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M. Wölzl:
"Fensterkonstruktionen mit Vakuumglas: Simulationsbasierte Weiterentwicklung von innovativen Fensterkonstruktionen";
Supervisor: U. Pont, A. Mahdavi; Institut für Architekturwissenschaften, Abteilung Bauphysik und Bauökologie, 2019; final examination: 2019-10-23.

This master thesis focuses on a current topic in the domain of high performance building envelope constructions. In particular, the contribution deals with the construction, thermal performance and optimization of highly insulating windows utilizing vacuum glass as an integral component.

The term Vacuum glazing is understood as two parallel glass panes that have a small interstitial gap that is evacuated. The system encompasses a vacuum-tight edge seal as well as a grid of pillars that help to maintain both the vacuum and the parallel location of the glass panes. As such, such glazing systems are highly insulating, due to the minimization of convective and conductive heat transfer processes.

Vacuum glass with its characteristics (small glass profiles, low weight, highly insulating) offers a set of opportunities for the A-E-C (architecture-engineering-construction) domain: On the one hand, transparent constructions can be envisioned that feature the thermal insulation that can be regularly realized only with opaque elements. However, currently there are no vacuum-glass equipped transparent building constructions offered on the broad market. On the other hand, the vacuum glass can encourage to fundamentally overthink the existing practice of window construction. Rather, new windows might be constructed based on the characteristics of vacuum glass.

This contribution has been written in the framework of the thirdparty funded research and development project "FIVA - Fensterprototypen mit integriertem Vakuumglas", which currently is conducted at the TU Wien, Vienna Austria. In the project, the Department of Building Physics and Building Ecology collaborates with the Austrian Forest Products Research Society (Holzforschung Austria) and major stakeholders from the window constructing industry and related industries. The major target of this project is the development of new, vacuum-glass equipped windows, which consider aspects such as construction materials and principles and the thermal performance of windows. To examine different aspects, state-of-the-art technology, such as thermal bridge simulation, has been applied.

The numeric thermal bridge simulations form the major content of this master thesis. The simulations have been deployed to continuously and iteratively develop a set of vacuum-window constructions. The simulation showed strengths and weaknesses of the different constructions and provided guidance for the further development. As such, the content of this work can be considered to be a contribution toward technical progress in this area.

Diese Masterthese befasst sich mit einem aktuellen Thema in der Domäne Hochleistungsgebäudehüllen, nämlich mit der Konstruktion und Optimierung von hochwärmedämmenden Vakuumglasfenstern.

Unter Vakuumglas versteht man landläufig zwei plan parrallel angeordnete Glasscheiben mit einem (hoch-)evakuierten, sehr schmalen Zwischenraum. Entlang des Randes gibt es einen dichten Randverbund um das Vakuum aufrecht zu erhalten und im Scheibenzwischenraum ein Raster an Abstandhaltern, welche verhindern, dass die beiden Glasscheiben durch den atmosphärischen Luftdruck zusammengedrückt werden. Da das Vakuum die Wärmetransportmechanismen Wärmeleitung und Wärmekonvektion weitestgehend eliminiert, sind solche Gläser auch bereits bei sehr dünnem Querschnitt hochwärmedämmend.

Der Baustoff Vakuumglas mit seinen spezifischen Eigenschaften (schlanke Querschnitte und geringes Gewicht bei sehr niedrigen Ug-Werten) bietet auf der einen Seite die Möglichkeit transparente Fassadenelemente auszuführen, die ähnlich gute Dämmwerte aufweisen wie opake Aussenwände. Im Moment sind am Markt noch keine modernen Fensterkonstruktionen mit Vakuumglas erhältlich, was der Neuheit des Baustoffes entspricht (zumindest, wenn man von dauerhaft haltbarem Vakuumglas spricht). Auf der anderen Seite bietet der Baustoff die Möglichkeit die Baukonstruktion Fenster komplett neu zu überdenken.

Im Rahmen des Drittmittel- Forschungsprojekt "FIVA - Fensterprototypen mit integriertem Vakuumglas", dass an der TU Wien gemeinsam mit der Holzforschung Austria und namhaften Unternehmen aus der Fensterindustrie und der Zulieferindustrie durchgeführt wird, entstand diese Arbeit. Das Projekt hat zum Ziel neue, innovative Fensterkonstruktionen zu entwickeln und diese für die Implementierung von Vakuumglas zu optimieren. Dabei werden verschiedene Fensterkonzepte iterativ unter Berücksichtigung verschiedenster wesentlicher Aspekte wie Baustoffe, Konstruktionsprinzipien und simulations-gestützter Performance-Analyse weiterentwickelt.

Den Kern dieser Arbeit bilden numerische Wärmenbrückensimulationen, die die Konstruktionsentwicklungen von vier Fensterkonzepten maßgeblich beeinflusst und weitergebracht haben. Diese Simulationen machten nicht nur notwendige Veränderungen der technischen Konzeption der Fenster sichtbar, sondern zeigten auch prinzipielle Designparameter für den Einbau von Vakuumgläsern in Rahmenprofile. Als solches kann diese Arbeit als Dokumentation vieler Entwicklungsschritte in diesem Forschungsprojekt verstanden werden.

Vakuumglas, Fensterkonstruktion, thermische Gebäudesimulation, numerische Wärmebrückensimulation,Vacuum glazing, window construction, thermal building performance simulation, numeric thermal bridge simulation.