Was ist Vakuumdämmung?
Das physikalische Prinzip der Vakuumdämmung ist schon lange bekannt und wird z. bei Thermoskannen genutzt. Bei diesen trägt die zylinderförmige, vakuumdichte Umhüllung den atmosphärischen Druck. Schon vor zwei Jahrzehnten wurden für die Natrium-Schwefel-Hochtemperaturbatterie flache Vakuumisolationen entwickelt1, bei denen nicht mehr der Behälter den Druck aufnimmt, sondern ein offenporiges und damit evakuierbares Füllmaterial. Als Füllmaterialien werden heute Fasern, offenzellige Schäume oder Pulver eingesetzt. Vakuumisolationspaneele (VIP) weisen bei Raumtemperatur eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,002 bis 0,008 W/mK auf.2 Im Vergleich zu herkömmlichen Dämmstoffen mit Leitfähigkeiten zwischen 0,030 bis 0,040 W/mK erhält man bei gleicher Dicke eine 5- bis 20-fach höhere Dämmwirkung. Abhängig vom Typ des Füllmaterials sind die Anforderungen an die Dichtigkeit der Umhüllung sehr unterschiedlich. Die niedrigsten Wärmeleitfähigkeiten werden mit Füllungen aus Glasfasern erzielt. Diese bedürfen wegen ihrer Poren im 10 µm-Bereich einer in der Herstellung aufwändigen Umhüllung aus geschweißtem Edelstahl. Um Wärmebrücken im Bereich der Ränder zu reduzieren, sind diese zumindest im Bereich der Kanten aus extrem dünnen Edelstahlfolien zu fertigen. Die geringsten Anforderungen an die Dichtigkeit der Hülle stellen extrem feine, nanostrukturierte Pulver wie z.pyrogene Kieselsäuren (»Sand in seiner feinsten Form«). Mit Kunststoff kaschierte, siegelbare dünne Aluminiumfolien oder spezielle, mehrlagig metallisch bedampfte Kunststoffhochbarrierefolien scheinen ausreichend dicht, um über Jahre hinweg einen geringen Restgasdruck zu garantieren. Rechnerisch sollten Lebensdauern von 50 Jahren erreichbar sein. Diese relativ einfach zu fertigenden Vakuumpaneele sind Gegenstand verschiedener Projekte, vor allem in Deutschland und der Schweiz, wo Einsatzmöglichkeiten auch im Baubereich untersucht werden.
Vakuumdämmung im Baubereich?
Erste VIP wurden bereits vor einigen Jahren erfolgreich in das Experimentiergebäude des ZAE Bayern in Würzburg eingebaut. Wie gut die folienumhüllten Vakuumisolationspaneele mit Kern aus gepressten Pulverplatten die Anforderungen im Baubereich erfüllen können, wird zurzeit in einem Forschungsprojekt »Vakuumdämmung für Gebäude« untersucht. Im Rahmen der High-Tech-Offensive wird dieses Projekt vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie, München, gefördert.
Insgesamt sind 16 Industriepartner in Zusammenarbeit mit dem ZAE Bayern an diesem Projekt beteiligt. Bis Ende des Jahres 2002 werden zum einen Grundlagenuntersuchungen durchgeführt, z. über den Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit auf die zu erwartende Lebensdauer der Vakuumdämmplatten. Außerdem werden unterschiedliche Anwendungstechniken entwickelt. Um die Praxistauglichkeit der Ergebnisse überprüfen zu können und Erfahrungen für den Einsatz im Gebäudebereich zu sammeln, werden schließlich einige Demonstrationsobjekte mit Vakuumdämmplatten ausgerüstet. Als erstes Beispiel wurde Ende des Jahres 2000 in Nürnberg die Giebelfassade eines denkmalgeschützten Hauses bekleidet (Abb. 3 – 6).
Der U-Wert der sanierten Wand beträgt bei 5 cm Gesamtdämmschichtdicke 0,20 W/m2K; dabei sind die 1,5 cm dicken VIP mit 3,5 cm XPS als Schutzschicht abgedeckt.
Wo können Vakuumisolationspaneele sinnvoll eingesetzt werden?
Bei bestimmten Anwendungen mit geringeren Anforderungen an die Lebensdauer werden Vakuumisolationspaneele bereits heute kommerziell eingesetzt, z. in Wärmedämmboxen, Kühltransportern und Kühlgeräten. Auch im Baubereich ergeben sich zahlreiche Einsatzfelder für die Vakuumdämmung. Auf Grund der etwa fünf- bis zehnmal geringeren Dämmstärke sind VIP immer dann vorteilhaft einzusetzen, wenn kein Platz für konventionelle Dämmung vorhanden ist oder der Flächenverbrauch kostspielig ist. Bei Altbauten ist es oft nicht möglich, konventionelle Dämmstoffe in der erforderlichen Dicke aufzubringen, etwa bei Grenzbebauung, bei geringen Dachüberständen oder bei der Dämmung von Reihenhäusern. Auch bei Innendämmungen helfen VIP Platz zu sparen. Im Neubau, vor allem im Passivhausbereich mit üblichen Dämmschichtdicken bis 40 cm, ist mit VIP ein erheblicher Raumgewinn verbunden. Tiefe Fensterleibungen können vermieden und damit der Gestaltungsspielraum des Architekten erhöht werden. Weitere Anwendungsbereiche sind Dämmungen unter Fußbodenheizungen, Boden- und Deckendämmungen, Haustüren mit Passivhausstandard (bereits bei einer Dämmstärke von 40 mm VIP wird der nötige U-Wert von 15 W/m2K erreicht), Brüstungselemente, Fenster und Rolladenkästen, Haustechnikkanäle oder Rohrleitungen. Mit einem Preis von 80,– DM/m2 für ein 2 cm dickes Paneel sind die Materialkosten jedoch viermal höher als bei Polystyrol gleicher Dämmleistung.
Was ist bei der Anwendung der Vakuumdämmung zu beachten?
Bei allen Konstruktionen mit Vakuumdämmung sind einige grundlegende Prinzipien besonders zu beachten:
• Die Hülle der Vakuumdämmung darf nicht verletzt werden. Die mechanische Befestigung muss spannungsfrei erfolgen, z. durch Einlegen der Paneele in ein Schienensystem. Durchdringungen durch Fassadendübel müssen vermieden werden, vor nachträglicher Beschädigung sind die VIP z. durch eine feste Putzträgerplatte zu schützen. Darüber hinaus ist dem Nutzer mitzuteilen, dass keine Schrauben oder Nägel in die Dämmebene eindringen dürfen. Dieses Problem kann verringert werden, wenn die Paneele bereits in ein System integriert und somit geschützt sind. Ein besonderes Merkmal der Vakuumisolationspaneele mit extrem feiner Kieselsäure ist, dass selbst bei Verletzung der Vakuumhülle die Dämmwirkung um einen Faktor 2 besser ist als bei konventionellen Dämmmaterialien gleicher Stärke.
• Wärmebrücken müssen konsequenter als bei konventionellen Isolationen vermieden werden. Auf Grund der geringen Dämmschichtdicke und der sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeit wirken sich Wärmebrücken wie Halterungen und Durchdringungen wesentlich stärker aus als bei konventionellen Dämmkonstruktionen. Ungünstig ausgeführte Befestigungen können den mittleren Wärmedurchlasswiderstand um ein Mehrfaches erhöhen. Daher muss jede vakuumgedämmte Konstruktion hinsichtlich des Einflusses der Wärmebrücken untersucht und optimiert werden. Bei Innendämmungen scheinen Wärmebrücken an Wand- und Deckenanschluss unvermeidbar; Berechnungen zeigen, dass diese Stellen äußerst kritisch hinsichtlich einer Taupunktunterschreitung sind. Daher sind die Paneele zusätzlich entlang der Decken und Innenwände in den Raum hineinzuführen.
• Fugen und Durchdringungen sind in der Regel dampfdicht auszuführen. Die Folie des Vakuumisolationspaneels bildet eine dichte Dampfsperre, welche eine Entkopplung der Innen- und Außenfeuchtigkeit bewirkt. Dies gilt allerdings nur für die ungestörten Flächen. Unterbrechungen der Dämmschichten wie Fugen und Durchdringungen sind in herkömmlichen Konstruktionen diffusionsoffen. Wie stark der Fugeneinfluss auf eine Kondensatbildung ist, kann nur schwer quantifiziert werden. Um einer möglichen Kondensatbildung insbesondere bei Innendämmungen vorzubeugen, sollten derartige »Störstellen« so gut wie möglich abgedichtet werden.
Konstruktionen mit Vakuumdämmung
Nachfolgend werden einige konstruktive Lösungen für den Einsatz von Vakuumisolationspaneelen im Baubereich beschrieben, die im Rahmen des Projekts »Vakuumdämmung für Gebäude« entwickelt und untersucht werden. Die hier vorgestellten Konstruktionen wurden teilweise bereits in Demonstrationsobjekten, bei denen die Praxis-tauglichkeit getestet wurde, eingebaut.
• Innendämmung: Die Paneele werden vollflächig an die Wand geklebt. Die Fugen der Vakuumpaneele können auf der Innenseite mit selbstklebendem Aluminium-Klebeband abgedichtet werden. Die davor gestellte Ständerwand dient als Abstandshalter für Gipskartonplatten, die herkömmlich verputzt werden. Diese Konstruktion ermöglicht es, Gegenstände mit Hohlraumdübeln an der Wand zu befestigen. Der Hohlraum zwischen Vakuumdämmung und Gipskartonplatten kann auch zur Aufnahme von Versorgungsleitungen für Strom, Wasser oder Heizung dienen (Abb. Wie bereits angesprochen, sind die Wand- und Deckenanschlüsse zusätzlich zu dämmen.
• Außendämmung mit Wärmedämmverbundsystemen (WDVS): Die Konstruktion besteht aus horizontalen PVC-Halteschienen, 15 mm dicken, punktuell aufgeklebten Vakuumisolationspaneelen und 35 mm dicken XPS-Putzträgerplatten, die als Schutzschicht mit einem Nut-Federsystem vor die Vakuumdämmung in das Schienensystem geklemmt werden. Eine vollflächig aufgebrachte Dampfsperre unterbindet den Feuchtetransport durch die Fugen. Dieses System wurde bei der Sanierung der Giebelfassade des denkmalgeschützten Gebäudes in Nürnberg eingesetzt (Abb. 3 – 6). Auf Grund des geringen Dachüberstandes war vom Denkmalschutzamt eine Maximaldicke von 6 cm für das Wärmedämmverbundsystem vorgegeben. Diese Vorgabe konnte mit der Vakuumdämmung bei einem U-Wert von nur 0,20 W/m2K problemlos eingehalten werden. Insgesamt wurde eine Fläche von ca. 35 m2 mit diesem neuen Dämmsystem ausgestattet. Die Wärmebildaufnahme der Fassade ergab, dass nur eines der mehr als 100 installierten VIP (meist 0,5 m ≈ 0,5 m) beim Einbau beschädigt wurde.
• Brüstungselemente: Eine attraktive Lösung sind VIP, die zwischen Glasscheiben eingebettet sind und wie Wärmeschutz-Verglasungen in Fassadensysteme integriert werden können (Abb. 11). Derartige VIP-Glaselemente sind opak. Eine weitere Alternative besteht in mit PU-Schaum umschäumten Paneelen. Bei VIP, die in vorgefertigte Betonsandwichelemente oder Ziegelsteine integriert sind, ist eine dampfdichte Fugenausbildung jedoch schwierig herzustellen.
• Unterbau für eine Fußbodenheizung: Bei der Dämmung unter der Fußbodenheizung einer Turnhalle wurde ein Teilbereich mit VIP gedämmt (Abb. 9, 10). Da es sich um eine Sanierung handelte, war die Höhe des Fußbodenaufbaus vorgegeben. Das konventionelle Fußbodenheizungs- system besteht aus 4 cm aluminium-kaschierter PU-Dämmung, auf die PS-Heizungsplatten mit vorgeprägten Bahnen für die Heizungsrohre aufgelegt wurden. Im vakuumgedämmten Teilbereich wurde die Dicke der PU-Platten von 4 auf 2 cm reduziert und stattdessen die 2 cm dicken VIP eingebracht. Sie sind durch die unter- und oberhalb liegenden konventionellen Dämmplatten gut geschützt. Mit einem Wärmedurchlasskoeffizienten der Dämmschicht (VIP + PU) von 0,20 W/m2K wird ein Wert erreicht, der trotz des niedrigen Aufbaus die üblichen Anforderungen an Fußbodendämmsysteme unterschreitet.
Ausblick
Die oben vorgestellten Konstruktionen zeigen das große Potenzial der Vakuumdämmung im Baubereich. Für die Anwendung ist eine ausreichende Optimierung und Untersuchung hinsichtlich der Bauphysik, der Sicherheit und der Wärmebrückenproblematik erforderlich. Auch der Einfluss des Klimas und der Konstruktion (mechanische, thermische Spannungen etc.) auf die Lebensdauer der Vakuumisolationspaneele ist noch nicht vollständig untersucht. Das Projekt »Vakuumdämmung für Gebäude«, das bis Ende 2002 läuft, bietet die Möglichkeiten, diese Aspekte zu betrachten und einige der noch ausstehenden Fragen zu beantworten.
