Vakuumfenster: Schlanke Lösung für die Energiewende

Teaserbild-Quelle: Martin Gruber-Gschwind
Pilotprojekt mit Vakuumfenster

Vakuumglas-Schiebefenster sind ultradünn und hochisolierend. In Kombination mit weiterentwickelten Bauwänden aus Fertigholzelementen ergeben sich zukunftsweisende integrale Lösungen. Ein Konsortium von fünf Schweizer Unternehmen zeigt anhand eines Pilot- und Demonstrationsprojekts die Möglichkeiten auf, die energetisch und architektonisch überzeugen.

Bei einem Einfamilienhaus in Meilen ZH wurden die schlanken Bauwände aus Fertigholzelementen und die Vakuumglas-Fenster erstmals in einer Nullserie verbaut.
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Martin Gruber-Gschwind

Bei einem Einfamilienhaus in Meilen ZH wurden die schlanken Bauwände aus Fertigholzelementen und die Vakuumglas-Fenster erstmals in einer Nullserie verbaut.

Von Antonio Suárez

Manche innovative Idee entsteht an ungewöhnlichen Orten. In diesem Fall war es das Mühlebodenschulhaus in Therwil. Im Herbst 2015 lernten sich Martin Gruber-Gschwind, der Leiter von Pilotprojekten im Bereich Energie- und Ressourcenschonung beim Gewerbeverband Basel-Stadt war, und Stefan Rogantini, Leiter Konstruktion beim Baselbieter Fenster- und Fassadenbaubetrieb Gerber-Vogt, bei einem Elternabend kennen. Schnell kamen sie ins Fachsimpeln, auch zum Thema dicht schliessende Schiebefenster.

Gruber-Gschwind fand, dass man Schiebefenster auch in Holzrahmen fertigen müsse, damit diese im Markt breiteren Anklang finden. Nach einem Austausch in Architektenkreisen stellte sich heraus, dass tatsächlich ein Bedarf dafür vorhanden ist. Und weil Gruber-Gschwind innovative Energiesparprojekte beim Gewerbeverband vorantrieb, reichte er gemeinsam mit Gerber-Vogt eine erste informelle Förderanfrage an das Bundesamt für Energie ein.

In der Folge das Projekt «Entwicklung hochisolierender Fenstersysteme mit Vakuumgläsern und ultraschlanke opake Fassadenteile» ins Rollen (siehe «Zum Projekt» unten). Das Bundesamt erachtete das Projekt als sehr interessant und regte an, die Fenstersysteme mit Vakuumgläsern zu kombinieren, um sie hochisolierend zu machen. In der Folge stiess die GlassX AG als weiteres Mitglied zum KMU-Projektteam.

Dünne und leichte Vakuumfenster

Vakuumgläser verfügen über drei vorteilhafte Eigenschaften: Sie sind dünn, leicht und isolieren sehr gut. Erreicht ein Dreifachisolierglas Tiefenmasse von 35 bis 50 Millimeter, reduziert sich die Elementdicke eines Vakuumglases auf gerade einmal zehn bis zwölf Millimeter. Auch die Isoliereigenschaften lassen sich sehen, denn die asiatischen Hersteller sind bereits imstande, Fenstergläser mit einem Wärmedurchgangskoeffizienten von nur 0,4 W/m2K zu liefern.

Trotz ihres hohen Energiesparpotenzials sind sie jedoch in Zentraleuropa kaum verbreitet. Sie werden vorwiegend in China und Taiwan hergestellt, wo auch der Hauptabsatzmarkt liegt. Das KMU-Projekt wird wissenschaftlich begleitet.

Bei Messungen im Labor ermittelten die Spezialisten für Fenster- und Fassadentechnik beim verwendeten Vakuumglasfenster U-Werte von 0,46 bis 0,6 W/m2K. Die guten Isoliereigenschaften sind natürlich auf das Vakuum zurückzuführen. Denn der luftleere Hohlraum unterbricht die Wärmekonvektion. Doch so gut Vakuum den Transport von Wärme unterbindet, hat es auch Nachteile für die Konstruktion.

So müssen die Innen- und Aussenscheibe mit vielen winzigen Glasbrücken verbunden werden, da sie ansonsten unter dem Luftdruck bersten würden. Nachteilig bei diesen Distanzhaltern ist allerdings ihre Wirkung auf das Erscheinungsbild. So kann man bei näherer Betrachtung der Scheibe kleine Pünktchen ausmachen. Dieser vermeintliche Nachteil bildet jedoch für die praktische Anwendbarkeit kein Hindernis, wie Gruber-Gschwind anschaulich betont. «Man sieht sie nicht, weil man ja nicht auf die Scheibe, sondern durch sie hindurch schaut.»

Projekterweiterung

An diesem Punkt erweiterte sich das Projekt um eine zweite Komponente. Der Input kam von Dietrich Schwarz, Professor für nachhaltiges Bauen an der Universität Liechtenstein und Inhaber der GlassX AG, der sich für sein Bauprojekt in Meilen mit Vakuumfenstern nicht zufriedengab. «Er meinte: Wenn schon schlanke und leichte Fenster, dann möchte er auch schlanke Wände, die ebenso hochisolierend sind, und zwar im Fertigbausystem, damit man sie quasi an den Betonkern ansetzen kann», erinnert sich Gruber-Gschwind.

Schlanke Holzwände erfordern ebenso dünnes wie hochisolierendes Material. Aerogel ist derzeit einer der leistungsfähigsten Dämmstoffe. Als Aussendämmung wird im Holzelementbau üblicherweise Glas- oder Steinwolle eingesetzt, die in einen zirka 25 bis 30 Zentimeter tiefen Rahmen gelegt und mit einer Deckplatte abgeschlossen wird.

Bei Verwendung von Aerogelmatten wird die Elementdicke zwar auf 10 Zentimeter reduziert, doch erfordert dies eine Neukonzipierung des Wandelement-und Holzständerbaus. Und gefragt war hier Andreas Keller, Leiter der Engineering-Abteilung bei der Renggli AG. «Mit Aerogel konnten wir die Wände auf 100 Millimeter Dämmstärke reduzieren. Dies ist nach unserem Gutdünken der tiefste Wert, den man mit aktuell erhältlichen Dämmmaterialien hinkriegt», sagt der gelernte Zimmermann.

Kleben statt schrauben

«Der Knackpunkt war, dass bei einer so dünnen Bauweise jedes benötigte Bauteil viel mehr ins Gewicht fällt.» Aus diesem Grund können traditionelle Elemente der Holzständerbauweise nicht verwendet werden, weil sie bei so dünnen Wänden als Wärmebrücken bilden, ergänzt er.

Andreas Keller suchte nach Lösungen. Dabei stellte sich heraus, dass man nicht mit dem klassischen Rahmen arbeiten kann. Ausserdem kann man das Aerogel weder in die Konstruktion hineinkleben noch hineinschrauben. «Und dann kam er auf eine Idee, die so simpel wie genial ist», erinnert sich Gruber-Gschwind. «Wir klemmen das Aerogel dazwischen wie in einer Cremeschnitte. »

In einem Sandwichsystem wird folglich die Aerogelmatte zwischen zwei tragende Platten geklemmt. Damit Grund- und Deckplatte halten, haben Andreas Keller und sein Team passgenaue Kerben gefräst. «In der herkömmlichen Bauweise werden die Wände innen und aussen mit einer Platte beplankt. Bei unseren ultraschlanken Wänden haben wir stattdessen eine V-Nut realisiert. Wir haben in die Platte hineingefräst, und zwar genau dort, wo die Ständer hinkommen. Und den Ständern haben wir das gegenteilige Profil verpasst. So kann man das ineinanderstecken und verkleben und es hält ohne mechanische Verbindungsmittel. Es ist vergleichbar mit einem Legosystem. Man sieht der Platte an, wo welcher Ständer hinkommt, kann sie einklicken und verkleben. Und mit Pressdruck hält das dann von alleine», so der Holzbauingenieur.

Mitarbeiter der Renggli AG setzen Leichtbauwände im Schötzer Werk zusammen. Die ultradünnen Wandelemente sind nur halb so dick wie herkömmliche Wände bei mindestens gleich guter Isolation.
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Martin Gruber-Gschwind

Mitarbeiter der Renggli AG setzen Leichtbauwände im Schötzer Werk zusammen. Die ultradünnen Wandelemente sind nur halb so dick wie herkömmliche Wände bei mindestens gleich guter Isolation.

Letzte Hürden auf Zielgeraden

Bevor die Neuentwicklungen marktreif sind, muss das Konsortium noch einige Hürden überwinden. Keller rechnet mit einem ersten Prototyp auf Ende Jahr. Sein Ziel ist, dass in ein bis zwei Jahren die ultraschlanken opaken Wände Serienreife erlangen. Damit dies gelingt, braucht es noch Preisoptimierungen beim Dämmstoff. Aerogel ist relativ teuer. Wenn man im Markt bestehen will, ist das natürlich ein Problem.

Deshalb geht kein Weg an einer günstigeren Alternative vorbei. Intensiv an der Entwicklung eines neuen Produkts arbeitet die Agitec AG. Deren Verwaltungsrat Sebastian von Stauffenberg ist überzeugt, dass sich der neue ressourcensparende Dämmstoff im Neubaubereich durchsetzen wird. Sollte es mit dem neuen Dämmprodukt funktionieren, wäre dies «ein Meilenstein», hält Keller fest.

Auch bei den Vakuumfenstern gibt es noch ein Kostenproblem. Da solche Gläser derzeit nur in Asien gefertigt werden, fallen  hohe Transportkosten an, was sie zweieinhalb bis dreimal so teurer macht. Michael Gerber von der Gerber-Vogt AG weiss aus Erfahrung, dass moderne Bauherren bereit sind, für Innovationen einen Mehrpreis zu zahlen – allerdings nicht mehr als fünf Prozent.

Er ist deshalb skeptisch. Doch auch hier ist bereits eine Lösung in Sicht. Der japanische Herstellerkonzern AGC Interpane hat in Belgien ein Werk gebaut und fährt zurzeit die Produktionsstrasse ein. Spielt sich die Produktion ein, könnten sich die Lieferfristen von drei Monaten auf sechs Wochen reduzieren, was matchentscheidend sein dürfte.

Damit ist es allerdings noch nicht getan. Schwierigkeiten bereitet den Fensterbauern auch der Einbau. Wie Gerber anmerkt, brauchen Vakuumgläser eine eigene Einbausituation. Da sie im Gegensatz zu herkömmlichen Dreifachgläsern nicht mit Kunststoff, sondern mit einer Glasfritte verbunden werden, wird die Wärme im Randbereich besser geleitet. Daraus ergeben sich Konsequenzen für den Glaseinstand.

Die Gläser müssen folglich tiefer in den Rahmen eingebaut werden. Und das wiederum hat Folgen für die Rädchen und Rollen, die verkleinert werden müssen, damit sie im schlankeren Rahmen Platz haben. Doch auch hier ergeben sich bauphysikalisch neue Probleme. Denn je grösser die Glasflächen sind, umso dicker müssen sie sein, damit sie den vorgegebenen Windlasten widerstehen. Weitere Einschränkungen bei der technischen Anwendung sieht Gerber auch beim Schallschutz und der Absturzsicherung.

Automatisierung als Chance

Trotz der technischen Hürden und Einschränkungen versprühen die Projektbeteiligten grosse Zuversicht, wenn es um die Anwendungsfelder geht. «Das Ziel ist, relativ grossflächige Flügel herzustellen, die beim Öffnen nicht in den Raum hineingreifen, sondern in der Fensterebene bleiben», umschreibt Fensterbauer Gerber die Vorzüge des Schiebefenstersystems.

Die primären Anwendungsfelder sieht er in Zweckbauten wie Schulhäusern, Bibliotheken, Spitälern oder Altersheimen. Überall dort also, wo Fensterflügel etwa wegen der Möblierung oder den Fensterbänken den Gebäudenutzern in die Quere kommen. Im Gegensatz zu Drehkippfenstern kommt bei Schiebefenstern ein entscheidender Vorteil hinzu: Sie lassen sich nämlich einfacher automatisieren. Wenn Senioren in einem Altersheim etwa nur ein Knöpfchen drücken müssten, um ein Fenster zu öffnen, sei dies natürlich viel bequemer, bemerkt Gerber, der nicht vergisst, den Aspekt der Nachtauskühlung im Sommer zu erwähnen.

In Zeiten, in denen viele Leute die Komfortlüftung zunehmend als unangenehm empfänden, sei eine solche automatisierte Lösung umso wertvoller, ist auch Gruber-Gschwind überzeugt. Das automatische Öffnen und Schliessen der Schiebefenster würde auch das notorische Problem des unkontrollierbaren Nutzerverhaltens lösen, ist sich der Basler Umweltfachmann sicher. Soll es mit der Automatisierung klappen, muss nur noch der Motor für die Schiebemechanik miniaturisiert werden. Gespräche mit Zulieferern würden derzeit geführt.

Im Zeichen der Innenverdichtung

Obschon der Vorfertigungsgrad noch nicht so hoch ist wie in der herkömmlichen Produktion, zeigt sich Andreas Keller optimistisch, was die Marktchancen der ultradünnen opaken Wände betrifft. Gefragt nach den Potenzialen der Neuentwicklung, sagt er: «Bei den steigenden Landpreisen zählt im urbanen Bereich jeder Quadratmeter. Die Dicke der Wände ist ausschlaggebend und bedeutet bares Geld. Wenn wir es schaffen, auch noch eine Dämmung einzusetzen, die preiswerter ist, dann sehe ich durchaus ein grosses Potenzial.»

Ein sofort umsetzbares Anwendungsfeld für die Vakuumgläser sieht Fensterbauer Gerber bei der denkmalschutzgerechten Sanierung von historischen Fenstern. Dieselbe Meinung teilt Gruber-Gschwind, der den energetischen Gewinn herausstreicht. Auch er führt bei der Einschätzung der Marktchancen das Argument der Innenstadtverdichtung ins Feld: «Ich glaube, dass grosse Fenster in Form liegender Rechtecke als Schiebefenster eine grosse Zukunft vor sich haben, gerade im verdichteten Bauen.»

In Tests wird die Widerstandsfähigkeit des Vakuumfensters gemessen.
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Martin Gruber-Gschwind

In Tests wird die Widerstandsfähigkeit des Vakuumfensters gemessen.

Steiniger Weg bis zum Markteintritt

Derselben Auffassung ist Michael Gerber. Jetzt müsse man dem Markt nur noch beibringen, auf solche Schiebefenstersysteme zu setzen. «Wir kriegen oft vorgelegt, was die Architekten längst erarbeitet haben. Deshalb muss man ihnen vor der Planung aufzeigen können, was alles möglich wäre.» Und das kann für ein KMU teuer werden. Denn, so Gerber weiter: «Viel teurer als ein Produkt zu entwickeln, ist es, ein Produkt im Markt zu etablieren.»

Gerade den heimischen Markt empfindet der Bauingenieur als schwierig, wenn es um die Offenheit gegenüber neuen Produkten geht: «Schweizer Bauherren sind schon sehr konservativ und fragen in der Regel nach Referenzobjekten», sagt er. «Auf einmal liegt dann der Fokus nur noch auf den Nachteilen, die Vorteile bleiben ungenutzt. Und für einen solchen Fall eine Marketingmaschine in Gang zu setzen, kann man als KMU kaum finanzieren.» Der Weg bleibt also steinig. Ob sich die neuen Produkte durchsetzen, werden die nächsten Jahre zeigen.

Zum Projekt

Das Pilotprojekt «Entwicklung hochisolierender Fenstersysteme mit Vakuumgläsern und ultraschlanke opake Fassadenteile» (2016–2020) wird innerhalb des Rahmenprojekts «Energieimpulse Region Basel» des Gewerbeverbands Basel-Stadt und vom Bundesamt für Energie mit einer Fördersumme von 1,1 Millionen Franken unterstützt. Beteiligt ist ein Konsortium von fünf mittelständischen Unternehmen. Wissenschaftlich begleitet wird das Projekt von der Berner Fachhochschule Institut Holzbau, Tragwerke und Architektur IHTA. Projekteignerin ist das Fenster- und Fassadenbauunternehmen Gerber-Vogt AG in Allschwil.

Beteiligte Projektpartner:

  • Gerber-Vogt AG (Fensterbau)
  • GlassX AG (Vakuumglas)
  • Dietrich Schwarz Architekten AG (Nullserie)
  • Renggli AG (Holzelementbau)
  • Agitec AG (Dämmung)
  • Berner Fachhochschule Institut für Holzbau, Tragwerke und Architektur IHTA (wissenschaftliche Begleitung)
  • Martin Gruber-Gschwind, im Auftrag des Gewerbeverbandes Basel-Stadt (Koordination)