Neue Materialien und Komponenten für Energieeffiziente Gebäudehüllen

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1 Neue Materialien und Komponenten für Energieeffiziente Gebäudehüllen Ulrich Heinemann, Helmut Weinläder, Hans-Peter Ebert, Stephan Weismann DPG Frühjahrstagung Arbeitskreis Energie (AKE), März 2015, Berlin Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v.

2 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)

3 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 , Seite 46-51; ISSN: X; Düsseldorf 2008

4 Wärmetransport in porösen Dämmstoffen λ = λ s + λ r + λ g + λ c λ : Wärmeleitfähigkeit λ s : Festkörperleitung (Struktur, Dichte, Belastungsdruck) λ r : Wärmestrahlung (Dichte, Partikelgröße, T 3 ) λ g : Gasleitung (Gasart, Porosität, Struktur, Porengröße) λ c : Kopplungsterme (λ s, λ g ) ZAE Bayern

5 Wärmetransport in Schäumen Wärmeleitfähigkeit λ Dichte ρ

6 EPS mit Infrarot-Trübung

7 Dämmmaterialien (-systeme) im Vergleich Wärmeleitfähigkeit λ W 10 3 m K Faktor Luft Stein-, Glaswolle, Polyurethan-, Nanostrukturierte Evakuierte Polystyrolschäumschäume Silika, Phenolharz- Isolationen Aerogele Schwergas (Luft)

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

9 Vakuumisolationspaneel mit Hochbarriere-Laminat

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

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

12 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

13 Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit λ [ 10-3 W/(mK) ] p ext = 1 bar T = 20 C µm µm Glasfasern PU-Schaum PS-Schaum Fällungskieselsäure Pyrogene Kieselsäure ZAE Bayern Gasdruck (N 2 ) p gas [ mbar ]

14 Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit λ [ 10-3 W/(mK) ] p ext = 1 bar T = 20 C µm µm Glasfasern PU-Schaum PS-Schaum Fällungskieselsäure Pyrogene Kieselsäure ZAE Bayern Im Bauwesen: 1000 pyrogene Kieselsäure + Gasdruck (N 2 ) p gas [ mbar ] Kunststoffhochbarrierelaminate

15 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)

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

17 Wärmebrücken Innenansicht eines mit einer Glasscheibe abgedeckten Vakuumisolationspaneels

18 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-Rahmenund Anschlusskonstruktion 2.0 W/(m²K)!!!

19 Praxisbeispiel: Fassade mit Vakuumdämmung Restauration eines denkmal-geschützten Gebäudes Konstruktionsskizze WDVS PVC-Schiene VIP 15mm XPS 35mm Armierungsoberputz Mauerwerk U-Wert = 0.20 W/(m 2 K) bei einer Gesamtdicke von 6 cm! Gegenüber der Ausgangssituation Verringerung um ca. 80%!

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

21 Motivation - Vakuumisolierglas Fassade: U 0.2 W/(m 2 K) Fenster: U g 1.1 W/(m 2 K) 2-Verglasung U g 0.6 W/(m 2 K) 3-Verglasung (hohes Gewicht!)

22 Analyse des Wärmetransports Wärmeschutzverglasung: U g = 1.3 W/(m 2 K) ε = 0.03 Zwischenraum: 16 mm Luft evakuieren Vakuumverglasung: U g < 0.5 W/(m 2 K) ε = 0.03 Zwischenraum: 1 mm evakuiert, Stützen Anteile am U-Wert 90.2% Wärmestrahlung Wärmeleitung 9.8%

23 Vakuum-Isolierglas Prinzip Stützen Low-ε-Schicht Spalt evakuiert schlanker Aufbau 10mm geringes Gewicht (nur 2 Scheiben) gute Wärmedämmung U g < 0.5 W/(m 2 K) Preis vergleichbar 3-fach Verglasung Glasscheiben vakuumdichter Randverbund

24 Stand der Technik Kommerzielle Produkte: Stützen kaum sichtbar geringes Gewicht schlanker Aufbau 8-10mm aber Evakuierstutzen U g : 0.5 bis 1.1 W/(m 2 K)

25 Forschungsprojekte VIG Neues Randverbundkonzept Verwendung effizienter Softcoatings thermisch optimiert U g < 0.5 W/(m²K)

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

27 TWD Tageslichtnutzung / blendfreies Tageslicht Außenansicht Innenansicht U = 0.4 W/(m 2 K); g = 0.4 ausgeglichene Energiebilanz über Heizperiode auch an Nordfassade

28 TWD Passive Solarenergienutzung Absorberschicht Einstrahlung Wärmestrom TWD Quelle: Okalux

29 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.

30 Schaltbare Wärmedämmung (SWD)

31 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

32 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/Energie): Projekt Entwicklung von vakuumgedämmten Betonfertigteilen, Fkz.: C Projekt energ. Sanierung Gemeindezentrum guter Hirte, Fkz.: R Projekte Koordinationsstelle für die nationalen Tätigkeiten zum Annex 39 `High Performance Thermal Insulations for Buildings der Internationalen Energieagentur (IEA) und VIP-Testmethoden, Fkz.: E Projekt VIG-Vakuumisolierglas, Fkz.: , und 03ET1147A Projekt: VIP-PROVE,... Wissenschaftl. Begleitforschung, Fkz.: N Projekt DEENIF, MoniReserach, Fkz.: A und 03ET1245A Hinweis: siehe auch

33 FORSCHUNGSPLATTFORM ENERGY EFFICIENCY CENTER

34 ZAE Bayern

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