Testmethoden handelt es sich um von der Industrie selbst entwickelte Tests, um den Komfort der Bewohner zu gewährleisten und die Lebensdauer der Fenster zu verlängern, wobei der Schwerpunkt nur auf der thermischen Leistung liegt. Andere Prüfmethoden konzentrieren sich auf ein einzelnes Problem, beispielsweise das Eindringen von Feuchtigkeit in den Gasspalt zwischen den Scheiben, wodurch die synergistische Qualität der Witterungseffekte außer Acht gelassen und der Gesamtzweck der Prüfung beeinträchtigt wird [18].

Die meisten Testmethoden, einschließlich ASTM E 2188, induzieren künstlich die Bewitterung und analysieren den Feuchtigkeitsgehalt von Proben-IGUs, berücksichtigen jedoch nicht die natürliche Exposition. Die Einleitung künstlicher Wettereffekte kann zwar einen guten Eindruck von deren Einfluss auf die Alterung und Haltbarkeit von Fenstern vermitteln, sie reproduziert jedoch die realen Bedingungen nicht vollständig und übersieht bestimmte Auswirkungen. Bei der künstlichen Konditionierung handelt es sich typischerweise um beschleunigte Bewitterungstests mit zyklischem symmetrischem oder asymmetrischem Erhitzen, Abkühlen und Wassersprühen, bei denen die Temperatur der Probe zyklisch von hoch auf niedrig wechselt. Darüber hinaus wird UV-Beleuchtung verwendet, um in bestimmten Teilen des Wärmezyklus eine chemische Zersetzung von Randversiegelungsmaterialien herbeizuführen. Diese Tests und ihre wissenschaftliche Überprüfung sind jedoch umstritten [18] und es gibt wenig Verständnis dafür, wie realistisch sie sind [29]. Aufgrund der Fülle an Methoden mit unterschiedlichen Zielen besteht wenig Einigkeit über die Hauptursachen für das Versagen von Isolierglasfenstern oder den besten Standard zur Quantifizierung der Fensterhaltbarkeit [18].

3.1. Leistungsbewertungsmethoden und Simulationen

Ein Verständnis der thermischen und optischen Leistung ist erforderlich, um die Gesamtauswirkungen von Alterung und Haltbarkeit auf die Lebenserwartung der IGU zu bestimmen. Die Leistung einer IGU kann in drei Hauptkomponenten unterteilt werden: Wärmeleitfähigkeit (U-Faktor), solarer Wärmegewinnkoeffizient (SHGC) und Durchlässigkeit für sichtbares Licht (VLT). U-Faktor und SHGC stellen die thermische Leistung eines Fensters dar, indem sie die leitende bzw. strahlende Wärmeübertragung definieren. Der VLT eines Fensters steht im Zusammenhang mit dem Sehkomfort und ist das Maß für die Menge an sichtbarem Licht, die durch das Glas dringt.

Laborbasierte thermische Leistungsstandards werden verwendet, um zu bestätigen, dass sich IGUs vor der Installation wie vorgesehen verhalten. Ein Standard zur Messung des Fenster-U-Faktors ist ASTM C1199-14. Diese Norm deckt den Prozess und die Kalibrierung ab, die zur Messung der stationären Wärmedurchlässigkeit von Fenstersystemen in einer Laborumgebung erforderlich sind. Abbildung 14 zeigt den für ASTM C1199-14 erforderlichen Testaufbau und verdeutlicht dessen Komplexität und Größe.

ASTM C1199-14 verlangt, dass alle Tests mit einer Standardprobengröße durchgeführt werden und die Ergebnisse für alle anderen Größen extrapoliert werden; Dies behindert die praktische Anwendung der Testmethode, da die Fenstergröße bei jedem Gebäudetyp unterschiedlich ist. Die Norm berücksichtigt keine Wärmebrücken oder Strahlungseffekte, die wichtige Faktoren für die Leistung und Haltbarkeit von Fenstern im Einsatz sind. Aufgrund dieser Nachteile heißt es in der Norm selbst, dass „die erhaltenen Ergebnisse nicht die Leistungen widerspiegeln, die von Feldinstallationen erwartet werden“, was dazu führt, dass Benutzer die Praktikabilität der mit der Norm erzielten Ergebnisse in Frage stellen.

ASTM C518-21 ist eine Standardtestmethode für die stationäre Wärmeübertragung durch flache Plattenproben unter Verwendung eines Wärmedurchflussmessers. Diese Norm kann auf jedes Material angewendet werden, einschließlich Glasproben. Ein stationärer eindimensionaler Wärmefluss durch eine Probe wird durch zwei parallele Platten erzeugt. Das Fouriersche Gesetz der Wärmeleitung wird verwendet, um die Wärmeleitfähigkeit basierend auf den Messungen des Wärmeflusses und der Plattentemperatur zu berechnen. Diese Methode bietet eine schnelle und einfache Möglichkeit, die thermischen Eigenschaften von Fensterproben mithilfe eines Wärmeflussmessers zu messen. Allerdings ist das Prüfgerät typischerweise groß und kann nicht im Feld eingesetzt werden. Abbildung 15 zeigt eine typische Anordnung mit zwei Wärmeflusswandlern und einer Probe.

Simulationstools werden auch zur Schätzung und Bestätigung der thermischen Leistung von Fenstern und IGUs verwendet. Eines der wichtigsten Simulationstools zur Quantifizierung der IGU-Leistung ist WINDOW 7.8. Dies folgt Simulationsmethoden, die in NRFC-Standards abgedeckt sind, und wird für die Branchenzertifizierung verwendet. Es stehen auch fortschrittliche Tools zur Wärmeübertragungssimulation zur Verfügung, beispielsweise solche, die auf Finite-Elemente- und Finite-Differenzen-Methoden basieren. Diese erfordern jedoch oft mehr Annahmen und Eingaben und können in der Regel aufgrund von Rechenaufwand und Kosten keine instabile Langzeitleistung vorhersagen. Simulationen sind praktisch, können jedoch nicht allein zur systematischen Darstellung der Leistung in der realen Welt herangezogen werden.

3.2. Wärmeleistungsmessung vor Ort

Wie im vorherigen Abschnitt erwähnt, finden bestehende Standards in Laborumgebungen statt und verwenden spezifische Stichprobengrößen, die nicht den tatsächlichen Zustand von Fenstern und Gebäudeelementen vor Ort widerspiegeln. Aus diesem Grund wurden zunehmend genaue Messtechniken untersucht, um die Legitimität der Verwendung von Echtzeittechniken vor Ort für eine genauere und repräsentativere thermische Leistung zu ermitteln. Die thermische Charakterisierung von Gebäudekomponenten kann mithilfe verschiedener Methoden bestimmt werden, wie von Soares et al. beschrieben. [30]. Die erste zur Messung des U-Faktors diskutierte Methode ist die Wärmeflussmesser-Methode (HFM), da sie die am weitesten verbreitete Technik ist. Diese Methode ist international als ISO 9869-1 anerkannt, nicht-invasiv und leicht und kann sowohl im Labor als auch vor Ort eingesetzt werden.

Die Messung ist jedoch zeitaufwändig, kalibrierungsabhängig und teuer und berücksichtigt nicht die gesamte Oberfläche des gemessenen Elements. Die Bewertung des U-Faktors nach dieser Methode kann mit der Durchschnittsmethode oder der dynamischen Methode ermittelt werden. Bei der Durchschnittsmethode wird davon ausgegangen, dass der Leitwert bestimmt werden kann, indem die mittlere Dichte der Wärmeflussrate durch die mittlere Temperaturdifferenz über einen ausreichend langen Zeitraum dividiert wird. Bei der dynamischen Methode wird das Bauelement in einem Modell durch seinen Leitwert und mehrere Zeitkonstanten dargestellt, die mithilfe eines bestimmten Satzes von Algorithmen gelöst werden.

Es gibt umfangreiche Literatur zum Vergleich der beiden Methoden, wobei man sich einig ist, dass die dynamische Methode genauer, aber viel intensiver ist als die Durchschnittsmethode. Die nächste besprochene Methode ist die Guarded-Hot-Plate-Methode (GHP). Diese Methode ist genau, erfordert jedoch einen großen und teuren Prüfstand. Als nächstes folgt die Hot-Box-Methode (HB). Der Prüfstand ist wie der GHP zu groß und für Feldmessungen nicht geeignet. Die letzte untersuchte Methode ist die Infrarot-Thermografie (IRT). Diese Methode ist zerstörungsfrei, flexibel, leicht, schnell und berücksichtigt die gesamte Oberfläche des gemessenen Objekts. Die Nachteile dieser Methode sind die hohen Kosten, die steile Lernkurve, die Abhängigkeit vom Wetter und die gemischten Ergebnisse bei der Anwendung auf transparenten Konstruktionen.

3.2.1. Methode des Wärmeflussmessers

Die Wärmeflussmethode ist in ISO 9869-1 beschrieben. Im Gegensatz zu ASTM C518-21 kann diese Methode vor Ort eingesetzt werden und ermöglicht den Einsatz kleiner, tragbarer Prüfgeräte. ISO 9869-1 beschreibt das Verfahren zur Messung des Wärmewiderstands von Bauelementen unter der Annahme stationärer Bedingungen. Das Gerät besteht aus einem Wärmestrommesser und Temperatursensoren. Der Wärmeflussmesser ist typischerweise eine dünne Platte, die den Wärmefluss durch eine Bauprobe misst. Bei den Temperatursensoren handelt es sich in der Regel um Thermoelemente, die sowohl die Oberflächen- als auch die Umgebungstemperatur messen. ISO 9869-1 bietet eine einfache und robuste Methode zur Messung der thermischen Leistung, erfordert jedoch lange Testzeiten, um einen stabilen Zustand zu erreichen, und muss unter idealen Wetterbedingungen durchgeführt werden. Diese Methode wird typischerweise bei undurchsichtigen Konstruktionen eingesetzt und ihre Zuverlässigkeit für den Einsatz an Fenstern wird noch diskutiert.

Eine Studie wurde von greenTEG durchgeführt, um festzustellen, ob ihr gSKIN U-Wert-Kit, das normalerweise für U-Faktor-Messungen undurchsichtiger Gebäudekomponenten verwendet wird, auf Fenster angewendet werden kann [31]. Das gSKIN U-Wert-Kit ergab akzeptable Standardabweichungskriterien (gemäß ISO 9869-1) für Wand-U-Faktor-Messungen von 2,8 % für nach Süden ausgerichtete Wände. Der gleiche Wärmeflussaufbau wie in ISO 9869 beschrieben wurde dann für ein 50 cm x 90 cm großes Fenster auf der Südseite eines Testhauses wiederholt. Der Wärmeflusssensor wurde an der Innenseite des Fensters angebracht, mit zwei Temperatursensoren innen und außen, 3–5 cm von der Fensteroberfläche entfernt. Dieser Aufbau ist in Abbildung 16 dargestellt.

Drei nächtliche Messungen wurden über mehrere Stunden hinweg bei stabilen Wetterbedingungen durchgeführt, um die Auswirkungen von Wind und Sonneneinstrahlung zu neutralisieren, und mit der greenTEG-Software ausgewertet. Diagramme dieser Messungen sind in Abbildung 17 dargestellt.

Die aus den Messungen berechneten Ergebnisse ergaben einen durchschnittlichen U-Faktor von 2,10 W/m2K und eine Standardabweichung von 3,1 %. Der Bereich der U-Wert- und Standardabweichungsergebnisse liegt innerhalb der zulässigen Kriterien gemäß ISO 9869-1. Der Test wurde tagsüber wiederholt, wobei die Ergebnisse aufgrund der Sonneneinstrahlung und der Durchlässigkeit unzuverlässig waren. Aus diesem Grund empfiehlt der Autor, alle Messungen am Abend nach Sonnenuntergang durchzuführen. Diese Arbeit liefert vielversprechende Ergebnisse für eine einfache und präzise Methode zur Messung des Fenster-U-Faktors vor Ort.

Der Test wurde jedoch drei Nächte lang nur für ein Südfenster wiederholt, ohne Angabe von Messintervallen. Um die Genauigkeit sicherzustellen, sollte diese Testmethode über mehrere Nächte mit höherer Auflösung für verschiedene Fenstertypen, -größen und -ausrichtungen wiederholt werden. In diesem Dokument wird auch nicht die Berechnungsmethode für den U-Faktor beschrieben und es wird davon ausgegangen, dass die Durchschnittsmethode gemäß ISO 9869-1 verwendet wird. Dies könnte zu potenziellen Ungenauigkeiten des U-Faktors führen, da keine stationären Bedingungen vorliegen, die durch Wetter wie Wind und Temperaturschwankungen verursacht werden.

Feng et al. [32] entwickelten ein eigenes zugängliches In-situ-Messsystem für Gebäudefenster basierend auf den Grundlagen der Wärmeflussmethode und ISO 9869-1. Feng et al. verwendeten als Messaufbau zwei 3D-gedruckte Objekte aus Acrylnitril-Butadien-Styrol mit bekannten thermischen Eigenschaften, drei Temperatursensoren und einen Datenlogger, wie in Abbildung 18 dargestellt.

Die Thermoelemente in Abbildung 18 messen die Innenlufttemperatur, die Außenlufttemperatur und die Innenoberflächentemperatur. Sie gingen von einem stationären Zustand aus, sodass der Wärmefluss durch das 3D-gedruckte Objekt und das Fenster gleich sein konnte, und vereinfachten die Gleichungen. Auf diese Weise konnten sie den U-Faktor der Glasmitte des Fensters anhand von drei Temperaturen und dem R-Wert des 3D-Objekts abschätzen. Die drei Temperaturen wurden sekündlich von einem Mikrocontroller verarbeitet und über mehrere Stunden am Abend über die Zeit aufgetragen, um Sonneneinstrahlungseffekte zu vermeiden. An einem Doppelglasfenster mit einem Hersteller-U-Faktor von 2,97 W/m2K wurden drei Messungen unter verschiedenen Außenbedingungen durchgeführt.

Die erste Messung erfolgte bei einer Innentemperatur von 24,1 °C und einer Außentemperatur von 6,3 °C. Es dauerte 35 Minuten, bis der stationäre Zustand erreicht war, und der gemessene U-Faktor betrug 3,15 W/m2K, was einem Fehler von 6,1 % im Vergleich zum bekannten Wert entspricht. Die zweite Messung erfolgte bei einer Innentemperatur von 23,7 °C und einer Außentemperatur von 8,4 °C. Es dauerte 35 Minuten, bis der stationäre Zustand erreicht war, und der gemessene U-Faktor betrug 3,26 W/m2K, was einem Fehler von 9,8 % im Vergleich zum bekannten Wert entspricht. Die dritte Messung erfolgte bei einer Innentemperatur von 23,8 °C und einer Außentemperatur von 18,2 °C. Es dauerte 40 Minuten, bis der stationäre Zustand erreicht war, und der gemessene U-Faktor betrug 2,32 W/m2K, was einem Fehler von 21,6 % im Vergleich zum bekannten Wert entspricht. Abbildung 19, Abbildung 20 und Abbildung 21 zeigen die Ergebnisse der einzelnen Messungen.

Feng et al. [32] fanden heraus, dass der gemessene U-Faktor am genauesten ist, wenn zwischen Innen- und Außentemperatur ein Temperaturunterschied von mindestens 15 °C besteht. Dieses Experiment bietet eine kostengünstige und zugängliche HFM-Methode. Es folgt dem Verfahren von ISO 9869-1 und liefert vielversprechende Ergebnisse für die Messung des U-Faktors vor Ort unter optimalen Bedingungen. Es ist zu beachten, dass keine Rahmen-/Wärmebrückeneffekte berücksichtigt werden, was zu vereinfachten Ergebnissen führt.

Ficco et al. [33] stellen ihre Methoden und Ergebnisse zur Bewertung der Leistung verschiedener HFM-Methoden zur Bewertung des Einflusses von Außenbedingungen vor. Ihr Hauptziel besteht darin, die U-Faktor-Ergebnisse der typischen ISO 9869-1-Methode mit In-situ-Ergebnissen zu vergleichen, bei denen Außenbedingungen eine Rolle spielen. Die Autoren gehen zur Vereinfachung der Gleichungen von eindimensionalen und stationären Bedingungen aus und verwenden die HFM-Methode gemäß ISO 9869-1. Sie verwendeten vier verschiedene Wärmeflusssensoren unterschiedlicher Form, Größe und Genauigkeit an sieben verschiedenen Hüllenkomponenten, wobei eine transparente Konstruktion von besonderem Interesse war. Der Test für die Fensterprobe wurde im Winter für vier verschiedene Probendauern durchgeführt: 3 h, 6 h, 9 h und 12 h. Alle Probendauern hatten eine Messfrequenz von 15 Minuten. Diese Messung wurde gemäß ISO 9869 durchgeführt. Die gemessenen U-Faktoren wurden mit bekannten Werten verglichen, die mit den drei unten aufgeführten Methoden ermittelt wurden:

Die Autoren hielten Methode eins für unzuverlässig und strichen sie daher aus ihren Ergebnissen. Ihre Ergebnisse für die Fensterprobe zeigen einen Genauigkeitsbereich für jeden Test und jedes Wärmeflussmessgerät. Sie mittelten die Ergebnisse für jede Probendauer und stellten fest, dass die U-Faktoren für vier verschiedene HFM-Messtechniken 3,19 W/m2K, 3,2 W/m2K, 1,81 W/m2K und 3,16 W/m2K betrugen. Diese werden mit dem bekannten U-Faktor von 3,3 W/m2K verglichen. Ein Box-and-Whisker-Diagramm dieser In-situ-Werte zusammen mit den im Labor gemessenen U2- und U3-Werten und ihren Unsicherheiten ist in Abbildung 22 dargestellt.

Ihre Ergebnisse zeigten, dass leichte Komponenten wie das Fenster im Vergleich zu schweren Komponenten zu geringeren Unsicherheiten und kürzeren Probenahmezeiten führten. Diese Forschung zeigt erneut, dass die Verwendung des HFM in situ vielversprechend ist, empfiehlt jedoch strenge Schätzungen der U-Faktor-Unsicherheit und Nachbearbeitung, um genaue Ergebnisse zu erzielen. Ähnlich wie in der vorherigen Arbeit haben Ficco et al. verwendete die Durchschnittsmethode zur Berechnung des U-Faktors, die weniger genau ist als die dynamische Methode.

Insgesamt zeigt die Literatur, dass die HFM-Methode zur Bestimmung des IGU-U-Faktors unter geeigneten Bedingungen zuverlässig sein kann. Zu diesen Bedingungen gehören unter anderem keine Sonnenwechselwirkungen, niedrige Windgeschwindigkeiten und lange Testzeiten, um den stationären Zustand zu erreichen. Darüber hinaus haben aktuelle Untersuchungen ergeben, dass die dynamische Methode zur Berechnung des U-Faktors genauer ist als die Durchschnittsmethode und eine kürzere Testzeit vor Ort ermöglicht. Die HFM-Methode bietet einen tragbaren und zerstörungsfreien Ansatz zur Bestimmung des IGU und des Fenster-U-Faktors vor Ort.

3.2.2. Infrarot-Methode

Eine weitere vielversprechende Methode zur Messung des Fenster-U-Faktors vor Ort ist die Infrarotmethode. Das Gerät besteht aus einer Infrarotkamera, einem Wärmeübergangskoeffizientensensor, einem ET-Sensor und Thermoelementen. Diese Methode misst die Strahlungsintensität von Bereichen, die mit der Außenluft in Kontakt kommen, anhand der Oberflächentemperatur, des Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten und der Umgebungstemperaturen. Im Vergleich zur Wärmeflussmethode bietet Infrarot eine kürzere Testzeit, mehr Flexibilität beim Messbereich/-ort und weniger Eingriffe in Gebäudekonstruktionen. Die Infrarotmethode wird in ISO 9869-2 für undurchsichtige Hüllenkonstruktionen beschrieben und die Ergebnisse zur Genauigkeit für transparente Konstruktionen sind gemischt.

Ein Beispiel für die Prüfvorrichtung ist in Abbildung 23 dargestellt. ET-Sensoren werden verwendet, um die Umgebungstemperatur der zu messenden Bereiche des Objekts zu messen, und der Wärmeübertragungskoeffizientensensor wird verwendet, um den Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten der zu messenden Oberfläche abzuschätzen gemessen. Thermoelemente dienen zur Messung der Innenlufttemperatur, der Außenlufttemperatur und mindestens einer Oberflächentemperatur. Der Hauptbestandteil des Aufbaus ist die Infrarotkamera, die ein Wärmebild der Oberfläche aufnimmt.

Maroy et al. [34] bewerteten das Potenzial des Einsatzes der Infrarottechnologie (IRT) bei der Bestimmung der thermischen Leistung von IGUs gemäß den ISO 9869-2-Richtlinien. Die Forscher führten zunächst eine Sensitivitätsanalyse durch, um zu verstehen, unter welchen Bedingungen ein stationärer Zustand erreicht werden könnte, basierend auf Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit, klarem Himmel und Temperaturgradienten. Die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse zeigen, dass ein stationärer Zustand unter folgenden Randbedingungen erreicht werden kann: vollständig bewölkter Himmel (oder Nacht) und mindestens 15 °C Temperaturunterschied zwischen Außen- und Innentemperatur. Im nächsten Schritt untersuchten die Autoren die IRT-Messungen und U-Faktor-Berechnungen in einer Laborumgebung und verglichen sie mit dem Wärmewiderstand basierend auf Wärmeflussmessungen und EN673-Methoden.

Die Autoren verwendeten eine beheizte Box, um einen Temperaturunterschied von 20 °C über eine Glasprobe hinweg aufrechtzuerhalten. Die Innenseite wurde schwarz beschichtet, um Reflexionen zu vermeiden, und die Wärmeübertragungskoeffizienten wurden allein auf der Grundlage der Temperaturen bestimmt, da kein Wind vorhanden war. Wärmeflusssensoren und Temperatursensoren wurden in der Box und auf der Oberfläche der Glasprobe platziert, um sie für U-Faktor-Vergleiche mit IRT-Methoden zu verwenden. Die Wärmewiderstandswerte mit der IRT-Methode wurden mit zwei verschiedenen Methoden des konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten (CHTC) berechnet. Die erste Methode verwendete eine auf natürlicher Konvektion basierende Gleichung und unterschätzte den Gesamtwiderstandswert. Die zweite Methode leitete interne CHTC aus dem gemessenen Wärmefluss ab, was zu einer besseren Genauigkeit führte, in situ jedoch oft nicht zugänglich ist.

Als nächstes führten die Autoren vier In-situ-Fälle verschiedener Verglasungsarten durch. Sie fanden heraus, dass die Abweichung zwischen der IRT-Oberflächentemperatur und den Temperatursensoren aufgrund von Spiegelreflexionseffekten vor Ort größer war als im Labor. Die Ergebnisse der In-situ-Fälle weisen auf eine hohe Empfindlichkeit gegenüber den internen und externen Wärmeübertragungskoeffizienten und den Außenlufttemperaturen hin. Abbildung 24 zeigt die Ergebnisse der Widerstandswerte für Fall 3 (Dreifachverglasung mit Argon). Diese Abbildung zeigt die große Variation der gemessenen R-Werte (dargestellt als schwarze, orangefarbene und grüne Quadrate) im Vergleich zu einem bekannten Wert (schwarze Linie).

Maroy et al. [34] kommen zu dem Schluss, dass IRT zwar zur qualitativen Analyse des Isolationszustands verwendet werden kann, jedoch nicht zur Schätzung des tatsächlichen Wärmewiderstands/U-Faktors verwendet werden sollte. Darüber hinaus betonen die Autoren die Bedeutung idealer Bedingungen während der IRT-Inspektion, wie z. B. bewölktes Wetter und mindestens 15 °C Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenbereichen.

Varshney et al. stellte außerdem eine neuartige Technik zur Messung des U-Faktors von Fenstern vor Ort mithilfe von IRT vor [35]. Für ihre Feldmessungen haben Varshney et al. analysierte sowohl Wohn- als auch Gewerbegebäude mit verschiedenen Fenstertypen. Alle Außentemperaturen wurden mit einem IR-Thermometer gemessen, mit Ausnahme der Außentemperaturen der Fensteroberflächen bei mehrstöckigen Gebäuden. Aufgrund der Höhe war der Messwert der IR-Kamera ungenau, daher wurde stattdessen ein an die IR-Kamera angeschlossenes K-Typ-Thermoelement verwendet. U-Faktoren an verschiedenen Stellen an zehn verschiedenen Fenstern wurden mithilfe einer von NFRC bereitgestellten Gleichung als Funktion mehrerer Innen- und Außentemperaturen berechnet. Die Autoren verglichen die U-Faktor-Messungen vor Ort mit denen von Labor-U-Faktor-Messungen, um einen Korrekturfaktor basierend auf der Außentemperatur zu entwickeln. Diese korrigierte U-Faktor-Gleichung wird für alle zukünftigen Messanalysen vor Ort in ihrer Studie verwendet. Die Ergebnisse ihrer Messungen zeigten, dass alle im Labor gemessenen U-Faktoren innerhalb von 10 % der NFRC-Nennwerte lagen.

Dieses Papier verspricht den Einsatz von IRT an Fenstern im Feld; Der Forschung fehlen jedoch bestimmte Informationen zu detaillierten Ergebniswerten, Probenahmezeit, Bedingungen, Fensterausrichtung, Wetter usw.

Park et al. verwendeten ISO 9869-2 als Grundlage für die Bestimmung der Genauigkeit von Infrarot zur Messung des Fenster-U-Faktors [36]. In diesem Artikel haben die Autoren den U-Faktor einer Fensterprobe mithilfe des Leistungsbewertungsstandards KSF 2278, der Wärmeflussmethode und der IR-Methode gemessen. Die IR-Methode wurde für zwei Fälle wiederholt; Fall eins wendet einen Oberflächenkoeffizienten von 9,09 W/m2K gemäß der koreanischen Norm für energiesparendes Design an und Fall zwei wendet einen Oberflächenkoeffizienten von 7,69 W/m2K gemäß ISO 6946 an. Alle Fälle wurden mit KSF 2278 verglichen, um ihre Genauigkeit zu bestimmen. KSF 2278 erfordert ein großes Prüfgerät, das in einer Prüfprobe heiße und kalte Bedingungen erzeugt. Der U-Faktor wird auf der Grundlage der Kammertemperaturen, der zugeführten Kammerwärme, des Oberflächenwärmeübertragungswiderstands und der Probenfläche berechnet.

Die von den Autoren verwendete HFM-Methode bestand aus der Messung der Innen-, Außen- und Oberflächentemperaturen sowie des Wärmeflusses mithilfe eines Wärmeflusssensors und T-Typ-Thermoelementen. An der Glasprobe wurde in der Mitte, an den Ecken und am Rahmen ein Wärmeflusssensor angebracht; Der durchschnittliche U-Faktor wurde auf der Grundlage eines flächengewichteten Durchschnitts jedes gemessenen Werts berechnet. Die Autoren verwendeten auch die Durchschnittsmethode zur Berechnung des U-Werts basierend auf Wärmefluss und Temperatur, nachdem die Probe den stationären Zustand erreicht hatte. Für die IR-Methode wurde ein schwarzer Körper zur Korrektur von Emissionsgrad und Reflexionsgrad erstellt und anschließend die Oberflächentemperatur der tatsächlichen Fensterprobe gemessen. Der U-Faktor wurde basierend auf der gemessenen Oberflächentemperatur und dem Oberflächenkoeffizienten unter Verwendung der oben genannten Fälle eins oder zwei bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die relativen Fehler für HFM, IR-Fall eins und IR-Fall zwei 5,9 %, 3,05 % bzw. 11,81 % betragen. Boxplots dieser Ergebnisse sind in Abbildung 25, Abbildung 26 und Abbildung 27 dargestellt.

Diese Studie bietet vielversprechende Ergebnisse sowohl für HFM als auch für IRT an Windows im Labor, versäumt es jedoch, das Verfahren vor Ort zu wiederholen. Alle Tests wurden in einem Labor unter stabilen Bedingungen durchgeführt, was darauf hindeutet, dass die Ergebnisse bei Durchführung im Freien ungenau sein könnten. Darüber hinaus legt der Unterschied in der Genauigkeit aufgrund der Schätzung des Oberflächenkoeffizienten nahe, dass diese Studie unter bestimmten Bedingungen wiederholt werden muss.

In ähnlicher Weise bewerteten Lu und Memari [37] die Wirksamkeit der Infrarot-Thermografie durch Validierung anhand der Ergebnisse der HFM-Methode. Lu und Memari nutzten das MorningStar-Solarhaus als Gebäude für In-situ-Messungen. Sie begannen mit der Installation von Temperatur-, Feuchtigkeits- und Wärmeflusssensoren, um Ergebnisse nach der HFM-Methode zu erzielen. Die Autoren verglichen die HFM-Ergebnisse mit fünf verschiedenen IRT-Modellen. Der gemessene HFM- oder Baseline-Durchschnitts-R-Wert betrug 1,372 m2K/W. Die Ergebnisse für die Modelle von Garg, Berger, Clark, Bliss und Melchor waren 1,237 m2K/W, 1,014 m2K/W, 1,241 m2K/W, 1,170 m2K/W bzw. 1,110 m2K/W.

Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass alle vorgeschlagenen IRT-Methoden innerhalb eines akzeptablen Fehlerbereichs zur HFM-Methode liegen, wobei Gargs Modell und Clarks Modell am besten abschneiden. Diese Studie bietet detailliertere Informationen zur Himmelstemperatur und zu den Wärmeübertragungskoeffizienten und zeigt ermutigende Ergebnisse für den Einsatz von IRT vor Ort. In diesem Dokument wird jedoch das HFM zur Validierung verwendet, was Anlass zur Sorge gibt, da die HFM-Methodik inhärente Ungenauigkeiten aufweist. Die Ergebnisse sollten auch mit Herstellerbewertungen und/oder standardisierten U-Faktor-Messtechniken validiert werden, um die Ergebnisse weiter zu untermauern.

Die aktuelle Literatur liefert gemischte Ergebnisse zur Genauigkeit der IRT-Methode zur Messung des U-Faktors. Dies ergibt sich aus der Schwierigkeit, Wärmeübergangskoeffizienten zu messen, die eine wichtige Rolle für die thermische Leistung aller Hüllenkomponenten spielen. Die meisten Arbeiten versuchen, die IRT-Methode allein zu validieren; Es fehlt jedoch eine Methodik, die die HFM-Methode mit der IRT-Methode kombiniert.

3.2.3. SHGC-Messmethode

Eine weitere Kennzahl für die thermische Leistung transparenter Gebäudekomponenten ist der solare Wärmegewinnkoeffizient (SHGC). SHGC stellt den Anteil der Sonnenwärme dar, der durch ein Fenster in einen Raum gelangen kann. Der SGHC-Koeffizient erhöht die thermische Belastung des Raums, indem er in den warmen Monaten den Kühlbedarf erhöht, in den kälteren Monaten jedoch den Heizbedarf verringert. Der SHGC kann durch verschiedene Beschichtungen des Fensterglases, wie z. B. Low-E, und durch den Einsatz von Verschattungsgeräten/natürlichen Schattierungen verändert werden.

Marinoski et al. [38] stellten eine Studie über ein verbessertes System zur Messung des solaren Wärmegewinns durch Fenster vor. Ihr Testaufbau bestand aus klarem Glas mit den Maßen 21 cm x 21 cm in einem Prototyp eines Fensterradiometers, bestehend aus Kühlventilatoren, Wärmeflussmessern und einem Trägersystem, wie abgebildet. Ein Foto des tatsächlichen Aufbaus ist in Abbildung 28 dargestellt.

Die Intensität der einfallenden Sonnenstrahlung wurde mit einem globalen Pyranometer gemessen, das auf derselben Ebene wie die Glasprobe platziert war. Der mit dem Radiometer gemessene Solarfaktor wurde berechnet, indem die Wärmeflussdichte durch Wärmeflusssensoren durch die auf die Probe einfallende Sonnenstrahlungsdichte dividiert wurde. Im Haupttest wurden Kalibrierungskonstanten für Wärmeflussmesser entwickelt, um die Ergebnisse der Solarfaktormessung zu verbessern. Die Ergebnisse des kalibrierten Aufbaus zeigen, dass der gemessene Solarfaktor innerhalb einer Abweichung von 5,4 % von den nach ISO 9050 berechneten Referenzwerten lag.

Beim letzten Test wurde anstelle der ursprünglichen Lüfter ein Wasserzirkulationskühlsystem verwendet, um die Kühlung der Wärmeflussmesser zu verbessern. Ergebnisse bei Verwendung eines Wasserzirkulationskühlsystems zeigen, dass der gemessene Solarfaktor innerhalb einer Abweichung von 0,94 % der nach ISO 9050 berechneten Referenzwerte lag. Dieses Papier zeigt vielversprechende Ergebnisse für die genaue Messung des SHGC von Fensterproben im Vergleich zu einem berechneten Referenzwert. Aufgrund der Anforderungen an die Probengröße und der Konfiguration des Prototyps kann der aktuelle Prototyp jedoch nicht an eingebauten Fenstern verwendet werden. Dieses Papier bietet eine gute Einstiegsmethodik, die auf ein neues System angewendet werden kann, das einfacher vor Ort verwendet werden kann.

3.3. Mängel bei der thermischen Leistung

Während Standards und Simulationen zur Bestätigung der installierten Leistung nützlich sind, ist eine In-situ-Leistungsmessung erforderlich, um zu bestimmen, wie sich IGUs im Laufe der Zeit verhalten. Die Messung der thermischen Leistung bestehender IGUs und Fenster vor Ort wird aufgrund von Platzbeschränkungen, Umwelteinflüssen und fehlenden Informationen zu installierten Fenstern noch komplizierter. Aktuelle standardisierte Testmethoden zur Messung der thermischen Leistung von IGUs erfordern große Testgeräte mit spezifischen Probengrößen. Diese bestehenden Testmethoden sind invasiv und können nicht auf bestehende Gebäude angewendet werden, ohne die Gebäudehülle abzureißen.

Es gibt jedoch vielversprechende Methoden zur Messung des U-Faktors vor Ort, darunter tragbare Wärmeflussmessgeräte und die Infrarotmethode. Das gSKIN-Kit von greenTEG verwendet die Wärmeflussmessmethode, die tragbar und einfach zu verwenden ist, jedoch stark von den Außenbedingungen abhängt. Ebenso zeigen die Ergebnisse der Verwendung der IR-Technologie eine Abhängigkeit von Bedingungen wie Temperatur, Sonnenlicht und Wind [31]. Die mit der Wärmefluss- und der IR-Methode durchgeführten Untersuchungen berücksichtigen keine anderen Faktoren wie Standort, Größe oder Alter. Obwohl diese Methoden für die Messung der Leistung im Feld vielversprechend sind und einen guten Ausgangspunkt darstellen, sind weitere Untersuchungen und Verifizierungen erforderlich, um die Legitimität der Messung des U-Faktors vor Ort festzustellen.

Methoden zur Messung von SHGC in situ werden von Marinoski, Güths, Pereira und Lamberts verfolgt [38]. Wie U-Faktor-Messtechniken erfordern diese Methoden ideale Bedingungen und zusätzliche Analysen, um festzustellen, ob die Methoden im Feld zuverlässig sind. Weder U-Faktor- noch SHGC-Messtechniken berücksichtigen die Wechselwirkungen verschiedener Fehlermodi. U-Faktor-Messungen und SHGC-Messungen allein können nicht die Hauptursache für Leistungseinbußen innerhalb einer IGU ermitteln. Es ist notwendig, eine zuverlässige und zugängliche Methode zur Messung der IGU-Leistung vor Ort in Bezug auf die IGU-Haltbarkeit und die Gesamtleistung bestehender Gebäude zu entwickeln.

Obwohl Labortests für die Bestimmung der installierten Leistung und den Vergleich mit anderen Produkten hilfreich sind, sind sie nicht so flexibel und robust wie In-situ-Messungen. Die Haltbarkeit von IGU ist ein Faktor des Alters und der Wetterbedingungen, der im Labor nicht vollständig reproduziert werden kann. Um die Haltbarkeit genau mit der thermischen Leistung in Verbindung zu bringen, sind reale und Echtzeitmessungen erforderlich. Es ist viel schwieriger, eine thermische Charakterisierung von Fenstern bestehender Gebäude durchzuführen, da die Materialeigenschaften oft unbekannt sind [22]. Aus diesem Grund sind auch In-situ-Messmethoden erforderlich, um den U-Faktor zu messen und die Low-E-Beschichtung bestehender Fenster zu beurteilen, um den Nachrüstungsbedarf zu decken. Um den Zusammenhang zwischen Verschlechterung und Leistung besser zu verstehen, ist eine neue Methode erforderlich, die auch Leistungsänderungen aufgrund von Gasverlust und Verschlechterung der Low-E-Beschichtung unterscheiden kann.

Da Fenster die Schwachstelle der Gebäudehülle darstellen, ist ihre Leistung für den Gesamtenergieverbrauch des Gebäudes von größter Bedeutung. Sowohl die Haltbarkeit als auch die thermische Leistung von IGUs können zu erhöhten Belastungen innerhalb eines Raums führen; Diese Effekte wirken sich auf alle Gebäudekomponenten aus und führen letztendlich zu einem erhöhten Energiebedarf und höheren Kosten des Gebäudes.

Bewertungen und Simulationen berücksichtigen nicht die Haltbarkeit von Fenstern oder Alterungseffekte, was zu einer Unterschätzung des jährlichen Gebäudeenergieverbrauchs von bis zu 14 % pro Gebäude führt, basierend auf einem Black-Box-Modell eines typischen Bürogebäudes in Denver, wie in Abbildung 29 dargestellt .

Duan et al. [39] betrachten die Auswirkungen von Kondensation in Low-E-Fenstern auf den Gesamtenergieverbrauch des Gebäudes. Duan et al. weisen darauf hin, dass innere Verglasungsflächen mit zusätzlicher Low-E-Beschichtung kälter sind als solche ohne und die Gefahr von Kondensation erhöht sein kann. Kondensation innerhalb der Scheiben einer IGU führt zu einer verringerten Energieeffizienz und wirkt sich auf alle Geräte im Gebäude aus. Die Autoren dieses Artikels konzentrierten sich auf die Kondensation, da in keiner früheren Studie die Auswirkungen auf das gesamte Gebäude berücksichtigt wurden. Die Autoren erweiterten das filmweise Kondensationsmodell von Nusselt, um ihr eigenes Analysemodell zu validieren.

Anschließend erstellten sie innerhalb von EnergyPlus eine Reihe von Vergleichen zum Energieverbrauch von Gebäuden. Die Autoren stellten fest, dass Low-E-Folien auf Einscheibenfenstern aufgrund von Kondensationseffekten nicht für kältere Klimazonen geeignet sind. Abbildung 30 zeigt den Unterschied in der jährlichen Heizenergieeinsparung mit und ohne Berücksichtigung von Tauwassereffekten bei nachträglich eingebauten Fenstern. Es zeigt sich, dass es bei Berücksichtigung der Kondensation zu Einsparverlusten in den Klimazonen 5–7 kommen kann.

Dieses Papier bietet einen guten Leitfaden zur Energiemodellierungsmethodik und zur Bewertung des Gesamtenergieverbrauchs von Gebäuden aufgrund von Änderungen in den Fensterleistungsmetriken. In diesem Artikel werden die Kondensationseffekte vor Ort jedoch nicht bewertet, sondern es werden lediglich Modelle und numerische Analysen herangezogen.

Yoo et al. [40] haben den U-Faktor verschiedener Fenster gemessen und ihre Auswirkungen auf Energieeinsparungen analysiert, um die Zertifizierungsqualifikation in verschiedenen Regionen Südkoreas zu bestimmen. Sie nutzten eine Kombination aus Labortests und Energiemodellierung, um festzustellen, dass eine Überarbeitung des aktuellen Zertifizierungssystems in Südkorea erforderlich ist. Dieses Papier bietet zwar einen Einblick in das Gesamtbild des Energieverbrauchs und der Bauvorschriften von Gebäuden, berücksichtigt jedoch nicht die Hauptursachen für die Verschlechterung von Fenstern oder anderen Komponenten der Gebäudehülle. Auf individueller Ebene muss noch mehr Arbeit geleistet werden, um festzustellen, wann eine Nachrüstung erforderlich ist, um die Gesamtenergieeffizienz des Gebäudes zu verbessern.

Es gibt umfangreiche Literatur zum Energieverbrauch des gesamten Gebäudes aufgrund verschiedener Änderungen an Gebäudehüllen und Ausstattung. Die meisten Forschungsarbeiten konzentrieren sich jedoch auf die Modellierung großer Veränderungen ohne Analyse vor Ort oder konzentrieren sich auf einzelne Metriken, wie z. B. die Haltbarkeit der IGU. Um die wichtigsten Degradationsparameter besser zu verstehen, ist weitere Arbeit erforderlich, um Messtechniken vor Ort mit der Modellierung des gesamten Gebäudes zu kombinieren. Dieses Verständnis kann zu einer fundierteren Sanierungsanalyse und Optimierung der Leistung bestehender Gebäude führen.

In der bestehenden IGU-Haltbarkeitsforschung und -literatur fehlen Korrelationen zwischen Low-E-Haltbarkeit, Dichtungsversagen und thermischer Leistung. Darüber hinaus gibt es nur wenige Methoden, die standardisierte Bewitterungsverfahren für die Alterung vor Ort vollständig bewerten und bestätigen. Darüber hinaus mangelt es an Validierung innerhalb der aktuellen Bewitterungsstandards, was zu Skepsis führt, ob die Methodik genau das widerspiegelt, was vor Ort geschieht. Darüber hinaus wird dadurch die Fähigkeit beeinträchtigt, die Haltbarkeit im Labor zu bewerten und Beziehungen zwischen anderen IGU-Leistungsparametern zu entwickeln. Was In-situ-Messtechniken betrifft, können bestehende Methoden zur Quantifizierung des U-Faktors genau sein; Allerdings gelingt es diesen Methoden nicht, die IGU-Leistungskomponenten wie Gasfüllung und Low-E-Beschichtungsleistung zu entkoppeln.

Die IR-Ergebnisse sind gemischt und es besteht ein spürbarer Mangel an Forschung zu Low-E-Messgeräten, die vor Ort eingesetzt werden können. Um den Zusammenhang zwischen Verschlechterung und thermischer Leistung besser zu verstehen, ist eine neue Methode erforderlich, die Leistungsänderungen aufgrund von Gasverlust und Verschlechterung der Low-E-Beschichtung unterscheiden kann. Darüber hinaus ist weitere Arbeit erforderlich, um Messtechniken mit der Energieanalyse des gesamten Gebäudes zu kombinieren, um die wichtigsten Degradationsparameter besser zu verstehen. Dieses Verständnis kann zu einer fundierteren Nachrüstungsbewertung, einer optimierten Leistung bestehender Gebäude und verbesserten Energiemodellierungsvorhersagen führen.

Konzeptualisierung: ML-W., ZZ und RCT Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Diese Studie wird teilweise vom BEST Center finanziert, einem kooperativen Forschungszentrum der Industrie, das im Rahmen der US-amerikanischen NSF-Zuschüsse Nr. 213874 und Nr. 2113907 gegründet wurde.

In dieser Studie wurden keine neuen Daten erstellt oder analysiert. Die Datenfreigabe ist auf diesen Artikel nicht anwendbar.

Diese Studie wird teilweise vom BEST Center finanziert, einem kooperativen Forschungszentrum der Industrie, das im Rahmen der US-amerikanischen NSF-Zuschüsse Nr. 213874 und Nr. 2113907 eingerichtet wurde. Die Autoren möchten Marc LaFrance vom US-Energieministerium für seine fortlaufende Unterstützung dieser Arbeit danken . Diese Arbeit wurde teilweise vom National Renewable Energy Laboratory verfasst, das von Alliance for Sustainable Energy, LLC, für das US-Energieministerium (DOE) unter der Vertragsnummer DE-AC36-08GO28308 betrieben wird. Die Finanzierung erfolgte durch das Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Building Technologies Office des US-Energieministeriums. Die in dem Artikel geäußerten Ansichten spiegeln nicht unbedingt die Ansichten des DOE oder der US-Regierung wider. Die US-Regierung behält eine nicht ausschließliche, bezahlte, unwiderrufliche, weltweite Lizenz, die veröffentlichte Form dieses Werks zu veröffentlichen oder zu reproduzieren oder anderen dies zu gestatten, und der Herausgeber erkennt mit der Annahme des Artikels zur Veröffentlichung an, dass die US-Regierung diese behält also für Zwecke der US-Regierung. Diese Forschung wurde im Rahmen einer Ernennung zum Building Technologies Office (BTO) durchgeführt. IBUILD – Graduate Research Fellowship verwaltet vom Oak Ridge Institute for Science and Education (ORISE) und verwaltet vom Oak Ridge National Laboratory (ORNL) für das US-Energieministerium ( DAMHIRSCHKUH). ORISE wird von Oak Ridge Associated Universities (ORAU) verwaltet. Alle in diesem Dokument geäußerten Meinungen sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Richtlinien und Ansichten von DOE, EERE, BTO, ORISE, ORAU oder ORNL wider. ORISE wird von ORAU unter der DOE-Vertragsnummer DESC0014664 verwaltet.

Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.