DE102006045519A1

DE102006045519A1 - Vakuumwärmedämmung

Info

Publication number: DE102006045519A1
Application number: DE102006045519A
Authority: DE
Inventors: Birgit Abrecht
Original assignee: Abrecht Birgit Dipl-Ing (fh)
Current assignee: Abrecht Birgit Dipl-Ing (fh)
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-17

Abstract

Vakuumwärmedämmung, die ein zu dämmendes Objekt ganz oder teilweise umschließt, wobei die wärmedämmende Fläche aus einzelnen Thermosgefäßen aufgebaut ist. Dabei kann Sonnenenergie, die auf die Vakuumwärmedämmung fällt, genutzt werden, indem sie in Strom oder Wärme umgewandelt wird. Die Solarwärme kann innerhalb der Vakuumwärmedämmung auf höherem Temperaturniveau gespeichert werden und entweder später wieder zur Nutzung aktiv übernommen werden oder sie kann dem zu dämmenden Objekt passiv Wärme zuführen, ohne dass das Objekt überhitzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumwärmedämmung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die ein zu dämmendes Objekt ganz oder teilweise umschließt und dabei die Nutzung der Sonnenenergie ermöglicht.
Wärmedämmmaterialien sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden regelmäßig bei Gebäuden oder anderen Objekten verwendet, um den Wärmeverlust zu reduzieren und Heizenergie einzusparen. Häufig werden natürliche oder künstlich hergestellte Stoffe in Plattenform oder als Schüttgut verwendet, die aufgrund des Einschlusses von kleinen Gasblasen über eine geringe Wärmeleitfähigkeit verfügen. Daneben sind auch mikroporöse Stoffe bekannt, die in gasdichte Hüllen eingepackt, luftleer gepumpt und anschließend vakuumdicht verschlossen werden. Mit dieser Art von Vakuumwärmedämmung kann die dämmstoffspezifische Wärmeleitfähigkeit weiter verringert werden. Beiden Typen von Dämmungen ist gemeinsam, dass sie praktisch undurchlässig für Licht – oder Sonnenergie sind.
Im Weiteren sind transparente Wärmedämmmaterialien bekannt, die wärmedämmende Eigenschaften haben, zudem auch lichtdurchlässig sind und damit auch solare Wärmegewinne ermöglichen. Hierdurch kann erreicht werden, dass mehr Energie durch die gedämmte Fläche gewonnen wird als verloren geht. Typische Bauformen hierfür sind Fenster mit zwei oder mehr Scheiben, die mit einer praktisch unsichtbaren Metallschicht bedampft sind, um die Wärmestrahlung zu reflektieren und deren Scheibenzwischenräume mit Luft oder Edelgas gefüllt sind, um die Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion zu reduzieren. Es sind auch Fenster bekannt; deren Scheibenzwischenraum luftleer gepumpt wird, und aufgrund des so entstandenen Vakuums besonders gut vor Wärmeverlusten schützen. Neben der Anwendung als Fenster gibt es transparente Wärmedämmung auch an Fassaden. Horizontale Wabenstrukturen, vertikale Folienlagen oder transparentes Schüttgut werden in Form von Vorhang- oder Putzfassaden eingebaut. Die transparenten Wärmedämmmaterialien sorgen dafür, dass die dahinter liegende Wand von der Sonne beschienen und die dunkel eingefärbte Oberfläche erwärmt wird. Die Wärme wird in den meistens mit hoher Wärmespeicherkapazität ausgestatteten Wänden gespeichert. Durch Wärmeleitung gelangt die Wärme an die Oberflächen der angrenzenden Räume. Die so erwärmten Innenoberflächen beheizen die Räume überwiegend durch Strahlungswärme. Die wärmedämmende Eigenschaft der Materialien verhindert dabei eine schnelle Auskühlung der Wände gegenüber der Außenluft.
Vakuumwärmedämmungen sind auch bei Sonnenkollektoren mit Vakuumröhren bekannt. Der Zwischenraum von zwei jeweils einseitig verschlossenen konzentrischen Glasröhren, die ineinander geschoben und an ihrem offenen Ende miteinander verschmolzen sind, wird luftleer gepumpt. Diese selbsttragenden Thermosgefäße in Röhrenform besitzen auf der Außenseite der inneren Röhre eine Schicht, die nahezu vollständig das Sonnenlicht in Wärme umwandelt aber nur sehr wenig Wärme abstrahlt. Der Inhalt der Vakuumröhre wird so durch Sonnenlicht erwärmt. Die Wärmeverluste sind aufgrund der Vakuumwärmedämmung sehr gering.
Nachteilig ist bei den lichtundurchlässigen Wärmedämmungen, dass sie keine Wärmegewinne durch Sonnenenergie zulassen, und so mehr konventionelle Heizenergie notwendig ist. Bei der transparenten Wärmedämmung ist es unerlässlich, große Speichermassen in den Wänden oder innerhalb des Gebäudes zu haben, um die gewonnene Sonnenenergie zu speichern. Eine kostenintensive sommerliche Verschattung ist bei hocheffizienten Systemen zwingend notwendig, um eine Überhitzung des Gebäudes zu vermeiden. Bei Systemen mit geringerer Effizienz kann mit Komforteinbußen zwar auf die Verschattung verzichtet werden, der Vorteil gegenüber lichtundurchlässigen Wärmedämmungen bleibt dann aber gering. Fenster mit evakuiertem Zwischenraum sind sehr aufwändig in der Herstellung und benötigen Abstandshalter zwischen den Scheiben, um dem Atmosphärendruck von außen standzuhalten. Innerhalb von Vakuumröhren bzw. Thermosgefäßen können nur kleine Objekte oder Flüssigkeiten erwärmt und vor Wärmeverlusten geschützt werden. Typisches Beispiel hierfür ist eine Thermosflasche.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Wärmedämmung bereitzustellen, die zu dämmende Objekte jeglicher Größe nicht nur vor Wärmeverlusten schützt, sondern ihnen auch Wärme aus Sonnenenergie zuführt. Dabei soll es unerheblich sein, ob das Objekt selbst Wärme speichern kann oder nicht. Eine Überhitzung soll jederzeit auch ohne Verschattung sicher vermieden werden. Die vakuumisolierten Dämmelemente sollen einfach herstellbar und selbstragend sein, so dass aufwändige Konstruktionen, um dem Atmosphärendruck standzuhalten, nicht erforderlich sind. Die Dämmelemente sollen sowohl in lichtundurchlässiger Form in verschiedenen Farben für die Montage an Wänden und auf Dächern als auch in transparenter Ausführung als Fensterelement zur Verfügung stehen. Die Elemente sollen durch geeignete Randausbildung einfach miteinander zu größeren, lückenlosen Flächen zu verbinden sein und dabei eine wasserdichte Hülle bilden können. Darüber hinaus soll durch die Elemente zusätzlich die Erwärmung von Wasser oder anderen Wärmeträgern und/oder die Erzeugung von Strom aus Sonnenlicht möglich sein. Durch zusätzlichen Einsatz geeigneter Materialien soll die Speicherung von fühlbarer, latenter oder Sorptionswärme zur zeitverzögerten Nutzung in Form von Wärme oder Kühlenergie ermöglicht werden.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch Elemente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1: ein Vakuumwärmedämmelement mit bekannter kreisrunder Geometrie in einem waagrechten und senkrechten Schnitt,
2: ein Vakuumwärmedämmelement mit angepasster Geometrie und Randausbildung in einem waagrechten und senkrechten Schnitt,
3: Vakuumwärmedämmelemente mit bekannter kreisrunder Geometrie vor einer gemauerten Wand in einem senkrechten Schnitt durch eine Gebäudefassade,
4: Vakuumwärmedämmelemente mit bekannter kreisrunder Geometrie vor einer gemauerten Wand in einem waagrechten Schnitt durch eine Gebäudefassade,
5: Vakuumwärmedämmelemente mit verbesserter Geometrie und Randausbildung vor einer gemauerten Wand in einem senkrechten Schnitt durch eine Gebäudefassade,
6: Vakuumwärmedämmelemente mit verbesserter Geometrie und Randausbildung vor einer gemauerten Wand in einem waagrechten Schnitt durch eine Gebäudefassade und
7: Vakuumwärmedämmelemente als Fenster in einem Rahmenverbund mit Schutzglasscheibe nach innen und außen in einem Schnitt.
Bekannte Vakuumröhren nach dem Thermogefäß-Prinzip sind gemäß 1 aus 2 kreisrunden Glasröhren zusammengesetzt. An die äußere Glasröhre 1 ist ein Boden 2 anformt. An die innere Glasröhre 3 ist ebenfalls ein Boden 4 angeformt. Dadurch entsteht jeweils ein oben offener Behälter. Die beiden Röhren werden ineinander geschoben und an ihrer offenen Seite 5 miteinander verschmolzen. Der so entstandene Raum 6 zwischen den beiden Glasröhren wird evakuiert und hermetisch verschlossen. Zur Nutzung der Sonnenenergie ist die Außenseite der inneren Glasröhre 3 mit einer selektiven Schicht versehen, die Sonnenlicht absorbiert und Wärmestrahlung reflektiert. Unter Sonneneinstrahlung können so im Innenraum 7 der Vakuumröhre Temperaturen über 200°C entstehen, ohne dass die äußere Röhre mehr als handwarm wird. Der Nutzen bei der Anwendung in Sonnenkollektoren besteht darin, die im Innenraum 7 anfallende Wärme mit geeigneten Vorrichtungen aufzufangen und über Wärmeträger abzuführen. Durch Anpassung der Größe und Geometrie der Thermosgefäße, wie analog zu 1 die 2 zeigt, kann das Verhältnis Oberfläche, die Solarenergie gewinnt, zu Volumen, in dem die gewonnene Solarwärme gespeichert wird oder aus dem die Solarwärme abgeführt wird, variiert werden. Zusätzlich können durch geeignete Randausbildung 8 die Thermosgefäße zu einer lückenlosen Fläche ohne Zwischenelemente zusammengesetzt werden.
Erfindungsgemäß können solche Röhren beispielsweise auch zur Wärmedämmung und direkten Beheizung von Gebäudewänden eingesetzt werden. Dazu werden gemäß 3 und 4 sowie sinngemäß 5 und 6 die Röhren 1 dicht nebeneinander vor einer Wand 2 vorzugsweise in einer Rahmenkonstruktion installiert. Die Zwischenräume werden entweder wie in 4 mit einer Dichtung 3 versehen oder wie in 6 mit einer Randausbildung 3 überbrückt. Die so verbundenen Vakuumröhren bilden eine lückenlose Wasser- und luftdichte vakuumisolierte Wärmedämmhülle. Durch Sonneneinstrahlung erwärmen sich die Inneren Glasröhren und der Luftraum 4. Der Verbund der nebeneinanderliegenden Glasröhren bildet dabei ein Wärmeschutzschild für die Wand zur Umgebungsluft. Ist die innere Glasröhre wärmer als die Wand, so wird nicht nur der Wärmeverlust der Wand reduziert, sondern darüber hinaus durch die Verlustwärme der Röhren die Wand beheizt. Aufgrund der Vakuumisolierung, der geringen Wärmeabstrahlung der selektiven Schicht und der Wärmekapazität des Glases kühlen sich die inneren Glasröhren auch ohne Sonneneinstrahlung nur langsam ab. Die dabei übertragene Wärmemenge ist so gering, dass eine Überhitzung der angrenzenden Wand auch durch nachfolgend beschriebene Maßnahmen ausgeschlossen werden kann. Um eine Vergleichmäßigung der Wärmeabgabe zur erzielen kann der Innenraum 4 je nach Anwendung zusätzlich mit einem wärmespeichernden Material gefüllt werden. Geeignet sind vor allem Stoffe mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität wie z.B. Sand oder Wasser, Latentspeichermaterialien wie z.B. Paraffine oder sorptive Wärmespeicher wie z.B Silikagel. Durch geeignete Wahl der Füllstoffe kann je nach Anwendungsfall bei gleichem Volumen unterschiedlich viel umgewandelte Sonnenenergie im Innenraum 4 gespeichert werden. Die in der Röhre entstehenden Temperaturen können so vorteilhaft entsprechend dem Anwendungsfall begrenzt werden.
Die Kapazität des Wärmespeichers der Thermosgefäße kann daher durch Wahl des Füllmaterials und/oder der Geometrie so ausgelegt werden, dass das unterschiedliche Strahlungsangebot der Sonne zwischen Tag und Nacht oder aufeinanderfolgender Tage mit mehr oder weniger Einstrahlung in seiner Wirkung als Verlustwärme der Vakuumröhre und Beheizung der Wand über einen Zeitraum von mehreren Tagen gleichmäßig abgegeben werden kann. Die Auslegung von Füllmaterial und Geometrie der Thermosgefäße kann so geschehen, dass eine aktive Regelung zur Wärmeabgabe nicht erforderlich ist.
Um Wärme aktiv aus den Thermosgefäßen zu entnehmen, können ähnlich der Funktionsweise von Sonnenkollektoren mit Vakuumröhren die Innenräume der Thermosgefäße mit Luft, Wasser oder anderen Wärmeträgern direkt oder in räumlich getrennten Strömungskanälen auch in Kombination mit Füllstoffen durchflossen werden. Dabei abgeführte Wärme kann je nach Temperaturniveau zur Beheizung von Räumen, Warmwasser oder ähnlichen Zwecken benutzt werden. Für die Funktion ist dann eine Steuerung oder Regelung erforderlich.
Beim Einsatz von z.B. sorptiver Wärmespeicher kann durch Trocknung des Sorptionsmaterials Wärme in der Röhre sogar verlustlos über längere Zeit oder gar saisonal gespeichert werden. Durch definiertes Einbringen von Feuchtigkeit kann die Freisetzung der Wärme gesteuert werden. So ist es möglich, dass Sonnenwärme von strahlungsreichen Perioden erst dann freigesetzt wird, wenn sie benötigt wird, z.B. während einer länger andauernden Kälteperiode ohne Sonneneinstrahlung.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung zeigt in 7 der Einsatz als Fensterelement. Um eine Durchsicht bzw. Lichttransmission durch die Thermosgefäße zu erreichen, werden hierbei im Gegensatz zur Anwendung direkt vor einer Wand die inneren Röhren nur mit einer Wärmestrahlung reflektierenden transparenten Schicht z.B. einer dünnen Silberschicht ähnlich den Beschichtungen bei Wärmeschutzglas überzogen. Zudem kann auch hier in den Innenraum der Thermosgefäße ein Wärmespeichermedium eingebracht werden. Geeignet hierfür sind, Stoffe, die für bestimmte Wellenlängen des Lichts im sichtbaren Bereich transparent sind und bei anderen Wellenlängen z.B. im Infrarot die Strahlung absorbieren. Ein vorteilhaftes Füllmedium ist beispielsweise Wasser. So lassen sich ähnlich der Vakuumwärmedämmung vor der Wand die Temperaturen und die Wärmabgabe sowie die zusätzlich der Energiedurchlassgrad durch das Fensterelement einstellen. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung eines Fensterelements stellt die Kombination von transparenten Thermosgefäßen mit Gefäßen, die wie oben beschrieben mit einer absorbierenden Schicht versehen sind. Neben der Kombination der thermischen Eigenschaften werden hier Möglichkeiten für die architektonische und lichtplanerische Gestaltung eröffnet.
Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung ist die Ausbildung der äußeren Wand der Thermosgefäße als Solarzelle zur Stromerzeugung. Wird dabei die Solarzelle semitransparent ausgeführt, so kann sie mit den oben beschriebenen Eigenschaften zur Wärmespeicherung kombiniert werden, da ein Teil des Sonnenlichts durch die Solarzelle hindurchtritt. Wird die Solarzelle nicht transparent (opak) ausgeführt so werden lediglich die Eigenschaften Stromerzeugung und Wärmedämmung kombiniert.
Wie gezeigt wurde, kann die Erfindung mit bereits existierenden Vakuumröhren umgesetzt werden. Sie sind jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall optimiert. Um beispielsweise Gebäude damit zu verkleiden, ist wegen fehlender Randausbildung eine Rahmenkonstruktion und Dichtungen zwischen den Röhren notwendig. Ein verbessertes und angepasstes Thermosgefäß zeigt 2. Beispielhaft für andere mögliche Geometrien ist hier ein kreisabschnittsförmiges, selbstragendes Element dargestellt. Der äußere Glaskörper 1 zeigt einen Kreisabschnitt mit seitlich und unten angeformter Randausbildung 8, die eine Überlappung neben- und übereinanderliegender Thermosgefäße ermöglicht. Die Anformungen sind so gestaltet, dass ein Thermosgefäß mit einer kreisabschnittsförmigen Öffnung entsteht. Die Querschnittsfläche des inneren Glaskörpers 2 ist ein Kreisabschnitt. Er hat unten einen Boden angeformt und bildet dadurch ebenfalls einen Behälter. Der Aufbau ansonsten ist entsprechend der oben beschriebenen Vakuumröhre. Die beiden Glaskörper werden ineinander geschoben und an ihrer offenen Seite 5 miteinander verschmolzen. Der so entstandene Raum zwischen den beiden Glasröhren wird evakuiert und hermetisch verschlossen. Zur photovoltaischen Nutzung der Sonnenenergie kann die Innen- oder Außenseite des äußeren Glaskörpers mit Solarzellen versehen sein. Zur thermischen Nutzung der Sonnenenergie ist die gewölbte Außenseite des inneren Glaskörpers 2 mit einer selektiven Schicht versehen, die Sonnenlicht absorbiert und Wärmestrahlung reflektiert. Die der Sonne abgewandte plane Fläche kann auch nur mit einer die Wärmestrahlung reflektierenden dünnen Metallschicht versehen sein. Vorteilhaft gegenüber der kreisförmigen Ausbildung bei der Vakuumröhre ist die deutlich geringere Dicke der Wärmedämmhülle bei gleicher Elementbreite. So werden Platz und Kosten beim Einbau der Wärmedämmelemente gespart. Das Verhältnis Absorber bzw. Verlustoberfläche relativ zur Einstrahlungsfläche wird reduziert. Der Wirkungsgrad bezogen auf die Solarstrahlung wird dadurch erhöht. Durch die flache Bauform wird in der Herstellung weniger Glas benötigt. Die Randausbildungen 8 erlaubt eine überlappende wasserdichte Verlegung der Elemente zu großen Flächen. Weiterhin kann durch geeignete Gestaltung oder Bearbeitung der Randausbildung ein einfaches Einhängen der Elemente an geeigneten horizontalen Befestigungsschienen ohne aufwändiges Rahmensystem ermöglicht werden. In gleicher Weise lassen sich so auch Dächer mit diesen Elementen decken.
In bestimmten Fällen z.B. bei Hochhäusern oder bei Fensterelementen kann es erforderlich sein, einen zusätzlichen transparenten mechanischen Schutz der Vakuumwärmedämmung aus Thermosgefäßen nach außen und/oder nach innen anzubringen. Eine vorteilhafte Ausbildung zeigt 7, bei der eine spezielle Glasscheibe 1, z.B. aus Sicherheitsglas, die Vakuumwärmedämmung 2 in einem Rahmenverbund 3 nach außen hin schützt. In gleicher Weise kann eine geeignete Glasscheibe 4 einen Schutz nach innen bieten.

Claims

Vakuumwärmedämmung, die ein zu dämmendes Objekt ganz oder teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmedämmende Fläche aus einzelnen Thermosgefäßen aufgebaut ist.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand der Thermosgefäße aus transparentem gasdichten Material, vorzugsweise Glas, besteht.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand der Thermosgefäße auf ihrer Innen- oder Außenseite mit Solarzellen versehen ist.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosgefäße auf der Außenseite der Innenwand eine für Sonnenlicht absorbierende und für Wärmestrahlung reflektierende Schicht besitzen.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der Thermosgefäße aus transparentem gasdichten Material, vorzugsweise Glas, besteht.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der Thermosgefäße aus nichttransparentem gasdichtem Material vorzugsweise Metall besteht.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosgefäße auf der Außenseite der Innenwand eine für einen Teil des sichtbaren Sonnenlichts transparente und für Wärmestrahlung reflektierende Schicht besitzen.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Thermosgefäßen mit oder ohne Füllmaterial Wärme gespeichert werden kann.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial eine Flüssigkeit ist.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial ein Feststoff ist.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial sorptive Eigenschaften besitzt.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Wärme automatisch zu Heizwecken passiv abgegeben wird.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Wärme mit Hilfe einer Regelung zu Heizwecken aktiv entnommen wird.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeträger die Thermosgefäße direkt durchströmt und die gespeicherte Wärme abführt.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeträger die Thermosgefäße indirekt über Trennflächenwärmeaustauscher durchströmt und die gespeicherte Wärme abführt.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserdampf in die Thermosgefäße geleitet und so Sorptionswärme freigesetzt wird.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosgefäße allein durch Ihre Geometrie druckstabil gegen Atmosphärendruck sind.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermosgefäße durch Füll- oder Stützstoffe druckstabil gegen Atmosphärendruck sind.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Thermosgefäße konzentrisch sind.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Thermosgefäße kreisrund sind.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Thermosgefäße kreisabschnittsförmig sind.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Außen- und Innenwände der Thermosgefäße beliebige Geometrien besitzen.
Vakuumwärmedämmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwände der Thermosgefäße eine zusätzliche Randausbildung zur großflächigen Verlegung ohne Rahmen besitzen.