Schaltbare Wärmedämmung zur Solarenergienutzung Zur Entlastung der konventionellen Gebäudeheizung wurde im Rahmen des Projektes Schaltbare Wärmedämmung zur Nutzung der Sonnenenergie in Gebäuden am ZAE Bayern in Zusammenarbeit mit mehreren Industriefirmen eine Technik entwickelt, die auf elegante Weise Sonnenenergie thermisch nutzen kann. Dieses Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) unter dem Förderkennzeichen 0327237 A/5 gefördert. Transparente Wärmedämmungen, die auf der Südfassade von Gebäuden installiert die Sonnenwärme ins Haus lassen, gleichzeitig aber auch gut dämmen, werden schon seit einigen Jahren in der Baupraxis eingesetzt. Es hat sich gezeigt, daß zur Vermeidung von Überhitzung der Wand im Sommer aufwendige, mechanische Abschattungsanlagen in das System integriert werden müssen. Die neuartige Entwicklung des ZAE Bayern soll diesen Nachteil beheben und gleichzeitig eine noch viel bessere Wärmedämmung bereitstellen. Mit einer Schaltbaren Wärmedämmung (SWD) wird die auftreffende Energie der Sonnenstrahlung als nutzbare Wärme zum Rauminneren transportiert allerdings nur dann, wenn Heizungsbedarf und ausreichende Einstrahlung gegeben sind. Zu allen anderen Zeiten, etwa im Sommer oder an trüben Wintertagen, wird die SWD im hochdämmenden Zustand gehalten. Hier sorgt ein sehr geringer U-Wert von etwa 0.2 W/m²K zum einen für hervorragende Wärmedämmung, zum anderen ist im Gegensatz zu transparenten Wärmedämmungen kein mechanischer Sonnenschutz erforderlich.
Der hochdämmende Zustand wird mit Hilfe eines evakuierten, mit Edelstahlblech umhüllten, nur 2 cm starken Paneels erreicht, das mit verpreßten Glasfasern gefüllt ist. Wenige Gramm eines ins Paneelinnere integrierten Metallhydrids ermöglichen bedarfsweise eine kleine Menge Wasserstoff freizusetzen (circa 50 hpa) und auch wieder aufzunehmen. Dadurch wird die Wärmeleitfähigkeit des Paneels drastisch um den Faktor 40 erhöht bzw. wieder auf den Wert im evakuierten Zustand herabgesetzt (Abb. 1). Die Umschaltung erfolgt selbstregelnd ohne mechanische Teile. Nur für den wärmeleitenden Zustand muss eine elektrische Leistung von etwa 5 Watt pro Quadratmeter Paneelfläche zugeführt werden. Abb. 1: Variation der Wärmeleitfähigkeit eines schaltbaren Dämmpaneels mit dem Druck des freiwerdenden Wasserstoffgases; der veränderliche Wasserstoffdruck wird reversibel durch Heizen und abkühlen eines Metallhydridmaterials erzeugt. Für den Einsatz an der Fassade wird die SWD mit einer vorgesetzten Glasscheibe kombiniert (siehe Abb. 2). Die Oberfläche des Paneels dient als Absorber. Die absorbierte Solarenergie wird mit hohem Wirkungsgrad auf das massive Mauerwerk oder direkt an die Innenraumluft übertragen. Je nach Speichervermögen des Mauerwerks wird die Wärme zeitverzögert an die Innenräume abgegeben. Bei fehlender Einstrahlung wird die schaltbare Wärmedämmung leistungslos hochisolierend geschaltet. Dieser Betriebszustand kommt auch im Sommer zum Einsatz, so dass eine Überhitzung des Mauerwerks und der Innenräume vermieden wird.
Abb. 2: Schema der Integration der Schaltbaren Wärmedämmung in einer Fassade Seit September 1999 werden Informationen über das thermische Verhalten zweier SWD-Konstruktionen gesammelt. Dazu wurden komplette SWD-Fassadenelemente der Größe 1,2 m x 1,2 m in einen Außenmessstand eingebaut. Im ersten Messfeld befindet sich hinter dem Paneel eine 11,5 cm Kalksandsteinmauer, im zweiten Messfeld ist keine Ausfachung vorhanden. Die Daten (Temperaturen, Wärmeströme, Wärmeeinträge, Wärmeverluste) der Heizperioden und des dreimaligen Sommerbetriebs sind bezüglich Wärmegewinn im Winter bzw. Überhitzungsschutz im Sommer vollauf zufriedenstellend. Die Elemente funktionieren auch nach mehr als drei Jahren ohne erkennbare Veränderung der thermischen Eigenschaften. Abbildung 3 zeigt typische Temperaturverläufe im Messfeld 1 für einen kalten, aber sonnigen Wintertag. Abbildung 4 zeigt typische Temperaturverläufe im Messfeld 1 für einen warmen, sonnigen Frühlingstag. Abb. 3
Abb.3: Temperaturverläufe an den bezeichneten Messstellen am 28.01.2000. Deutlich zu erkennen sind die Dämpfung der Temperaturamplituden und die Phasenverzögerung beim Durchgang der Wärme durch Paneel und Wand. Bemerkenswert der Niedertemperatur-Kachelofen-Effekt der Mauerinnenseite: Die Wärmeabgabe in den auf 20 C thermostatisierten Innenraum hält noch weit in den folgenden Tag an. Deutlich auch zwei Sprünge in der blauen Kurve: Erst einige Minuten nach dem Anschalten der Heizung für den Wasserstoff und damit Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Paneels kann die Rückseite der Temperatur der Absorberseite folgen. Umgekehrt beim Ausschalten: Die Abkühlung der Rückseite wird verzögert, zu sehen an der plötzlich flacher werdenden Kurve. Abb.4 Abb.4: Temperaturverläufe an den bezeichneten Messstellen am 24.05.2001. Da im Innenraum keine Heizung erwünscht war, blieb das Paneel gedämmt. Deutlich zu erkennen sind die Dämpfung der Temperaturamplituden und die Phasenverzögerung beim Durchgang der Wärme durch Paneel und Wand. Bemerkenswert ist, dass die Temperaturerhöhung auf der Mauerinnenseite nur wenige Kelvin beträgt und aufgrund der Phasenverzögerung in den kühleren Abendstunden auftritt. Aus Computersimulationen verschiedener Einbauvarianten mit realen Wetterdaten für den Standort Würzburg ergeben sich Netto- Wärmegewinne pro Jahr von bis zu 150 kwh/m². Vorteile des Systems: sehr gute Wärmedämmung k = 0.3 W/mK in der Nacht oder bei trüben Tagen Hitzeschutz im Sommer solarer Ertrag ca. 150 kwh pro Quadratmeter und Jahr (Standort Würzburg) Systemstärke nur 30 mm elektrische Schaltleistung kleiner 5 Watt pro Quadratmeter nur während Solarenergienutzung notwendig energieautarker Betrieb mit Photovoltaikzellen möglich
Anwendungen: Sanierung von massiven, südlich ausgerichteten Fassaden im Altbaubereich preiswerte Nutzung der Solarenergie in Neubauten Ansprechpartner Dr. Cornelia Stark ZAE Bayern Am Hubland 97074 Würzburg Germany Tel: +49-931-70564-151 E-Mail: cornelia.stark@zae.uniwuerzburg.de Dr. Ulrich Heinemann ZAE Bayern Am Hubland 97074 Würzburg Germany Tel: +49-931-70564-35 E-Mail: weinlaeder@zae.uniwuerzburg.de