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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

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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)

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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

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Wärmetransport in porösen Dämmstoffen

: Wärmeleitfähigkeit

s : Festkörperleitung (Struktur, Dichte, Belastungsdruck)

r : Wärmestrahlung (Dichte, “Partikelgröße“, T3)

g : Gasleitung (Gasart, Porosität, Struktur, Porengröße)

c : Kopplungsterme (s, g)

= srgc

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Wärmetransport in Schäumen

Dichte

Wär

mel

eitf

ähig

keit

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EPS mit Infrarot-Trübung

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Dämmmaterialien (-systeme) im Vergleich

Wärmeleitfähigkeit

Km

W10 3

Stein-, Glaswolle,Polystyrol-schäume

0

10

20

30

40

50

Luft

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Dämmmaterialien (-systeme) im Vergleich

Wärmeleitfähigkeit

Km

W10 3

Stein-, Glaswolle,Polystyrol-schäume

Polyurethan-,Phenolharz-schäume

0

10

20

30

40

50

Sch

we

r-g

asLuft

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Dämmmaterialien (-systeme) im Vergleich

Wärmeleitfähigkeit

Km

W10 3

Stein-, Glaswolle,Polystyrol-schäume

Polyurethan-,Phenolharz-schäume

Nano-strukturierteSilika, Aerogele

0

10

20

30

40

50

(Luft)

LuftS

chw

er-

gas

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Dämmmaterialien (-systeme) im Vergleich

Wärmeleitfähigkeit

Km

W10 3

Stein-, Glaswolle,Polystyrol-schäume

Polyurethan-,Phenolharz-schäume

Nano-strukturierteSilika, Aerogele

EvakuierteIsolationen

0

10

20

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50

LuftS

chw

er-

gas

(Luft)

Faktor 5 - 10

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Evakuierte thermische Isolationen

Vakuum Isolationen

Atmosphärendruckentspr. Gewichtslast:

10 t / m²

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)

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Vakuumisolationspaneel mit Hochbarriere-Laminat

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Vakuumisolationspaneel mit Hochbarriere-Laminat

Transportboxen

mit ähnlichen

Isolationseigenschaften

Hier:

Volumen der VIP-gedämmten Box

weniger als 1/20 der Standard PS-Box

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Hülle aus Edelstahl Nähte geschweißt

Kern aus pyrogener Kieselsäure

Quelle: lambdasave GmbH

Edelstahl-umhüllte Vakuumpaneele

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Vakuum-Isolations-Paneele

VIP = Füllmaterial + Hülle

Anforderungen: • evakuierbar (offenporig)• druckbelastbar• „sauber“ (kein Ausgasen)

„vakuumdicht“

Dämmmaterial Dämmelemente

In vielerlei Hinsicht vergleichbar mit einem Fenster:

• Planungsaufwand, Standardgrößen Maßanfertigung• empfindlich gegen Beschädigung• erhöhter Wärmedurchgang am Rand

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0.001 0.01 0.1 1 10 100 10000

10

20

30

40

Pyrogene Kieselsäure

Glasfasern

Fällungskieselsäure

PS-Schaum

PU-Schaum

pext = 1 barT = 20°C

70 - 40 µm1 - 0.3 µm

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Gasdruck (N2) pgas [ mbar ]

Wär

mel

eitf

ähig

keit

[ 10

-3 W

/(m

K)

]

Wärmeleitfähigkeit

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0.001 0.01 0.1 1 10 100 10000

10

20

30

40

Pyrogene Kieselsäure

Glasfasern

Fällungskieselsäure

PS-Schaum

PU-Schaum

pext = 1 barT = 20°C

70 - 40 µm1 - 0.3 µm

ZAE Bayern

Gasdruck (N2) pgas [ mbar ]

Wär

mel

eitf

ähig

keit

[ 10

-3 W

/(m

K)

]

Wärmeleitfähigkeit

Im Bauwesen: pyrogene Kieselsäure + Kunststoffhochbarrierelaminate

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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)

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Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung

Architect: Prof. Volz / Obernburg Photo: © Dieter Leistner

Südfassade

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Wärmebrücken

Innenansicht eines mit einer Glasscheibe abgedeckten Vakuumisolationspaneels

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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) !!!

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PVC-Schiene

VIP 15mm

XPS 35mm

Armierungsoberputz

Mauerwerk

Konstruktionsskizze WDVS

Praxisbeispiel: Fassade mit Vakuumdämmung Restauration eines denkmal-geschützten Gebäudes

U-Wert = 0.20 W/(m2K) bei einer Gesamtdicke von 6 cm!Gegenüber der Ausgangssituation Verringerung um ca. 80%!

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Holzlattung für Fassadenplatten

Wärmebrückenarmer Bandanker (nur sehr wenige erforderlich)

Sandwich aus Alufolie, 3 cm VIPund 3 cm PU-Hartschaumplatte:

A. Hangleiter GmbH & Co. KG

Vakuumgedämmte Betonfertigteile

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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!)

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9.8%

90.2%

Wärmeschutzverglasung:Ug = 1.3 W/(m2K)= 0.03Zwischenraum: 16 mm Luft

Anteile amU-Wert

Analyse des Wärmetransports

Wärmestrahlung

Wärmeleitung

evakuieren Vakuumverglasung:Ug < 0.5 W/(m2K)= 0.03Zwischenraum: 1 mmevakuiert, Stützen

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Vakuum-Isolierglas Prinzip

• schlanker Aufbau 10mm

• geringes Gewicht(nur 2 Scheiben)

• gute Wärmedämmung Ug < 0.5 W/(m2K)

• Preis vergleichbar3-fach Verglasung

Glasscheiben

Spalt evakuiert

Stützen

vakuumdichterRandverbund

Low--Schicht

Glasscheiben

Spalt evakuiert

Stützen

vakuumdichterRandverbund

Low--Schicht

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Stand der Technik

Kommerzielle Produkte:

• Stützen kaum sichtbar

• geringes Gewicht

• schlanker Aufbau8 - 10mm

aber

• Evakuierstutzen

• Ug 1.1 W/(m2K)

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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

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Transparente Wärmedämmung (TWD)

Glas-TWD (Schott Rohrglas)

Polycarbonat- / PMMA-Waben

Aerogel-Granulat

Aerogel, monolitisch

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TWD – Tageslichtnutzung / blendfreies Tageslicht

InnenansichtAußenansicht

ausgeglichene Energiebilanz über Heizperiode auch an Nordfassade

U = 0.4 W/(m2K); g = 0.4

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Absorberschicht

TWD

WärmestromEinstrahlung

TWD – Passive Solarenergienutzung

Quelle: Okalux

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Schaltbare Wärmedämmung (SWD)

Schaltbare Wärmedämmung (SWD) basiert auf einem Vakuumisolationspanel VIP mit Edelstahlhülle und Glasfaserfüllungund integriertem Metallhydridgetter

Aufheizen des Getters Wasserstoff wird freigesetzt die Wärmeleitfähigkeit im VIP um ca. Faktor 100 erhöht. Der Vorgang ist reversibel.

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Schaltbare Wärmedämmung (SWD)

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Was bringt die Zukunft?

• Steigender Bedarf an Dämmstoffen/-systemeninsbesondere für Maßnahmen im Bestand

• Ökologische Dämmstoffe nachwachsende Rohstoffe, Recycling von Rohstoffen

• Nanostrukturierte Schäume (Silika-Aerogele)

• Organische nanostrukturierte Schäume

• Vakuumisolationspaneele

• Integrierte funktionelle Dämmsysteme

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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