Vakuumdämmung - BINE Information Service

BINE
Informationsdienst
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Bis zu zehnmal bessere Dämmwirkung
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Dämmsysteme für Kühltransporte
werden bereits produziert
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Dämmplatten für den Gebäudewärmeschutz
in Erprobung
Schaltbare Dämmpaneelen zur passiven
Solarnutzung werden entwickelt
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Abb 1
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Vakuumdämmung
Befahrbarer Kühlraum mit Edelstahl-Vakuumbodenpaneelen.
Durch die niedrige Bodendicke ist die Laderampe bei
gleichem Anstiegswinkel rund fünfmal kürzer. (Foto: Thyssen)
V
akuumgedämmte Isolationspaneele (VIP) könnten sich
Jede zusätzliche Wärmedämmung reduziert das Ladevolumen. Nicht
zukünftig weite Einsatzbereiche im Bau- und Logis-
zuletzt lassen sich auch Komfortsteigerungen bei Reisezügen, Wohn-
tikbereich erobern. Sie erzielen mit einer fünf- bis zehn-
wagen und Flugzeugen erreichen.
mal geringeren Dämmstärke die gleiche Dämmwirkung wie kon-
Vakuumdämmungen wurden bislang in der Kryotechnik wie auch im
ventionelle Dämmstoffe, eine Eigenschaft, die über Jahrzehnte er-
kommerziellen Kühl- und Gefriergerätebau eingesetzt. Die dabei ver-
halten bleibt.
wendeten Materialien sind jedoch für die Logistik- bzw. Baubranche
Niedrigenergie- bzw. Passivhäuser, die mit konventionellen Materia-
zu teuer und kurzlebig. Mit Unterstützung des Bundesministeriums
lien isoliert werden, benötigen Dämmstärken von 20 bis 40 cm. Der
für Wirtschaft und Technologie und des Bayerischen Wirtschaftsmi-
Einsatz von Vakuumdämmungen kann den Gestaltungsspielraum
nisteriums wurden sowohl die Grundlagen als auch marktnahe An-
des Architekten bei Wand- und Dachkonstruktionen deutlich erwei-
wendungen von Vakuumdämmung in verschiedenen Forschungs-
tern. Die zusätzliche nutzbare Fläche wertet kleine oder problema-
vorhaben untersucht. Im Rahmen der Arbeiten wurden vielseitig
tisch geschnittene Grundstücke auf. Bei Altbauten ist es oft nicht
einsetzbare mechanisch belastbare Vakuumdämmmodule ent-
möglich - z. B. bei Grenzbebauung – konventionelle Dämmstoffe in
wickelt. In einem zweiten, noch laufenden Projekt wird ein schalt-
der erforderlichen Dicke aufzubringen.
bares wärmedämmendes Fassadenelement entwickelt, das sich bei
Auch in der Logistik werden hocheffiziente Dämmstoffe benötigt.
Bedarf auch zur passiven Solarwärmenutzung eignet. Im Folgenden
Beim Transport temperaturempfindlicher Güter etwa in Lastkraft-
werden Projektergebnisse vorgestellt und darüber hinaus VIP- Ein-
wagen sind den Außenmaßen der Transportbehälter Grenzen gesetzt.
satzmöglichkeiten im Baubereich skizziert.
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Vakuumdämmung
Abb 2 Materialkombinationen für verschiedene Einsatzgebiete von Vakuumdämmungen
Mechanisch
Schaltbares VIP Folien-VIP zur
Folien-VIP
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Wärmeleitfähigkeit in mW/m k
belastbare VIP
Gebäudedämmung in der Logistik
Die Wirkung konventioneller Dämmstoffe (Glasfaser, Schaumstoffe, Mineralwolle) beruht
Gasdichte
Edelstahlblech
Edelstahlblech
PE-Al-PET-Verbundfolie, PE-Al-PETwesentlich auf makroskopischen oder mikroskoUmhüllung
Verbundfolie,
pischen Hohlräumen, welche luft- oder treibgasMetallisierte
Metallisierte
gefüllt sind. Die Wärmedämmeigenschaften
Hochbarrierefolie
Hochbarrierefolie
dieser Dämmmaterialien ändern sich bei EvakuDämmkern
Mikroporöse
Glasfaser
Mikroporöse Kieselsäure Mikroporöse
ierung sehr unterschiedlich (Abb. 3 u. 4). Auch
Kieselsäure,
Kieselsäure,
ohne Vakuum haben sehr feinporige Materialien
Polystyrol-Schaum,
Polystyrol-Schaum,
wie Aerogele oder pyrogene Kieselsäure sehr gute
offenzellige
offenzellige
Dämmeigenschaften. Um die Beiträge des Gases
PolyurethanPolyurethanschäume
schäume
zur Gesamtwärmeleitung auszuschließen, muss
der Gasdruck lediglich auf
Abb 3 Wärmeleitfähigkeiten (WLF) von DämmAbb 4 Wärmeleitfähigkeit (WLF) von Dämmstoffen
50 mbar reduziert werden. Bei
materialien im belüfteten Zustand im
in Abhängigkeit vom Gas- (bzw. Luft-) druck
Schäumen und Glasfasern ist ein
Vergleich zur Vakuumdämmung
80
„Vakuum“ kleiner 1 mbar erfor40
Aerogel
derlich.
35
Kieselgur
WLF λ
60
30
Anwendungsspezifisch wurden
Kieselsäure
W
25
verschiedene
Vakuum-Isolier10-3
Perlite
40
m K 20
Paneele (VIP) entwickelt, in denen
Glasfaser
15
unterschiedliche Materialkombi20
10
nationen zum Einsatz kommen,
5
0
0
wobei Materialgewicht, Kosten,
0,01
0,1
1
10
100
1000
geblähter
mikroporöse evakuierte
Stein,
Haltbarkeit und Dämmwirkung
Glaswolle, PU-Schaum Kieselsäure, Dämmungen
Druck in mbar
Aerogel
Styropor
einige Auswahlkriterien darstellen (siehe Übersicht Abb 2). Kieselsäure z.B. hat den Vorteil, dass sie nicht brenntemperaturbereich. Um die Langzeitstabilität des
bar ist. Schaumstoffe gasen aus, wodurch
Vakuums zu verbessern, werden den DämmkernVakuum und Dämmwirkung beeinträchtigt wermaterialien gasabsorbierende Stoffe (sog. Getter)
den. Ihr Einsatz beschränkt sich auf den Niederzugesetzt.
Folienumhüllte Vakuumdämmplatten
Materialeigenschaften
Folienumhüllte Dämmplatten eignen sich
für viele Zwecke bei der Gebäudedämmung
oder für Transportboxen. Der Kern besteht
in der Regel aus mikroporösen Materialien,
der von einer gasdicht verschweißten Folie
umhüllt ist. In Aufbau und Aussehen ähnelt
ein Folien-VIP somit vakuumverpacktem
Kaffeepulver.
Als Umhüllung wird preiswerte Aluminiumverbundfolie (PE // 6-10µm Aluminium //
PET) oder „metallisierte Hochbarrierefolie“
verwendet. Die Hochbarrierefolie ist ein
dünn mit Aluminium bedampfter Kunststoffverbund, bei dem sich die Wärmebrücken an den Stoßkanten - verglichen mit
Al-Verbundfolie - bedeutend verringern. Eine zweischichtige, gegeneinander versetzte
VIP-Verlegung ist dann nicht notwendig.
Abb 5 „Seam“ – Technologie (engl. Kante,
Fuge) ermöglicht die Minimierung
von Wärmebrücken
(Foto Fa. va-Q-tec)
Aluminium verbessert die Gasdichtigkeit
von Kunststofffolien. Dennoch diffundiert
auch durch eine intakte Hochbarrierefolie
geringfügig Luft und Wasserdampf ins
Paneel, so dass ein jährlicher Druckanstieg
von bis zu 1 - 2 mbar zu erwarten ist. Wird
jedoch mikroporöse Kieselsäure als Dämmkern verwendet, so hat die Verschlechterung des Vakuums kaum Einfluss auf dessen
Isolierleistungen. Denn verglichen mit anderen Stoffen steigt deren Wärmeleitfähigkeit nur sehr langsam mit zunehmendem
Innendruck an; erst bei 100 mbar verdoppelt sie sich (s. Abb 4). Selbst im Schadensfall, wenn der Dämmkern Atmosphärendruck ausgesetzt ist, ist die Dämmwirkung
immer noch besser als bei konventionellen
Stoffen.
Mikroporöse Kieselsäure unterliegt außerdem keiner merklichen Materialalterung,
stellt geringe Ansprüche an den notwendigen Evakuierdruck (s. Abb 4) und ist hitzebeständig. Aufgrund Lebensdauer sind VIPDämmkerne aus Kieselsäurematerial
Abb 6 U-Werte bezogen auf Wand mit
Wärmewiderstand von 0,5 m2K/W.
Der Rechenwert für die Wärmeleitfähigkeit der Vakuumdämmung
beträgt 0,006 W/mK.
VIP-Dicke U-Wert (VIP intakt) U-Wert (VIP belüftet)
[W/ m2 K]
[cm]
[W/ m2 K]
2
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4
0,14
6
0,1
0,4
0,29
8
0,072
0,22
deshalb im Baubereich bislang das Mittel
der Wahl, zumal das Materialgewicht hier
eine untergeordnete Rolle spielt.
Einsatzgebiete
Bei Gebäudesanierungen ermöglichen Vakuumdämmplatten gleichzeitig hohe Isolierleistung und geringe Dämmstärken (s.
Abb 6). Hierdurch können z. B. tiefe Fensterlaibungen vermieden werden. Viele Altimmobilien könnten mit konventionellen
Materialien schlecht oder gar nicht wärmegedämmt werden:
■ Altbauten, die an öffentliche Gehsteige
grenzen.
■ Flachdächer, bei denen erhebliche Anpassungsarbeiten am Dachabschluss notwendig wären.
■ Dachterrassen mit Bodenfensterfront
und Türzugängen auf nahezu gleicher
Höhe.
■ Denkmalgeschützte Häuser mit Innendämmung, bei denen der Wohnraumverlust minimiert werden soll.
Systemintegration
VIPs sind grundsätzlich in beliebiger Form
und Größe herstellbar. Beschränkt man
sich allerdings auf wenige Standardgrößen,
lassen sich die Kosten entscheidend senken.
Bei geometrisch unregelmäßigen Wandzonen kann man auf konventionelle, zuschneidbare EPS-Platten ausweichen, kleine Wärmebrücken werden dabei toleriert.
Für die Innendämmung können VIPs mit
Klebemörtel oder einem Schienensystem an
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der Wand befestigt werden. Dabei müssen
nur die Fugen mit einem Dampfsperre-Klebeband abgedichtet werden, bevor die
Putzplatten aufgebracht werden. Da eine
Hausfassade großen Windsogkräften ausgesetzt sein kann, sollte bei der Außendämmung das stabilere Schienensystem,
evtl. in Kombination mit Verklebung, zum
Einsatz kommen. Da bislang nur wenige
werden, die je nach Ausführung eine Dicke
von 2 bis 5 cm aufweist. Um Paneelzerstörungen bei der Handhabung am Bau zu
vermeiden, haben sich Schaumstoffschutzummantelungen bewährt. Beim
Werkstatteinbau von VIPs in vorgefertigte
Bauelemente wie Türblätter und Rolladenkästen sind keine besonderen Schutzvorkehrungen notwendig.
Schaltbare Wärmedämmung (SWD)
Evakuierbare Materialien mit vergleichsweise grober Porenstruktur verändern schon bei
kleinen Vakuum-Druckschwankungen ihre
Wärmeleitfähigkeit viel stärker als nanooder mikrostrukturierte Stoffe. Dies lässt
sich nutzen, um Fassadenelemente herzustellen, die je nach Bedarf von einem wärmeleitenden (k-Wert ca. 10 W/ m2K) in einen
hochdämmenden (k-Wert ca. 0,3 W/m2K)
Zustand geschaltet werden können. An kalten aber sonnigen Tagen kann das SWDPaneel als Solarkollektor geschaltet werden.
Das Mauerwerk wird erwärmt und gibt die
Wärme zeitverzögert ins Gebäudeinnere ab.
Im Sommer oder an kalten Tagen ohne hinreichende Solarstrahlung schaltet es sich dagegen in den Dämmzustand (Abb 7). Bei einer SWD-Fassade ist daher - im Gegensatz
zur transparenten Wärmedämmung - ein
mechanischer Sonnensschutz verzichtbar.
Seit 1999 werden zwei SWD-Bauelemente
an einer Fassade des Experimentiergebäudes
des ZAE-Bayern getestet, weitere Paneele
werden für den Einsatz in einem Teststand
der BTU Cottbus vorbereitet. Die Testmo-
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VIP-Dämmsysteme hinsichtlich ihrer Praxistauglichkeit wissenschaftlich untersucht
wurden, stehen Zulassungsgenehmigungen
bzw. Bauempfehlungen noch aus.
Selbstverständlich dürfen VIPs nicht angebohrt werden. Um dennoch die Innenwände uneingeschränkt nutzen zu können,
muß der Vakuumdämmschicht eine Gipsplattenständerkonstruktion
vorgesetzt
Abb 7 Wärmedämmender und wärmeleitender
dule bestehen aus einem evakuierZustand eines SWD-Paneels. (ZAE-Bayern)
ten, verpressten Glasfaserkern,
Sommerbetrieb
Winterbetrieb
umhüllt von gasdichtem Edelstahlblech. Im Zentrum des 90 x
90 x 2 cm3 großen Paneels befindet sich eine elektrisch aufheizbare Kapsel mit Metallhydridgetter.
Es genügen 5 Watt elektrische
Leistung, um die Kapsel auf ca.
300 °C aufzuheizen, so dass zuvor
Glasscheibe
Mauerwerk
gebundener Wasserstoff freigeAbsorberschicht
Paneel in
Edelstahlpaneel mit
setzt wird. Dieser diffundiert inwärmeleitendem
Glasfaserfüllung und
Betriebszustand
Schaltmodul
nerhalb von 15 bis 30 Minuten
durch den gesamten Glasfaserkern, erhöht den Druck von weniger als 0,01
menkonstruktion zu berücksichtigen ist.
mbar auf etwa 50 mbar und infolgedessen
Die beiden am ZAE-Gebäude untersuchten
die Wärmeleitfähigkeit. Kühlt sich die KapSWD-Testpaneele unterscheiden sich etwas
sel bei abgeschalteter Heizung wieder auf
in ihren Solarkollektoreigenschaften. Beim
Umgebungstemperatur ab, wird der Wasserselektiv beschichteten Bauelement mit eisenstoff resorbiert. Dieser Prozess, bei dem der
armer Glasscheibe als Abdeckung konnten
k-Wert der SWD-Testpaneele um das 40fache
Nettowärmegewinne von bis zu 140 kWh
variiert werden kann, ist mindestens einige
pro Quadratmeter SWD-Fläche und pro
tausendmal wiederholbar. Die thermisch beHeizperiode gemessen werden.
dingte Ausdehnung am Rand kann bis zu
1 cm betragen, was bei der Wahl der Rah-
Mechanisch belastbare Vakuumdämmsysteme
Um auch schwere Güter in vakuumgedämmten Containern befördern zu können,
muss der Dämmkern vor zu großer Drucklast bei Punktbelastung geschützt werden.
Um die Stabilität zu gewährleisten nutzt
man Edelstahlbleche zur Umhüllung des
Dämmkerns. Da dieses Material viel unempfindlicher gegenüber Beschädigung ist
und außerdem sehr gasdicht im Vergleich zu
Folienhüllen, kommen nicht nur Kieselsäure-Dämmkerne zum Einsatz sondern auch
preiswertere, leichtere Schaumstoffe.
Der Aufbau eines mechanisch belastbaren
VIPs soll anhand des Bodens eines Kühlraums (s. Abb 8) illustriert werden: dieser
besteht z.B. aus einer Edelstahlbodenplatte
(0,8 mm) und „getränten“ Edelstahldeckplatte (3mm). Boden- und Deckplatte sind
durch 30 mm Stützkern voneinander getrennt. Um Wärmebrücken zu reduzieren,
werden die beiden Platten an ihren Rän-
Temperaturstabilität, höchste Priorität, undern über einen sehr dünnen Profilrahmen
geachtet der höheren Kosten für mechaaus Edelstahl (0,3 mm) miteinander vernisch belastbare Vakuumdämmsysteme. So
schweißt. In einem mehrmonatigen Belaskann in einer vakuumgedämmten Transtungstest befuhr ein 1.200 kg schwerer,
portbox für Pharmazeutika (Nutzvolumen
vierrädriger Wagen (Punktbelastung 300
15 l) mit einer Beigabe von 4 kg Trockenkg) dieses Blech, ohne dass eine Beschädieis die Temperatur einer Testsubstanz über
gung festgestellt werden konnte.
einen Zeitraum von 140 Stunden unter
Für viele Anwender sind jedoch nicht nur
–20°C gehalten werden.
die einfache Installation (z.B. von Kühlräumen) sowie optimierte Nutzvolumina und
BehälteraußenabmesAbb 8 Vakuumgedämmte Kühlraum-Bodenpaneele
sungen (z. B. bei Kühlim Vergleich zu konventionellen Böden
fahrzeugen) von Interesse. Beim Transport
von Nahrungsmitteln,
Pharmazeutika und medizinisch-biotechnologischen Produkten hat
vielmehr die Produktsicherheit, gewährleistet
durch Hygiene und
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Marktperspektiven und Ausblick
Vakuumdämmplatten bestehen aus rezyklierbaren, toxikologisch unbedenklichen
Materialien. Sie eröffnen Baugesellschaften und Architekten neue Möglichkeiten
im Bereich der Altbausanierung und Niedrigenergiebauweise. Im Logistikbereich
sorgen sie für mehr Nutzraum und höhere Produktsicherheit.
Der Quadratmeterpreis für folienumhüllte Vakuumdämmplatten liegt derzeit – abhängig von Material, Größe und Stückzahl – zwischen 50 und 200 DM. In vielen
Fällen ist Vakuumdämmung damit bereits wirtschaftlich, insbesondere wenn dabei Heizenergieeinsparung und Wohnraumgewinn bzw. vermiedene Grundstückskosten, die in Ballungsgebieten einige tausend Mark erreichen können,
berücksichtigt werden.
Abb 9 Entwurf eies vakuumgedämmten
Für industriell gefertigte SWDMauersteins (Foto: ZAE-Bayern)
Paneele werden Kosten um
500 DM/m2 erwartet. Sie können
eine gleichwertige Alternative zu
transparent wärmegedämmten
Fassaden sein, zumal diese einen
wetterstabilen
mechanischen
Sonnenschutz benötigen.
Wird durch eine Beschädigung
der Außenhülle eine KieselsäureDämmplatte belüftet, so isoliert
sie dennoch deutlich besser als
Mineralwolle oder Polystyrol.
Der Einsatz von Vakuumdämmplatten in Mietshäusern, mindestens für die Innendämmung,
scheint jedoch problematisch, da
bei Heimwerkerarbeiten größere
irreversiblen Schäden auftreten
können.
Internationale Forschungsarbeiten zu Vakuumdämmtechnik werden im Rahmen
eines kürzlich begonnenen IEA-Projekts unter Federführung der Schweiz koordiniert. Vorhandene Systeme – vor allem für den Baubereich - werden auf ihre Praxistauglichkeit hin getestet. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei der Wärmebrückenproblematik (Plattenfugen, Innendämmung) und der Langzeitstabilität
des Vakuums. Ein Ziel ist es, robustere, gasdichte und dennoch kostengünstige
Hüllfolien zu entwickeln.
PROJEKTORGANISATION
■ Förderung der Vorhaben
Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie (BMWi)
53182 Bonn
Projektträger Jülich (PTJ) des BMWi
Forschungszentrum Jülich GmbH
Dr. Hans-Georg Bertram
Dr. Claus Börner
52425 Jülich
■ Förderkennzeichen
0326972, 0327237 A
IMPRESSUM
■ ISSN
0937 – 8367
■ Herausgeber
Fachinformationszentrum Karlsruhe,
Gesellschaft für wissenschaftlich-technische
Information mbH
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
■ Nachdruck
Nachdruck des Textes nur zulässig bei
vollständiger Quellenangabe und gegen
Zusendung eines Belegexemplares;
Nachdruck der Abbildungen nur mit
Zustimmung der jeweils Berechtigten.
■ Redaktion
Susanne Schoofs, Dr. Franz Meyer
BINE – INFORMATIONEN UND
IDEEN ZU ENERGIE & UMWELT
BINE ist ein vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Technologie geförderter
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Wohnungsbau, Industrie, Gewerbe und
Kommunen.
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. Thyssen-Isolationstechnik GmbH
Herr Dipl.-Ing. E. Nowara
Am Duckeldamm
26725 Emden
. Bayerisches Zentrum für
Angewandte Energieforschung e.V
(ZAE-Bayern)
Dr. Ulrich Heinemann
Am Hubland
97074 Würzburg
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■ Projekt-Infos
■ Profi-Infos
■ basisEnergie
ERGÄNZENDE INFORMATIONEN
Literatur
Thyssen Vakuum-Isolationstechnik GmbH,
Emden (Hrsg.): Verfahrensentwicklung für
mechanisch belastbare Isoliermodule zur
industriellen Anwendung. Abschlußbericht
zum Forschungsvorhaben 0326972. [2001]
.
Service
Ergänzende Informationen wie Literatur,
Adressen, Ansprechpartner und InternetLinks sind unter http://bine.fiz-karlsruhe.de,
“Service/Infoplus” abrufbar.
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wenn Sie vertiefende Informationen,
spezielle Auskünfte, Adressen etc.
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