Weltweit erstmaliger Einsatz von evakuierten Dämmpaneelen im Gebäudebereich
ca. 30 m² Fassadendämmung am Experimentiergebäude (Architekt: Prof. Michael Volz / Obernburg, Fertigstellung war Anfang 1999; s. Abb. 3 )
- Infoblatt herunterladen - 102 kBVakuumdämmung der Experimentierfassade des ZAE Bayern in Würzburg
Einführung
Mit evakuierten Dämmpaneelen erreicht man Wärmeleitfähigkeiten, die um einen Faktor fünf bis zehn geringer sind als jene von konventionellen Dämmstoffen. Bei flachen Isolationskörpern wird im Gegensatz zu runden Behältern wie z.B. der Thermoskanne die Belastung durch den äußeren Luftdruck von 1 bar auf das Füllmaterial übertragen. Druckstabile, für Vakuumisolationen geeignete Materialien sind z.B. temperaturbehandelte und gepreßte Glasfasermatten, offenporige organische Schäume und Pulverpreßlinge.
Als am unkritischsten bezüglich des Gasdruckes erweisen sich mikroporöse Kieselsäurepulver mit Porenweiten im Bereich einiger hundert Nanometer, bei denen sich die Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem voll evakuierten Zustand erst bei einem Gasdruck von 100 mbar gerade verdoppelt (von 0.004 W/(mK) auf 0.008 W/(mK), siehe Abb.1).
Abb.1: Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit einer Pulverplatte aus mikroporöser Kieselsäure vom Gasdruck
Bisher wurden Vakuumdämmelemente mit diesen Materialien vor allem zur effizienten Dämmung von Kühl- und Gefriergeräten eingesetzt. In Kombination mit einer Umhüllung aus Aluminiumverbundfolien mit Gasdiffusionsraten < 0.01 cm3/m2/Tag sind bei Füllungen mit mikroporösen Kieselsäuren Standzeiten von mehreren Jahrzehnten zu erwarten. Dies macht die Vakuumisolationstechnik auch für den Baubereich interessant. Insbesondere dort, wo wenig Platz zur Verfügung steht, eine hohe Dämmwirkung aber wichtig ist, kann die Verwendung von evakuierten Dämmplatten sinnvoll sein. Beispiele sind Fensterbrüstungen, schlanke Fassadenkonstruktionen, Fußbodendämmungen bei der Altbausanierung oder Innendämmungen bei denkmalgeschützten Fassaden. Allerdings sollte auf eine möglichst großflächige Auslegung der Vakuumpaneel geachtet werden, so dass die Wärmeleitung über die Aluminiumfolie am Rand nicht zur Geltung kommt.
Die Vakuumisolationstechnik wurden in dem neuen Labor- und Experimentiergebäude des ZAE Bayern in Würzburg erstmals angewendet und erprobt. Insgesamt wurden ca. 27 m² Fassadenfläche des Holzständerbaus ein- oder zweilagig mit Vakuumdämmpaneelen der Stärke 2 cm ausgerüstet. Im folgenden wird über erste Erfahrungen mit der Herstellung und dem Einbau der evakuierten Wärmedämmelemente berichtet.
Herstellung und Eigenschaften der Vakuumdämmpaneele
Ausgangsmaterial für die evakuierten Wärmedämmung sind gepreßte Pulverplatten aus mikroporöser Kieselsäure, die von der Fa. Wacker / Kempten zur Verfügung gestellt wurden. Die Wärmeleitfähigkeit der Pulverplatten liegt im evakuierten Zustand zwischen 0.004 und 0.005 W/mK.
Die Pulverplatten haben eine Standardgröße von 90 cm Länge, 50 cm Breite und 2 cm Stärke. und wurden mit einer Aluminiumverbundfolie umhüllt, die an drei Seiten versiegelt wurde. Die umhüllten Pulverplatten wurden in einer Vakuumkammer evakuiert, bis ein Enddruck von unter 1 mbar erreicht war. Anschließend wurde die noch nicht geschlossene Seite der Umhüllung im Vakuum mit Hilfe einer Versiegelungsleiste abgedichtet. Typischerweise war der Druck auch nach Wochen der Lagerung immer noch im Bereich des Anfangsdrucks (ca. 1 – 2 mbar).
Abb. 2: Einbau der Vakuumpaneele in die Südfassade
Einbau der Vakuumpaneele
Der Einbau der Vakuumpaneele erfolgte im Experimentiergebäude des ZAE Bayern zur Jahreswende 1998/1999. An der Südfassade des neuen Gebäudes wurden acht Felder der Größe 0.9 m x 1.9 m mit Vakuumpaneelen belegt. Die Felder sind jeweils von den 18 cm tiefen Holzbalken der Tragkonstruktion des Holzständerbaus begrenzt. Der Aufbau der Felder von außen nach innen ist dabei folgender: eine strukturierte Einscheibensicherheitsglas-(ESG-) Scheibe dient als Witterungsschutz, darauf folgt eine weiß beschichtete Hartfaserplatte sowie eine Lage von 20 mm expandiertem Polystyrol als Ausgleichsschicht.
Auf diesen Aufbau wurden die einzelnen Vakuumpaneele zwischen den Holzständerbalken eingeklemmt.
Um Probleme mit Wärmebrücken der Aluminiumfolie an den Rändern zu vermeiden, wurden die Paneele in zwei Lagen á 2 cm versetzt in die Felder eingebracht (Abb.2). Es kamen jeweils drei Paneele mit 50 cm Breite und ein Paneel mit 40 cm Breite zum Einsatz, so dass die Höhe des Feldes von 190 cm ausgefüllt wurde. Zur Raumseite hin wurde die Konstruktion noch einmal mit einer Lage Polystyrolschaum, einer Dampfsperrfolie und einer Hartfaserplatte abgedeckt.
Abb. 3: Ansicht der Südfassade | Aufnahme: © Dieter Leistner /ARCHITEKTON
An vier Feldern der Nordfassade mit einer Fläche von ca. 0,9 m x 2,9 m wurde eine andere Konstruktion gewählt, die Wärmebrücken auch bei einer einlagigen Anordnung vermeidet: Eine ESG-Scheibe der Größe 0,9 m x 2,9 m wurde mit einer Aluminium-Verbundfolie beklebt; darauf wurden Paneele in einer Lage angeordnet. Eine zweite Aluminium-Verbundfolie deckte die Vakuumpaneele ab; sie wurde rundherum mit der ersten Aluminium-Verbundfolie versiegelt (Abb. 4). Über ein Evakuierröhrchen an der Seite wurde die Luft abgepumpt.
Auf das evakuierte Großpaneel wurde außen noch eine Ausgleichslage Schaumstoff und eine Hartfaserplatte als Sicht- und UV-Schutz aufgebracht. Das Großpaneel wurde schließlich in einem Stück in den freien Raum zwischen den Holzständern installiert. Den Witterungsschutz nach außen hin bildete wieder eine bereits eingebaute, strukturierte ESG-Scheibe.
Aufgrund der schlanken Bauweise konnten in die Nischen vor die vakuumisolierten Felder Röhrenheizkörper integriert werden.
Abb. 4: Bau der großformatigen Vakuumpaneele. Es wird gerade die oberen mit der unteren Aluminiumlaminatfolie, die wiederum mit einer Glasplatte verbunden ist, versiegelt. Im Hintergrund ist ein Röhrenheizkörper zu erkennen, hinter dem das fertige Vakuumpaneel der Größe 0,9 m x 2,9 m montiert wird.
Abb. 5: Thermographieaufnahme der eingebauten Vakuumpaneele im Sekretariat des Experimentiergebäudes
Funktionskontrolle der Vakuumdämmelemente
Geht man von einer Wärmeleitfähigkeit der Vakuumpaneele von 0.005 W/mK in der ungestörten Fläche (ohne Wärmeverluste über den Randbereich) aus, so erreicht man rechnerisch bei der Anordnung mit 2 cm Vakuumisolation einen k-Wert von 0.21 W/m²K und bei der zweilagigen Anordnung mit 4 cm Stärke sogar einen k-Wert von 0.11 W/m²K.
Mit Hilfe einer Thermokamera wurde qualitativ die hohe Dämmwirkung der Vakuumpaneele bestätigt (Abb. 5). Die im Innenraum gemessenen Oberflächentemperaturen entsprechen in etwa den erwarteten Werten. Auf der Südfassade (zweilagige, überlappende Anordnung der Paneele) waren in der Fläche noch leichte Temperaturunterschiede im Bereich der Paneelstöße aufgrund der nicht ganz unterdrückten Wärmebrücken der Aluminiumfolien zu erkennen. Bei den einlagigen Anordnungen der Nordfassade, konnte auf den Thermografieaufnahmen keine Wärmebrücke an den Stoßstellen mehr festgestellt werden, da hier die Aluminiumverbundfolie die ganze Fläche überdeckt. Die Thermographieaufnahmen ergaben weiterhin, dass alle Vakuumelemente zum Aufnahmezeitpunkt (März 1999) mit einer Ausnahme funktionstüchtig waren.
Abschließende Bemerkungen
Mit den eingebauten Vakuumdämmpaneelen konnte erstmals die Anwendbarkeit der Vakuumtechnik auch im Gebäudebereich gezeigt werden. Die Funktion der Vakuumdämmelemente in der Experimentierfassade wird weiter beobachtet werden, um Langzeiterfahrungen zu gewinnen. Neben Thermographieaufnahmen werden z.B. in jährlichen Abständen einzelne Paneele entnommen und hinsichtlich ihres Gasdrucks und Wärmeübergangswiderstandes untersucht werden. Eine Prüfung des Gasdruckes der Vakuumpaneele in zwei der Fassadenfelder zu Beginn des Jahres 2000 ergab im Rahmen der Messgenauigkeit (ca. 1 mbar) keinen signifikanten Anstieg.
Die Vakuumdämmtechnik wird die konventionellen Dämmsysteme am Bau nicht verdrängen. Bei der energetischen Sanierung von alten Gebäuden und in der Fassadentechnik für Büro- und Geschäftsgebäude ergibt sich jedoch schon in naher Zukunft aufgrund der Platzersparnis ein sehr interessanter Markt.
Literatur
R. Caps, R. Neusinger, J. Fricke, Vakuumdämmung und Schaltbare Wärmedämmung für die Fassade: Erste Erfahrungsberichte, Proceedings 10. Bauklimatisches Symposium Dresden, 27.9. – 29.9. 1999
R. Caps, J. Fricke, Thermal Conductivity of Opacified Powder Filler Materials for Vacuum Insulations, Int. J. Thermophysics, 21, 445-452 (2000 )
R. Caps, U. Heinemann, M. Ehrmanntraut, J. Fricke, Evacuated Insulation Panels Filled with Pyrogenic Silica Powders – Properties and Applications, Proc. 15th European Conference Thermophysical Properties (15th ECTP), Würzburg, Germany, Sept. 1999
Kontakt und Information
Dr. Ulrich Heinemann
ZAE Bayern
Am Hubland
97074 Würzburg, Germany
Tel: ++49-931-70564-35 (0)
Fax: ++49-931-70564-60