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U. Pont, E. Heiduk, P. Schober, H. Pichler, F. Dolezal, O. Proskurnina, M. Schuss, C. Sustr, H Hohenstein, A. Mahdavi:
"VIG-SYS-reno Sondierung von Fenstersystemen mit innovativen Gläsern, speziell Vakuum-Isoliergläsern, zur Gebäudesanierung - Berichte auf Energie- und Umweltforschung";
Report for FFG - Programm Stadt der Zukunft / BMVIT; Report No. Endbericht (Veröffentlichbar), 2017; 218 pages.

Starting point/Motivation
To reach a high level of energy efficiency, heat and sun protection of the transparent parts of building envelopes is necessary. During the past decades, insulation glass technology up to triple glazing was developed and widely applied by the building industry. However, the high insulation levels of such glasses usually come with the price of a large thickness and heavy
weight. This results in heavy structural loads for the frame and thus in rather complex and massive constructions. The mentioned issues cause a limited applicability of such glasses for
retrofit purposes (architectural articulation and structural / building construction issues).

Other development efforts in the glazing industry included approaches to construct vacuum (insulation) glazing (VG / VIG). Recently, a China-based company released vacuum glazing
products. This development seems to offer large, industrially manufactured, thin and light weight, highly insulating vacuum glass. The product has the potential for construction of new
window and façade elements (lighter, smaller and thermally insulating).

Contents and Objectives
The purpose of this research project is to explore the potential of application of vacuum glazing. The major objective is to generate a knowledge base for further development of
Window/Glazing systems integrating this technology, especially in the context of existing building envelopes.

Methods
The following approaches were conducted within this research project to reach a preliminary knowledge base about Implementation of vacuum glazing:
. Exploration of availability and overall performance of high-performance glazing products on the global market.
. Exploration of design alternatives under consideration of aspects of structural optimization and building physics. This is done via experiments and deployment of simulations.
. Inquiries toward application of vacuum glazing on existing building and in the general retrofit efforts. Moreover, conduction of a market potential survey.
. Evaluation of the energy-saving potential of the application of vacuum glazing on both single buildings and city quarters.
. Construction of a mock-up window (for experiment and presentation purposes)
. Performing of basic LCA-assessment of vacuum glazing.

Results
One defined objective of the project was to explore and document required knowledge to offer for future building and retrofit efforts a viable alternative / possibility to increase
sustainability. Moreover, the Austrian stakeholders should benefit from "Technology leadership" efforts in this emerging technology field.

The results of this research, especially the built mock-up and the numeric thermal bridge simulations and related calculations of building energy demand (prior/after scenarios),
indicate a high potential of the vacuum glazings. If appropriate building details can be developed within follow-up projects, a broad application of such high-performance-glazings
can be assumed as possible alternative for the building sector.

Prospects / Suggestions for future research
While the basic applicability of vacuum glazing was explored within this basic research, the following research questions should be targeted in the close future:
. How should building details both for retrofit of existing windows and for new constructions be designed, to avoid thermal bridge impact (pane/frame detail) and to utilize the thin
construction width of the vacuum glazings?
. A detailed study about the long-term behavior of vacuum-glazing windows should be conducted. Thereby, the surface temperatures, condensate risk and humidity levels of different construction forms should be explored and evaluated via extensive monitoring
on different windows.
. Different further aspects of the performance of vacuum glazings and windows with implemented vacuum glazings should be explored: This includes, for instance, acoustical and visual performance of such constructions.

Ausgangssituation/Motivation
Ein guter Wärme- und Sonnenschutz ist für die Energieeffizienz von Gebäuden wesentlich. Moderne Wärmeschutzgläser sind bereits heute eine wichtige Komponente der Bestrebungen zur Reduktion des Energieverbrauchs von Gebäuden. Die - aktuell am Markt
verfügbaren - besten Lösungen mit beschichteten Dreifach-Isolier-Gläsern sind jedoch (gewichtsmäßig und optisch) schwer und besitzen darüber hinaus eine sehr große Gesamtstärke. Das bedeutet größere Lasten für die Rahmenkonstruktionen, aber auch
höhere Anforderungen an die Beschlags-Systeme und begrenzt ihre Einsatzmöglichkeit speziell bei der Sanierung des Gebäudebestands. Aus Gründen des Erhalts des baukulturellen Erbes (bis hin zum Denkmalschutz) scheiden solche Lösungen ebenfalls
oftmals aus.

Seit vielen Jahren wird weltweit die Entwicklung von Vakuumgläser (in diesem Report kurz als VG bezeichnet) als neues Produkt vorangetrieben, um eine Alternative zu den genannten
Isoliergläsern zu schaffen. Dabei handelt es sich um zwei Gläser, die umlaufend dicht verbunden sind und deren Zwischenraum evakuiert wird (d.h. luftleer gepumpt wird). Damit
die Scheiben nicht nach innen gewölbt werden müssen kleine Abstandhalter (engl. Pillar) zwischen die beiden Scheiben platziert werden. Bis vor kurzem war die dauerhafte
Aufrechterhaltung des Vakuums ein Problem. Seit einiger Zeit sind nun erstmals großindustriell produzierbare, sehr dünne, leichte, hochwärmedämmende und wirtschaftlich erschwingliche Vakuum(Isolier)gläser (VIG) seitens der Fa. Synergy (Peking) verfügbar (Es gibt inzwischen auch von anderen Herstellern aus dem süd-ost-asiatischem Raum Entwicklungen). Von diesen Gläsern wird angenommen, dass das Vakuum über viele Jahre aufrechterhalten werden kann. Damit wird es möglich Fenster- und Fassadenelemente als Gesamtsysteme neu (leichter, schmäler und trotzdem hoch wärmedämmend) zu konzipieren und - vor allem für die Bestandssanierung - architektonisch adäquate Lösungen anzubieten.
Es fehlt allerdings bis dato an einer entsprechender Wissensbasis hinsichtlich der technologischen Umsetzung und Anpassung vorhandener Systeme an diese neuen Technologien.

Inhalte und Zielsetzungen
Ziel dieser Sondierung war es die Basis für die weitere Entwicklung von dafür angepassten und einsetzbaren Fensterrahmen für neue Fenster/Verglasungssysteme aufbauend auf der
Vakuumglastechnologie zu schaffen. Hierbei wurde eine Analyse aus vielen Gesichtspunkten angestrebt (thermische Performance, hochbau-technisch und konstruktive Performance, Life-Cylce Analyse und Aspekte der breiten Anwendbarkeit).

Methodische Vorgehensweise
Folgende Methoden wurden zur Erstellung einer ersten Wissens- und Erfahrungsbasis mit Vakuum(Isolier)gläsern angewandt:
. Erkundigung des aktuellen Stands der Wissenschaft und Technik, Evaluierung der Verfügbarkeit und der Qualitäten von VG am Weltmarkt.
. Durchführung von bauphysikalischen, bzw. thermo-hygrischen Simulationen, so wie Untersuchung konstruktiver Optimierungskonzepte für Gesamtsysteme
. Studien bezüglich typischer Anwendungen und Ermittlung des Marktpotenzials
. Ermittlung erzielbarer energetischer Einsparpotenziale für Einzelgebäude und Stadtquartiere
. kleinmaßstäbliche Einsatzerprobungen (Mock-Up) und Life-Cycle-Analysis-(LCA)-Berechnungen

Diese Vorgangsweise soll den Einsatz dieser neuen Technologie rasch möglich machen um (i) einerseits die vorgegebenen Energieeffizienz- und Klimaschutzziele deutlich schneller
erreichen zu können und (ii) andererseits österreichischen Unternehmen einen internationalen Wettbewerbsvorteil in diesem rasch entwickelnden Technologiefeld zu verschaffen.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Ein dezidiertes Ziel war die Urbarmachung des Wissens um die genannten Technologien um eine weitere - konstruktiv machbare - Alternative bzw. Möglichkeit zur Erreichung von Klima-und Energie-Effizienzzielen im Bausektor anzubieten, sowie in Anbetracht der
"emerging technology" österreichischen Stakeholdern (Unternehmen, Verwaltung, Bauträgern, etc.) einen Wettbewerbsvorteil in diesem sich rasch entwickelnden Technologiefeld anzubieten. Die Ergebnisse der Sondierung, insbesondere das gebaute Mock-Up-Fenster für Klimaversuche und Präsentationszwecke, die durchgeführten numerischen Wärmebrückensimulationen und gebäudebezogene Impact-Rechnungen, zeigen das
Potential der Vakuumgläser auf. Sollten in Folgeprojekten Detaillösungen für Bestands- und Neubauten entwickelt werden, die den heiklen Übergang zwischen Rahmen und Glas entsprechend in den Griff bekommen, steht einer weit verbreiteten Anwendung dieser Gläser grundsätzlich nichts im Wege.

Ausblick
Während die Grundsatzanwendbarkeit der Vakuumgläser im Zuge dieser Sondierung evaluiert wurde, ergeben sich folgende Forschungsfragen für die Zukunft:
. Wie sollen konstruktive Details sowohl für den Bestand wie auch für den Neubau (d.h. neue Fenster) aussehen, um die Stärke der Vakuumgläser auszuspielen, ohne gleichzeitig problematische Wärmebrücken zu genieren? An dieser Stelle sei auf das
thematisch verbundene Nachfolgeprojekte MOTIVE (Stadt der Zukunft, 3rd Call, FFGProjektnummer: 854690) verwiesen.
. Wie verhalten sich Fenster mit eingebauten Vakuumgläsern im Langzeitversuch. Hierzu sind Oberflächentemperaturen, Feuchtelevels, Kondensations-Neigung und Haltbarkeit
zu beobachten, bzw. Einbauvarianten in mehrlagigen Fenstern (Kastenfenstern) mit unterschiedlichen Anordnungen der Dichtungsebenen an realen Einbausituationen zu
evaluieren. Hierzu wird ein Projekt mit Fokus auf Monitoring zur Langzeitevaluierung angestrebt
. Weitere Aspekte der technischen Performance von Vakuumgläsern und deren Einsatz in Fenstern, wie beispielsweise Schallschutz, sollten mittelfristig ebenfalls angesehen und beforscht werden - selbst wenn kein direkter Bezug zur thermischen Performance
besteht.