DE102013015905A1

DE102013015905A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmewiderstandes von Mehrschichtsystemen

Info

Publication number: DE102013015905A1
Application number: DE201310015905
Authority: DE
Inventors: Sven Hippeli; Cornelia Stark
Original assignee: Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: Center For Applied Energy Research EV De
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-04-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine transportable Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) von Mehrschichtsystemen, insbesondere Zwei- oder Drei-Scheibenverglasungen. Die der Erfindung zu Grunde liegende Vorrichtung ermöglicht sowohl im Gebäudebestand als auch im Produktionsverfahren die schnelle Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) mit hoher Genauigkeit, ohne zusätzliche, in die Verglasung integrierte Sensoren oder Sensorbestandteile. Das vorliegende Verfahren ist unabhängig von Gasfüllungen und Komponentenanzahl sowie Scheibenbeschichtungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine transportable Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten von Mehrschichtsystemen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine schnelle Bestimmung des Wärmewiderstandes bei gleichzeitig hoher Genauigkeit.
[Stand der Technik]
Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) von opaken und transparenten Wärmeisolationen im Gebäudebereich, wie beispielsweise Vakuumisolationspaneelen und Isolierverglasungen, gibt es verschiedene Messmethoden. Die meisten Materialien und Systeme werden vor dem Einbau im Labor vermessen, beispielsweise mit einer Plattenapparatur, einer Hot-Box oder der Hitzdrahtmethode. Um allerdings eine Aussage über den Wärmedurchgangskoeffizienten vor Ort treffen zu können und mögliche Alterungserscheinungen der Systeme im Einsatz kontrollieren zu können, sind schnelle und transportable Messgeräte von Nöten. Es gibt zu diesem Themengebiet einige Anmeldungen, die jedoch alle gewisse Nachteile aufweisen: Bei einer Vielzahl der Anmeldungen muss ein Temperaturgradient bzw. ein bestehender Wärmestrom in der Probe vorliegen, weiterhin ist die Messdauer oft unpraktikabel lang (mehrere Stunden).
In der Patentschrift US4647221A wird ein Verfahren zur Bestimmung des Wärmedurchgangs von Wänden beschrieben, bei dem beidseitig Messplatten auf die Wand gesetzt werden. Eine der Messplatten ist mit einem speziellen Heizelement versehen das einen eindimensionalen Wärmestrom durch die Wand induziert. In der Patentschrift werden keine Angaben zu den Messzeiten gemacht, jedoch ist die Patentschrift auf die Anwendung bei Wänden beschränkt. Die Messung muss aktiv, also mit betriebenem Heizelement, erfolgen, ein passiver Betrieb ohne Heizelement ist nicht möglich Die naturgemäß schwankenden thermischen Umgebungsbedingungen können durch das Messverfahren nicht quantitativ berücksichtigt werden.
In der Patentschrift CH442793A wird eine Einrichtung zum Messen der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeflusses beschrieben. Hierzu wird der Wärmewiderstand einer bekannten Isolation mit dem Wärmewiderstand einer zu bestimmenden Isolation verglichen und entsprechend in Wärmefluss oder Wärmeleitfähigkeit umgerechnet. Dieses Verfahren setzt einen bestehenden Wärmestrom (Temperaturdifferenz) voraus.
In der Patentschrift EP0019106B1 wird ein Messgerät (Wärmestrommesser) beschrieben, welches den durch Materialien durchfließenden Wärmestrom misst. Hierzu wird die Abkühlung oder Aufwärmung des Mediums, welches das Messobjekt berührt und ein bestimmtes Volumen aufweist, während einer bestimmten Zeitspanne gemessen. Aus der Zu- oder Abnahme der Temperatur des Mediums im Messvolumen wird der Wärmestrom durch die Messfläche berechnet. Dieses Verfahren setzt einen bestehenden Wärmestrom (Temperaturdifferenz) voraus.
In der Patentschrift US4173894A wird ein Verfahren zur Messung der lokalen Oberflächentemperatur von z. B. Fassaden beschrieben. Mit diesem Verfahren kann zwar auch der Wärmedämmwert lokal ermittelt und mit benachbarten Stellen verglichen werden, eine absolute Messung ist jedoch nur sehr ungenau möglich. Dieses Verfahren setzt einen bestehenden Wärmestrom (Temperaturdifferenz) voraus.
In der Patentschrift US6257761B1 wird ein Verfahren zur Bestimmung des Wärmedurchgangs von Materialien beschrieben, indem mittels einer Heizplatte ein stationäres Temperaturprofil erzeugt wird. Da die Messung hier erst nach Eintreten der Stationarität erfolgen kann sind die Messzeiten je nach zu vermessendem Material mitunter sehr lang.
In der Patentschrift DE19516480C1 wird ein Verfahren zur hochgenauen Bestimmung des Wärmestroms einer Festkörper-, Flüssigkeits- oder Gasschicht beschrieben. Dieses Verfahren setzt einen bestehenden Wärmestrom (Temperaturdifferenz) voraus.
In der Patentschrift US4236403A wird ein Verfahren zur Bestimmung des Wärmedurchgangs einer Wand beschrieben, indem der dynamische Verlauf der Temperaturen und Wärmeströme auf beiden Seiten über 24 Stunden gemessen wird. Neben der sehr langen Messzeit setzt dieses Verfahren einen bestehenden oder sich zyklisch verändernden Wärmestrom (Temperaturdifferenz) voraus.
In der Patentschrift EP0065433B1 wird ein Verfahren zur Bestimmung des Wärmedurchgangs einer Wand beschrieben, indem die Temperaturen und der vorliegende Wärmestrom gemessen werden. Dieses Verfahren setzt einen bestehenden Wärmestrom (Temperaturdifferenz) voraus.
In der Patentschrift EP1347289A2 wird ein Verfahren zur Bestimmung des Wärmedurchgangs von Gebäudeelementen beschrieben, indem die Temperaturänderung eines Probekörpers aufgrund des vorhandenen Wärmestroms gemessen wird. Dieses Verfahren setzt einen bestehenden Wärmestrom (Temperaturdifferenz) voraus.
Bei nahezu allen oben genannten Verfahren muss eine entsprechende Temperaturdifferenz vorhanden sein, d. h. ein signifikanter Wärmestrom muss bereits durch die zu vermessende Probe vorliegen. Dies bedeutet, dass eine Messung nur bei geeigneten Außenbedingungen (in der Regel im Winter) möglich ist. Durch die vorliegende Erfindung wird dieser Nachteil umgangen, indem ein aktives Heizelement im Sensor integriert ist, so dass bei fehlender Temperaturdifferenz eine Temperaturerhöhung induziert werden kann. Wahlweise kann bei der vorliegenden Erfindung auch passiv gemessen werden, wenn eine ausreichende Temperaturdifferenz durch die Probe vorliegt.
Viele der oben genannten Verfahren setzen die Messung des Wärmestroms durch die Probe voraus, was die Integration teurer Wärmeflussmesser notwendig macht. Die vorliegende Erfindung benötigt lediglich Temperaturmessungen, so dass keine Wärmeflussmesser benötigt werden.
Viele der oben genannten Verfahren setzen einen stationären Wärmestrom voraus, der unter realen Umgebungsbedingungen in der Gebäudefassade nur selten gegeben ist. Die vorliegende Erfindung erlaubt eine dynamische Auswertung, so dass hier nicht auf stationäre Bedingungen vertraut werden muss. Dies erlaubt zudem sehr kurze Messzeiten im Minutenbereich.
Weiterhin greifen viele der oben genannten Verfahren auf eine analytische Auswertung zurück, die vereinfachende Annahmen voraussetzt (z. B. Probenaufbau aus nur einer homogenen Schicht, oder quasistationäre Umgebungsbedingungen). Der vorliegenden Erfindung liegt ein thermisches Berechnungsverfahren zu Grunde, das auf einer Finite Differenzen Simulation beruht, so dass hier auch komplexere Bedingungen abgebildet werden können. Dies erlaubt die Vermessung und Auswertung von Mehrschichtaufbauten wie z. B. Zwei- und Dreifachverglasungen, sowie die quantitative Berücksichtigung von instationären Randbedingungen.
[Aufgabe der Erfindung]
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde den Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) von Mehrschichtsystemen, insbesondere Zwei- oder Drei-Scheibenverglasungen, zu bestimmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht sowohl im Gebäudebestand als auch im Produktionsverfahren jederzeit ohne zusätzliche, in die Verglasung integrierte Sensoren oder Sensorbestandteile, schnell und mit hoher Genauigkeit den Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) zu bestimmen. Das vorliegende Verfahren ist unabhängig von Gasfüllungen und Komponentenanzahl sowie Scheibenbeschichtungen.
Hierzu wird folgendes instationär arbeitende Verfahren vorgeschlagen, welches schnell und mit einer Genauigkeit von ca. 10% den U_g-Wert von Verglasungen bestimmt. Die Vorrichtung besteht aus zwei Sensorhälften bestehend aus einem Wärmedämmmaterial mit mindestens zwei Temperatursensoren pro Hälfte zur Bestimmung der Oberflächentemperaturen auf Vorder- und Rückseite der Dämmung und einem Heizelement zur flächigen Aufheizung. Die beiden Sensorhälften werden auf die beiden Oberflächen des zu vermessenden Elements (z. B. Verglasung) aufgebracht (dies kann z. B. mittels Saugnäpfen geschehen). Liegt eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen den beiden Oberflächen vor wird die Temperaturänderung der beiden Oberflächentemperaturen gemessen, die sich daraus ergibt, dass die Sensorhälften die Wärmeübergangskoeffizienten zur Umgebung ändern. Bei nicht ausreichender Temperaturdifferenz wird eine Oberfläche durch das Heizelement flächig aufgeheizt und ebenfalls die Änderung der Oberflächentemperaturen gemessen. Aus der zeitlichen Änderung der Oberflächentemperaturen kann bei Kenntnis des Systemaufbaus (z. B. Scheibendicken, Scheibenabstand) der Wärmedurchlasskoeffizient des Elements bestimmt werden. Unter Berücksichtigung der Normübergangskoeffizienten ergibt sich daraus dann der U-Wert des Elementes. Die Berechnung des Wärmedurchlasskoeffizienten aus den gemessenen Temperaturverläufen erfolgt durch eine thermische Simulation mittels Finiter Differenzen mit dem entsprechenden Systemaufbau. Der Wärmedurchlasskoeffizient wird dabei als Parameter variiert und an die gemessenen Temperaturverläufe angefittet.
[Ausführungsbeispiel 1]
Der Kern einer Sensorhälfte besteht aus Dämmschaum 1 mit einem Mindestmaß von 30 cm × 30 cm × 5 cm. Der Dämmschaum ist gekennzeichnet durch eine niedrige Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit. Auf beiden Seiten des Dämmschaumes wird jeweils mittig ein Oberflächen-Temperatursensor 4 und 5 mit sehr kleiner Ansprechzeit und geringer Wärmekapazität z. B. durch Aufkleben angebracht. Das Heizelement 2 mit geringer Wärmekapazität bildet die Kontaktfläche zum Mehrschichtsystem. Die Heizfolie 2, die Steuer- und Messelektronik 3 sowie die Vakuumpumpe 6 können über einen entsprechenden Akku 7 mit Betriebsspannung versorgt werden. Die Steuer- und Messelektronik 3 übernimmt die Datenaufzeichnung der Temperatursensoren und die Ansteuerung der integrierten Komponenten. Die Messwerte werden über Funk an einen PC übertragen und können bereits während der laufenden Messung ausgewertet werden. Um eine Messung durchzuführen werden beide Sensorhälften über die Vakuumsauger 11, welche über die integrierte Vakuumpumpe 6 betrieben werden, an beiden Seiten des zu vermessenden Mehrschichtsystems 8 und 10 deckungsgleich befestigt. Das Temperaturgefälle des Mehrschichtsystems 8, 9 und 10 wird zu Beginn der Messung überprüft. Liegt ein Temperaturgefälle von < 7 K vor, so wird ein Temperaturgefälle durch aktives Heizen erzwungen. Ist ein Temperaturgefälle von > 7 K gemessen so bleibt das Heizen aus. Siehe .
Eine typische Messung dauert rund 10 Minuten bei einer Zweifach-Verglasung und ca. 20 Minuten bei einer Dreifach-Verglasung. Die Gesamtgröße des Systems beträgt ca. 30 cm bis 40 cm. Messungen haben gezeigt, dass bereits ein Temperaturunterschied von 7 K zwischen den Glasscheiben ausreichend ist, um den Wärmedurchgangskoeffizient von Verglasungen mit einem U_g-Wert > 1 W/(m²K) mit einer Genauigkeit von ca. 10% zu bestimmen. Bei Verglasungen mit einem U_g-Wert < 1 W/(m²K) wird eine Genauigkeit von ca. ±0,1 W/(m²K) erreicht. Zur Kalibration des Messsystems können kalibrierte Referenzproben herangezogen werden. Der individuelle Kontaktwiderstand jeder Sensorhälfte sowie technische Alterungseffekte können hierdurch berücksichtigt werden. Eine Validierung an Referenzverglasungen in Sensorgröße ist möglich.
Bezugszeichenliste

1: Dämmung
2: Heizelement/Heizfolie
3: Steuer- und Messelektronik
4: Temperatursensor
5: Temperatursensor
6: Vakuumpumpe
7: Akku
8: Schicht des Mehrschichtsystems
9: Zwischenraum des Mehrschichtsystems
10: Schicht des Mehrschichtsystems
11: Vakuumsauger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4647221 A [0003]
CH 442793 A [0004]
EP 0019106 B1 [0005]
US 4173894 A [0006]
US 6257761 B1 [0007]
DE 19516480 C1 [0008]
US 4236403 A [0009]
EP 0065433 B1 [0010]
EP 1347289 A2 [0011]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Wärmewiderstandes von Mehrschichtsystemen, insbesondere Zwei- oder Drei-Scheibenverglasungen dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Temperaturverlauf der beiden Systemoberflächen bestimmt wird, wobei die Umgebungseinflüsse erfasst und quantitativ berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei ausreichendem Temperaturgefälle die Bestimmung des Wärmewiderstandes passiv (ohne aktives Heizen) erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf ein erzwungenes Temperaturgefälle durch aktives Heizen induziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei Zweifachverglasungen Messzeiten von unter 15 Minuten und bei Dreifachverglasungen Messzeiten von unter 30 Minuten ausreichend sind.
Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmewiderstandes von Mehrschichtsystemen, insbesondere Zwei- oder Drei-Scheibenverglasungen, bestehend aus zwei Vorrichtungshälften dadurch gekennzeichnet, dass jede Vorrichtungshälften mindestens zwei Temperatursensoren aufweist, einen auf der Rückseite und einen auf der Vorderseite der Dämmung.
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Heizfolie mit Temperatursensor auf dem Sensorkern komponentenseitig angebracht ist und somit sowohl aktive Messungen bei zu geringem Temperaturgefälle als auch passive Messungen bei ausreichendem Temperaturgefälle möglich sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorhälften tragbar sind und einen mobilen Einsatz erlauben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensorhälften mit einem funkfähigen Messwertaufnehmer ausgestattet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung der Sensorhälften durch einen integrierten Akku autark erfolgen kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorhälften mittels Saugnäpfen am Mehrschichtsystem befestigt werden können.
Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Mehrschichtsystemen.