Vakuumdämmung-Lösungen für den Baubereich - Wärmeschutz der nächsten Generation

Mithilfe einer guten Wärme-/Fassadendämmung lassen sich gegenüber einem ungedämmten Gebäude bis zu 40% des Energiebedarfs einsparen. Wenn zudem für Neubauten und Modernisierungen eine schlanke Ausführung der Bauelemente gefordert wird, ist es auch entscheidend gegenüber den konventionellen Wärmedämmstoffen neue hoch dämmende Spezialdämmstoffe, z.B. eine Vakuumdämmung, zu verwenden.
Hinsichtlich der Einhaltung des zulässigen Primärenergiebedarfs setzen sich die Investitionskosten eines Gebäudes aus den Kosten für die Wärmedämm-Maßnahmen der Gebäudehülle und den Kosten der Anlagentechnik zusammen. Die Kriterien beider Kosten bestehen primär darin, dass sie progressiv ansteigen, je effektiver die Wärmedämmung der Außenwände bzw. je energieeffizienter die Anlagentechnik gestaltet wird. Für die Gesamtkosten des Gebäudes werden beide Kostenfunktionen addiert, wobei sich hier ein Kostenminimum ergibt.
Durch das Kompensationsprinzip steigen insofern die Kosten der Gebäudehülle an, wenn eine schlechtere Anlagentechnik installiert wurde bzw. im Umkehrschluss reduzieren sich die Investitionskosten der Gebäudehülle. Andererseits steigt die Dämmschichtdicke immer stärker an (nichtlinear), und zwar in dem Umfang, in dem die Anforderungen an das Wärmedämmvermögen eines Außenbauteils zunehmen.
Aus diesem Grund bilden bei den energetisch optimierten Baukonstruktionen Dämmschichtdicken bis zu 40 cm keine Ausnahme. Die konventionellen Dämmschichten reduzieren zudem die effektive Nutzfläche bzw. Raumkubatur und die gesamte Gebäudekubatur.
Die Evolution der Wärmedämmstoffe erreicht mit der Vakuumdämmung eine Stufe, die eine Zehnerpotenz über den der konventionellen Dämmstoffe liegt. Bei Vakuumpaneelen, die bis zu 2 cm dünn sein können, ist die Wärmeleitfähigkeit zehnmal geringer als bei den konventionellen Dämmsystemen. Damit ermöglichen die luftleeren Platten z.B. bei Passivhäusern konstruktive genauso dünne Außenwände wie diejenigen der durchschnittlich gedämmten Häuser.

Funktionsprinzip
Als Vakuumwärmedämmung wird ein hocheffizientes System zur thermischen Dämmung definiert, bei dem der durch die Gasmoleküle der Luft bedingte Wärmetransport verhindert wird.
Die Funktionsweise eines Vakuumisolationspaneels (VIP) basiert im Grunde auf dem Prinzip einer doppelwandigen Thermoskanne, bei der das wärmeleitende Medium Luft innerhalb des Hohlraums evakuiert wurde. Als Folge dessen kommt es zu einer deutlichen Reduktion des Wärmetransportes durch Konvektion und Wärmeleitung.
Analog dazu machen sich die VIP zur Anwendung im Hochbau diese Wirkungsweise zu Nutze. Die VIP bestehen prinzipiell aus einem offenporigen Kernmaterial, wie z.B. hitzebeständige Kieselsäure, mit niedrigem Innendruck und einer gasdichten Hülle. Der Vorteil der VIP liegt in der geringen Wärmeleitfähigkeit begründet, die im Vergleich zu konventionellen Wärmedämmstoffen um etwa den Faktor 5 bis 10 unterschritten wird.
Die Wärmeübertragung erfolgt bei Normaldruck aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion. Innerhalb der Wärmedämmstoffe sind die Beiträge der Wärmeleitung sowohl des Festkörpergerüsts als auch des Gases und der Wärmestrahlung zur Wärmeübertragung gering. Die Wärmeübertragung durch Konvektion des im Dämmstoff enthaltenen Gases, in der Regel Luft, leistet hier den größten Anteil.
Beispiel: Die Wärmeleitfähigkeiten der konventionellen Dämmstoffe, z.B. Styropor und Mineralwolle, liegen bei ca. 0,040 W * m-1 * K-1, die Wärmeleitfähigkeit von nicht bewegter Luft beträgt dagegen 0,026 W * m-1 * K-1. Wenn  die Luft aus dem Dämmstoff durch Evakuierung entfernt wird, sinkt die Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffs. Mit sinkendem Restdruck innerhalb der Wärmedämmung fällt zunächst die Konvektion zusammen, die Wärmeübertragung erfolgt dann ausschließlich durch Wärmeleitung sowohl des Festkörpergerüsts als auch des Gases und der Wärmestrahlung.

Konstruktionsaufbau
Die Vakuumdämmung besteht generell aus einer äußeren luft- und dampfdichten Hülle mit einem Stützkern aus kleinporigem Kunststoffschaum im Innern. Indem das Gas bzw. die Luft aus dem Stützkern evakuiert wird, entsteht im Dämmelement ein Vakuum. Zugleich nimmt der Stützkern den atmophärischen Druck auf, was dem Dämmelement eine ausgewogene Verbundwirkung und Stabilität verleiht.
Industriell werden zwei unterschiedliche Vakuumdämmelementsysteme hergestellt, die sich primär aufgrund der Umhüllung unterscheiden:

• Dämmelemente mit einer Hülle aus Edelstahl als VIS (Vacuum Insulating Sandwich) und
• Dämmelemente mit einer Hülle aus einer speziellen Folie als VIP-Dämmelement (Vacuum Isolation Panel bzw. Vakuum Isolations Paneele).

Innerhalb der Vakuumdämmplatten wird ein poröser Stützkern verwendet, der mit einer gasundurchlässigen Hülle versehen ist. Der Stützkern dient einerseits dazu, den Luftdruck aufzunehmen, sodass bei Vakuumdämmplatten prinzipiell jegliche Formen möglich sind. Andererseits dienen die Porenwände im Stützkern zur Begrenzung der freien Weglänge der Gasteilchen. Dadurch sind die Anforderungen an das Vakuum geringer. Bei Vakuumdämm-platten mit einem Stützkern aus mikroporöser Kieselsäure, deren Poren nur einige 100 nm betragen, reicht in der Dämmplatte ein Druck von 10 mbar, also einem Hundertstel des atmosphärischen Luftdrucks aus, um die Wärmeleitung durch Konvektion zusammenbrechen zu lassen. Mit Vakuumdämmplatten lassen sich Wärmeleitfähigkeiten von weniger als 0,004 W * m-1 * K-1 realisieren. Hierbei ist der Beitrag der Konvektion zur Wärmeübertragung vollständig unterbunden, einzig die Beiträge von Wärmeleitung und Wärmestrahlung verbleiben.
Der Vorteil der Vakuumisolationspa-neele liegt in ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit, die im Vergleich zu konventionellen Wärmedämmstoffen um etwa den Faktor 5-10 unterschritten wird.
Ein Nachteil der VIP liegt in ihrer empfindlichen luftdichten Hülle. Wird diese beschädigt, verlieren die Paneele ihre ausgezeichneten Wärmedämmeigenschaften. Um im rauen Bauablauf und bei der Nutzung die Funktion dauerhaft zu gewährleisten, ist eine hohe Kompetenz der Planer und der ausführenden Firmen erforderlich.
Eine Alternative besteht in der  Integration innerhalb der Bauelemente, die einen weitgehenden Schutz vor Beschädigung sicherstellen. Eine bevorzugte Anwendung für VIP-Dämmelemente bietet sich hier beispielsweise bei undurchsichtigen (oparken) raumabschließenden Fassadenelementen innerhalb einer konventionellen Pfosten-Riegel-Konstruktion an.

Anforderungen
Die Vakuum-Wärmedämmplatten können nach DIN V 4108-10, Tabelle 1, je nach Anwendungsbereich als Innen- und Außendämmung verwendet werden.
Die Bauteile, in die die Vakuumdämmplatten integriert werden, müssen auch im Falle des Belüftens der Vakuumdämm-platten die Anforderungen an den Mindestwärmeschutz nach DIN?4108-2, Tabelle 3, (Bemessungswert 0,020 W/mK) erfüllen.

Technische Daten  (Standardwerte)
Aufbau:

• Füllung: gepresste, evakuierte Pulverplatte aus mikroporöser Kieselsäure
• Umhüllung: gasdichte Hochbarriere-Verbundfolie
• Flächenform: rechteckig, aber auch schräge Schnitte möglich
• Größen: beliebig; Standard 1,0 m x 0,50 m
• Stärken: 5 mm bis 80 mm
• Eigenschaften:
• Dichte: ca. 160 kg/m³
• Kompressibilität: ca. 5% – 7% bei Belastung mit 0,1 MPa
• Wärmeleitfähigkeit:
• 0,004 W/mK bis 0,005 W/mK (bei <5 mbar Gasdruck)
• 0,007 W/mK (bei 100 mbar Gasdruck)
• 0,020 W/mK (belüftet)
• anfänglicher Gasdruck: 1 mbar bis 5 mbar
• Gasdruckanstieg: <2 mbar pro Jahr bei Verwendung von metallisierten Hochbarrierefolien unter normalen Umgebungsbedingungen
• Rechnerische Nutzungsdauer bei maximal zulässigem Gasdruck von 100 mbar und einem Gasdruckanstieg von 2 mbar pro Jahr (max. Wärmeleitfähigkeit 0,007 W/mK): 50 Jahre
• Adsorptionsvermögen für Wasserdampf ohne wesentliche Beeinträchtigung der thermischen Eigenschaften: ca. 5%
• Schalldämmung: aufgrund der elastischen Eigenschaften des Pulverkerns sind zusätzliche Schallschutzmaßnahmen durchzuführen.

Sämtliche Dämmstoffe müssen entweder den europäischen Normen (EN) entsprechen oder bauaufsichtlich zugelassen sein. Im Einzelanwendungsfall muss für die Dämmstoffe eine Zulassung durch die oberste Baubehörde erfolgen. Die Funktionen der Dämmstoffe sind von ihrer Struktur und den Eigenschaften der Rohstoffe sowie vom Herstellungsverfahren abhängig.
Die Bundesländer unterstützen den Einsatz von zukunftsweisenden Technologien in der Wärmedämmung mit VIP-Dämmelementen u.a. mit folgenden Programmen:

• Fördermittel des Bundes für Wärmedämmung
• KfW-Förderbank: Bauen-Wohnen, Energie sparen.

Gesamtkosten minimieren
Zur ökologisch und ökonomisch sinnvollen Begrenzung des Primärenergiebedarfs eines Gebäudes ist es unerlässlich, die Wärmedämmung des Gebäudes und die Planung der Technischen Gebäudetechnik (TGA) rechtzeitig und fachkundig durchzuführen. Auf dieser Basis lassen sich die Gesamtkosten minimieren und Energieeffizienz steigern.
Die Vakuumdämmsysteme stellen eine relativ neue Entwicklung in der Dämmstoffbranche dar. Bei der Verwendung dieser neuen Dämmsysteme können erhebliche Einsparungen in der benötigten Dicke des Dämmmaterials erzielt werden. Zudem können die Wände, Böden oder Decken im Querschnitt wesentlich dünner ausgeführt werden und infolgedessen auch die Raumnutzungsflächen bzw. Raumkubaturen erhöht werden.

Autor: Eric Theiß
Nach mehren Jahren in der Planung und Ausführung der Gewerke HKL für mittlere und größere Objekte hat der Autor über 20 Jahre lang in München ein Ingenieurbüro für die Technische Gebäudeausrüstung (Gewerke HKLS sowie Elektro- und Beleuchtungstechnik) geführt, wobei hier primär die Aspekte der regenerativen Energietechnologien sowie die Umsetzung der rationellen Technologien realisiert wurden. Seit 1999 ist er auch als Freier Fachjournalist tätig.

Beispiel: Produktkennzeichnung
Die Vakuum-Wärmedämmplatten  „va-Q-vip B“ aus Kieselsäure der va-Q-tec AG in Würzburg haben am 24.7.2008 vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) unter der Zulassuns-Nr. Z-23.11-1658 die Allgemeine bauaufsichtliche Zulassung erhalten.
Bei der Vakuumdämmplatte vom Typ „va-Q-vip B“ handelt es sich um eine eva-kuierte Dämmplatte mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit. Der Dämmplattenkern besteht aus einem pyrogenen Kieselsäurepulver und einem Trübungsmittel, umhüllt mit einem Polyestervlies als Staubschutz.
Der Kern ist unter Vakuum in eine Hochbarrierefolie aus dreifach metalliesiertem Folienlaminat eingeschweißt. Die Hochbarrierefolie ist auf der Außenseite mit einem Schutzgewebe kaschiert.
Die Wärmeleitfähigkeit der „va-Q-vip B“- Elemente nimmt erst bei einem Gasdruck oberhalb 10 mbar merklich zu. Bei einem Gasdruck von 1000 mbar wird ein Endwert von ca. 0,020 W/mK erreicht.
Die Vakuumdämmung „Vaku-Isotherm“ unterliegt insofern den strengeren Qualitätskriterien als Nichtmitgliedsfirmen. Das RAL-Gütezeichen wurde beantragt und wird voraussichtlich noch im Jahre 2008 erteilt.