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© ZAE Bayern
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
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40
50
Luft
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Dämmmaterialien (-systeme) im Vergleich
Wärmeleitfähigkeit
Km
W10 3
Stein-, Glaswolle,Polystyrol-schäume
Polyurethan-,Phenolharz-schäume
0
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20
30
40
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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
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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
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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
ZAE Bayern
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
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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
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