Energieeffiziente Gebäudehüllen: Neue Materialien und Komponenten Ulrich Heinemann, Helmut Weinläder, Hans-Peter Ebert Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung - ZAE Bayern - Am Hubland, D-97074 Würzburg DPG Frühjahrstagung 2009 - Arbeitskreis Energie (AKE) 02. – 03. März 2009, Hamburg

Gliederung Motivation Wärmetransport in Dämmmaterialien und Optimierungsansätze Konventionelle Dämmstoffe „Neue“ Materialien und Komponenten - Nanostrukturierte Materialien - Vakuumisolationspaneele (VIP) - Vakuumisolierglas (VIG) - Transparente Wärmedämmung (TWD) - Schaltbare Wärmedämmung (SWD)

Endenergieverbrauch Deutschland 2006 Quelle: Tzscheutschler P., Nickel M., Wernicke I., Buttermann H.-G.: Energieverbrauch in Deutschland - Stand 2006: Daten, Fakten, Kommentare. erschienen in BWK Ausgabe 3-2008, Seite 46-51; ISSN: 1618-193X; Düsseldorf 2008

l = ls+ lr + lg + lc Wärmetransport in porösen Dämmstoffen l : Wärmeleitfähigkeit ls : Festkörperleitung (Struktur, Dichte, Belastungsdruck) lr : Wärmestrahlung (Dichte, “Partikelgröße“, T3) lg : Gasleitung (Gasart, Porosität, Struktur, Porengröße) lc : Kopplungsterme (ls, lg) © ZAE Bayern

Wärmetransport in Schäumen Dichte  Wärmeleitfähigkeit 

EPS mit Infrarot-Trübung

Dämmmaterialien (-systeme) im Vergleich Wärmeleitfähigkeit  Luft Stein-, Glaswolle, Polystyrol- schäume

Dämmmaterialien (-systeme) im Vergleich Wärmeleitfähigkeit  Luft Schwer- gas Stein-, Glaswolle, Polystyrol- schäume Polyurethan-, Phenolharz- schäume

Dämmmaterialien (-systeme) im Vergleich Wärmeleitfähigkeit  Luft (Luft) Schwer- gas Stein-, Glaswolle, Polystyrol- schäume Polyurethan-, Phenolharz- schäume Nano- strukturierte Silika, Aerogele

Dämmmaterialien (-systeme) im Vergleich Faktor 5 - 10 Wärmeleitfähigkeit  Luft (Luft) Schwer- gas Stein-, Glaswolle, Polystyrol- schäume Polyurethan-, Phenolharz- schäume Nano- strukturierte Silika, Aerogele Evakuierte Isolationen

Vakuum Isolationen Evakuierte thermische Isolationen zylindrische Gefäße: Thermoskannen, Kryogefäße  = 0,0001 bis 0,005 W/(mK) flache Elemente: Vakuum-Isolations-Paneele (VIP) Druck tragendes Füllmaterial  = 0,001 bis 0,008 W/(mK) Atmosphärendruck entspr. Gewichtslast: 10 t / m²

Vakuumisolationspaneel mit Hochbarriere-Laminat

Vakuumisolationspaneel mit Hochbarriere-Laminat Transportboxen mit ähnlichen Isolationseigenschaften Hier: Volumen der VIP-gedämmten Box weniger als 1/20 der Standard PS-Box

Edelstahl-umhüllte Vakuumpaneele Hülle aus Edelstahl Nähte geschweißt Kern aus pyrogener Kieselsäure Quelle: lambdasave GmbH

Dämmmaterial  Dämmelemente Vakuum-Isolations-Paneele Dämmmaterial  Dämmelemente In vielerlei Hinsicht vergleichbar mit einem Fenster: Planungsaufwand, Standardgrößen  Maßanfertigung empfindlich gegen Beschädigung erhöhter Wärmedurchgang am Rand VIP = Füllmaterial + Hülle Anforderungen: evakuierbar (offenporig) druckbelastbar „sauber“ (kein Ausgasen) „vakuumdicht“

Wärmeleitfähigkeit

Wärmeleitfähigkeit Im Bauwesen: pyrogene Kieselsäure + Kunststoffhochbarrierelaminate

Wärmebrücken / mittlerer U-Wert Erhöhter Wärmedurchgang an Rändern, Fugen und jeglicher Unterbrechung der aus VIPs bestehenden Dämmlage Wärmebrücken sind deutlich kritischer als bei herkömmlichen Dämmungen  effektive U-Wert ist größer als der für die Mitte eines VIPs zu erwartende !!! (abhängig von der Einbausituation)

Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Südfassade Architect: Prof. Volz / Obernburg Photo: © Dieter Leistner

Wärmebrücken Innenansicht eines mit einer Glasscheibe abgedeckten Vakuumisolationspaneels

Fassadenelement mit integriertem Heizkörper hier: in Testfassade des ZAE Bayern installiert U-Wert in der Mitte: 0.2 W/(m²K) U-Wert integral: mit Standard-Rahmen- und Anschlusskonstruktion 2.0 W/(m²K) !!!

Praxisbeispiel: Fassade mit Vakuumdämmung Restauration eines denkmal-geschützten Gebäudes PVC-Schiene VIP 15mm XPS 35mm Armierungsoberputz Mauerwerk Konstruktionsskizze WDVS U-Wert = 0.20 W/(m2K) bei einer Gesamtdicke von 6 cm! Gegenüber der Ausgangssituation Verringerung um ca. 80%!

Vakuumgedämmte Betonfertigteile Holzlattung für Fassadenplatten Wärmebrückenarmer Bandanker (nur sehr wenige erforderlich) Sandwich aus Alufolie, 3 cm VIP und 3 cm PU-Hartschaumplatte: Nur wenige sehr dünne Anker, minimale Wärmebrücke!  A. Hangleiter GmbH & Co. KG

Motivation - Vakuumisolierglas Fassade: U  0.2 W/(m2K) Fenster: Ug  1.1 W/(m2K) 2-Verglasung Ug  0.5 W/(m2K) 3-Verglasung (hohes Gewicht!)

Analyse des Wärmetransports Wärmeschutzverglasung: Ug = 1.3 W/(m2K) e = 0.03 Zwischenraum: 16 mm Luft Vakuumverglasung: Ug < 0.5 W/(m2K) e = 0.03 Zwischenraum: 1 mm evakuiert, Stützen evakuieren 9.8% 90.2% L = heat transmission coefficient Anteile am U-Wert Wärmestrahlung Wärmeleitung

Vakuum-Isolierglas Prinzip schlanker Aufbau  10mm geringes Gewicht (nur 2 Scheiben) gute Wärmedämmung Ug < 0.5 W/(m2K) Preis vergleichbar 3-fach Verglasung

Stand der Technik Kommerzielle Produkte: Stützen kaum sichtbar geringes Gewicht schlanker Aufbau 8 - 10mm aber Evakuierstutzen Ug  1.1 W/(m2K)

Forschungsprojekt VIG Erledigt: Neues Randverbundkonzept Verwendung effizienter Softcoatings thermisch optimiert Ug < 0.5 W/(m²K)  Musterscheibe liegt vor  Machbarkeit ist nachgewiesen Anstehend: Entwicklung der Fertigungstechnik Ziel: marktfähige Produkte in 2-3 Jahren

Transparente Wärmedämmung (TWD) Glas-TWD (Schott Rohrglas) Polycarbonat- / PMMA-Waben Aerogel-Granulat Aerogel, monolitisch

TWD – Tageslichtnutzung / blendfreies Tageslicht Außenansicht Innenansicht U = 0.4 W/(m2K); g = 0.4  ausgeglichene Energiebilanz über Heizperiode auch an Nordfassade

TWD – Passive Solarenergienutzung Absorberschicht TWD Wärmestrom Einstrahlung Quelle: Okalux

Schaltbare Wärmedämmung (SWD) Schaltbare Wärmedämmung (SWD) basiert auf einem Vakuumisolationspanel VIP mit Edelstahlhülle und Glasfaserfüllung und integriertem Metallhydridgetter Aufheizen des Getters  Wasserstoff wird freigesetzt  die Wärmeleitfähigkeit im VIP um ca. Faktor 100 erhöht. Der Vorgang ist reversibel.

Schaltbare Wärmedämmung (SWD)

Was bringt die Zukunft? Steigender Bedarf an Dämmstoffen/-systemen insbesondere für Maßnahmen im Bestand Ökologische Dämmstoffe nachwachsende Rohstoffe, Recycling von Rohstoffen Nanostrukturierte Schäume (Silika-Aerogele) Organische nanostrukturierte Schäume Vakuumisolationspaneele Integrierte funktionelle Dämmsysteme

Danksagung Die Arbeiten wurden bzw. werden unterstützt: Projekt „Vakuumdämmungen für Gebäude“, gefördert vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie, Az.: 9400/6.1 – IBS/b – 43145/00 gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft (und Arbeit/Technologie): Projekt: „Entwicklung von vakuumgedämmten Betonfertigteilen“, Fkz.: 0327 321C Projekt: „…energ. Sanierung Gemeindezentrum „guter Hirte“…“, Fkz.: 0329 750R Projekte „Koordinationsstelle für die nationalen Tätigkeiten zum Annex 39 `High Performance Thermal Insulations for Buildings´ der Internationalen Energieagentur (IEA)“ und „VIP-Testmethoden“, Fkz.: 0327 321E Projekt: „VIG-Vakuumisolierglas“, Fkz.: 0327 366 und 0327 419 Projekt: „VIP-PROVE, ... Wissenschaftl. Begleitforschung“, Fkz.: 0327 321N Hinweis: siehe auch www.vip-bau.de