DE102014009936A1

DE102014009936A1 - Vakuum-Isolationselement und zwei Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102014009936A1
Application number: DE102014009936.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-01-07

Abstract

Bei den bekannten Vakuumdämmpanelen aus offenzelligen Schaum und einer gasdichten Barriereschicht, ist die Barriereschicht in der Regel aus einer dünnen metallischen Folie, ohne statisch tragende Eigenschaften. Dadurch ergeben sich lediglich Nutzungspotenziale für die Wärmeisolierungen von statisch anderweitig unterstützten Bauteilkonstruktionen oder als Fassadenelemente. Eine Reduzierung der vorhandenen Wandstärke erfolgt nur innerhalb der Wärmedämmung, nicht aber innerhalb der massiven statischen Konstruktion. Des Weiteren können aufgrund der erhöhten Dämmeigenschaften des Vakuumdämmpanels (dauerhaftes Vakuum) die möglichen opaken Wärmegewinne der Wandkonstruktion kaum bis gar nicht genutzt werden. Durch die erfindungsgemäße Konstruktion der Vakuum-Isolationselemente, werden diese Nachteile vermieden. Das Vakuum-Isolationselement besteht aus einer industriell vorgefertigten Kernschicht (KS) aus offenporigen, mikroporösen Material, umhüllt von einer tragfähigen Schicht (S bzw. S1 und S2) aus Beton. Die Kernschicht kann über ein im Beton eingearbeitetes Ventil bei Bedarf evakuiert und belüftet werden und erreicht somit hervorragende Dämmeigenschaften sowie hohe Potenziale zur opaken Energiegewinnung. Das Vakuum-Isolationselement eignet sich besonders zur Herstellung von tragenden Wandkonstruktionen mit kleinen Wandstärken und guten Wärmedämmeigenschaften sowie zum Einsatz als Wandschalensysteme auf dem Gebiet der opaken Energiegewinnung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vakuum-Isolationselement aus Beton das neben der Isolationswirkung gleichzeitig eine Tragwirkung zur Abtragung von Lasten besitzt sowie zwei Verfahren zur Elementherstellung. Weiterhin ermöglicht das Isolationselement die Nutzung von solaren Wärmegewinnen zur Reduzierung des Heizenergiebedarfs von Gebäuden. Die Verwendung des Vakuum-Isolationselements ist insbesondere für Wand- und Dachkonstruktionen im Bauwesen als auch im Speicher-, Maschinen-, Kraftfahrzeug-, Eisenbahn-, Schiffs- oder Flugzeugbau und/oder in der Luft- und Raumfahrt vorgesehen.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet des Bauwesens werden tragfähige, wärmedämmende Wandelemente hauptsächlich aus Stein, Holz, Beton, oder aus Stahl in Kombination mit einer Wärmedämmschicht hergestellt.
Zurzeit wird die Mehrzahl der Wand- bzw. Dämmsysteme mit konventionellen Dämmstoffen, z. B. Mineralfaser, Polystyrol oder Polyurethan, ausgeführt. Nachteil dieser Systeme sind in erster Linie die sehr hohen Dämmstoffdicken, die insbesondere zur Erzielung des Effizienzhaus- und Passivhaus-Standards erforderlich sind. Außerdem können die Dämmstoffe auf Grund ihrer geringen Festigkeit nicht zur Lastabtragung verwendet werden, so dass zusätzlich zur „Isolationsschicht” stets eine tragende „Schichte” erforderlich ist. Hierdurch werden die erforderliche Wandstärke als auch die Wirtschaftlichkeit der Konstruktion negativ beeinflusst.
Um dem Problem der hohen Dämmstoffdicken zu begegnen, wurden sogenannte Vakuumisolationspaneele (VIP) entwickelt, welche aufgrund ihrer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit eine erhebliche Einsparung an Dämmstoffdicken ermöglichen. Nachteilig bei Vakuumisolationspaneelen (dauerhaftes Vakuum) sind die aufgrund der erhöhten Dämmeigenschaft deutlich geringeren opaken Wärmegewinne der Wandkonstruktion mit VIP [13].
Entsprechend EP-A 1 498 680 , EP-B 0 672 524 , EP-B 922 563 , WO 2008/095931 , US-B 6,765,031 , WO 2009/077616 und DE 10 2011 108 755 A1 bestehen die bisher bekannten Isolationspaneele üblicherweise aus einem offenzelligen, mikroporösen Füllmaterial und einer luft- und wasserdampfdichten Umhüllung [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7].
Bei den bisher bekannten Vakuumisolationspaneelen aus z. B. verdichtete Glasfasern, offenzelligen Kunststoffschäumen, Kieselsäureprodukten, entgaster PUR-Schäume und/oder losen Füllungen bestehen die den Füllkörper umhüllenden Folien überwiegend aus einem mehrlagigen Kunststoffverbund oder aus Kunststoff-Metall-Verbundfolien [8]. Diese als luft- und wasserdampfdichte Barriereschicht ausgeführten Folien bestehen zumeist aus zwei zueinander symmetrischen Folienelementen, die umlaufend entlang der Außenkanten verschweißt oder verklebt werden [8], [12].
Bei den bisher bekannten Vakuumisolationspaneelen nimmt aufgrund der über die Zeit hinweg nicht dauerhaft luft- und wasserdampfdichten Umhüllung, die Wärmeisolationsleistung stetig ab [14].
DE 10015876 A1 betrifft ein Vakuumisolationspaneel (kurz VIP) welches „in der praktischen Anwendung normalerweise nicht als alleinstehende Isolierung eingesetzt, sondern im Verbund mit weiteren Dämmmaterialien verarbeitet wird. So sind aus der Kühlgeräteherstellung Lösungen bekannt, bei denen die innere Gehäusewand mit mehreren VIP beplankt wird und die verbleibenden Zwischenräume sowohl zwischen den einzelnen VIP als auch der Restspalt zum Außengehäuse z. B. mit aushärtendem Polyurethanschaum ausgeschäumt werden müssen” [8].
Bisher bekannte Vakuumisolationspaneelen besitzen keinerlei statisch tragende Eigenschaften und können somit nicht als alleinstehendes, tragfähiges Konstruktionselement eingesetzt werden. Dadurch ergeben sich lediglich Nutzungspotenziale für die Wärmeisolierungen von statisch anderweitig berücksichtigten Bauteilkonstruktionen oder als Fassadenelemente. Eine Reduzierung der vorhandenen Wandstärke erfolgt nur innerhalb der Wärmedämmung, nicht aber innerhalb der Gesamtkonstruktion, bestehend aus Isolations- und Tragschicht.
DE 10 2012 102 515 A1 betrifft ein Wandelement- „insbesondere ein Betonwandelement mit einer Kerndämmung. Das Wandelement ist insbesondere für die Errichtung von Wänden von Industrie-, Gewerbe- und sonstigen Wirtschaftsgebäuden geeignet” [9].
Bisher bekannte Doppelwandelemente bestehen üblicherweise aus kongruenten Betonfertigplatten, welche sich mit ihren Flachseiten gegenüberliegen. Zwischen den Flachseiten ist i. d. R. ein Dämmmaterial als Kerndämmung angeordnet. Nachteil dieser Doppel- und Thermowandelemente ist jedoch, dass die opaken Wärmegewinne aufgrund der permanent vorhandenen Dämmung vergleichsweise gering sind und aufgrund des offenen und inhomogenen Gefüges des Normalbetons (vergleichsweise hohe Permeabilität) kein Vakuum innerhalb der Schalen erzeugt werden kann.
Des Weiteren nehmen bei bisher bekannten Doppel- und Thermowandelemente die Bauteilaufbauten (Wanddicken) mit zunehmender Wärmeisolationslast zu, da die Wärmeleitfähigkeit der Kerndämmung nicht reduziert werden kann. Selbst eine Ausführung mit Vakuumisolationspaneelen als Kerndämmung bedingt wieder das Problem beschrieben in [0008].
Tragkonstruktionen aus normalfesten Betonen haben weiterhin den Nachteil, dass sie auf Grund des schlechten Rohdichte-Festigkeits-Verhältnisses des Materials deutlich schwerer als vergleichbare Konstruktionen aus Stahl oder Holz sind. Darüber hinaus müssen die Querschnitte aus schalungstechnischen Gründen und zum sachgemäßen Einbau der Bewehrung, und des Betons bestimmte Mindestabmessungen besitzen, die ebenfalls zur Erhöhung der Konstruktionseigenlast und der Wanddicke beitragen [10], [11].
Hochfeste (HFB) bzw. ultrahochfeste Betone (UHFB, engl. UHPC) weisen im Vergleich zu normalfesten Betonen höhere Druckfestigkeiten und günstigere Rohdichte-Festigkeits-Verhältnisse auf. Weiterhin besitzen hochfeste und ultrahochfeste Betone aufgrund ihres sehr dichten und homogenen Gefüges, sehr hohe Dichtigkeitswerte (geringe Permeabilität) und hervorragende Dauerhaftigkeitseigenschaften, die sich positiv auf die Nachhaltigkeit der Konstruktion auswirken [10], [11], [15].
Die genannten Eigenschaften von hochfesten und ultrahochfesten Betonen lassen sich mit der erfindungsgemäßen Konstruktion des Vakuum-Isolationselements sehr gut ausnutzen. Die zuvor genannten Nachteile eines durch Beton isolierten Vakuums, als auch jener, die durch den Einsatz herkömmlicher Vakuumisolationspaneele entstehen, lassen sich durch die Ansprüche dieser Patentschrift vermeiden.
Aufgabenstellung
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung von evakuierbaren, tragenden Isolationselementen aus Beton, die als multifunktionelle Bauteile, beispielsweise zur thermischen Isolation, für die Nutzung von opaken Wärmegewinnen und/oder zur Raumklimawirkung eingesetzt werden können.
Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Vakuum-Isolationselement zu schaffen, bei dem die nachfolgend geforderten Eigenschaften erfüllt sind.

• Das Vakuum-Isolationselement besteht aus einer Kernschicht (KS) aus offenporigen, mikroporösen Material, umhüllt von einer tragfähigen Schicht (S bzw. S1 und S2) aus Beton.
• Zur Wärmeisolation kann die Kernschicht über ein im Beton eingearbeitetes Ventil bei Bedarf evakuiert werden.
• Bei Bedarf kann die Kernschicht zur opaken Energiegewinnung über ein im Beton eingearbeitetes Ventil belüftet werden, wodurch sich der Wärmedurchlasswiderstand der Wand gezielt steuern lässt.

Herstellungsverfahren
Negativabdruck mit Klebefuge
Schritt 1) Bei diesem Herstellungsverfahren wird der Probekörper in seiner Konstruktion in zwei unabhängige Bauteile aufgeteilt (Oberschale und Unterschale), welche getrennt voneinander betoniert werden.
Dabei wird die Oberschale über eine Negativform gefertigt, in welcher bereits sowohl eine Vertiefung für die spätere Vakuumschicht eingearbeitet ist, als auch die benötigten Evakuierungs-/Belüftungsstutzen eingesetzt sind. Die Unterschale wird als gewöhnliche Betonplatte gegossen.
Schritt 2) Im Anschluss an eine durch die Ansprüche dieser Patentschrift beschriebene Aushärtungs- und Nachbehandlungsphase beider Hälften wird eine mikroporöse Dämmschicht in die zuvor gefertigte Vertiefung eingebracht und die beiden Betonhälften werden anschließend mittels Klebefuge luftdicht und kraftschlüssig verbunden.
Frisch-in-Frisch Betonage
Bei diesem Verfahren wird der Probekörper innerhalb einer Betonage komplett gefertigt. Hierfür wird innerhalb einer speziellen, senkrecht stehenden Schalung die mikroporöse Dämmschicht vorab eingehängt und mit dem Frischbeton vergossen. Die einzigen verbleibenden Anschlusspunkte zur evakuierbaren Dämmschicht stellen lediglich die Vakuumanschlussventile dar.
Zitierte Patentliteratur:

[1] EP-A 1 498 680 [0006]
[2] EP-B 0 672 524 [0006]
[3] EP-B 922 563 [0006]
[4] WO 2008/095931 [0006]
[5] US-B 6,765,031 [0006]
[6] WO 2009/077616 [0006]
[7] DE 10 2011 108 755 A1 [0006]
[8] DE 10015876 A1 [0007], [0009]
[9] DE 10 2012 102 515 A1 [0019]
[10] DE 10 2006 056 866 A1 [0013], [0014], [0015], [0016], [0018], [0022], [0023]
[11] EP 1930520 A2 [0013], [0014], [0015], [0016], [0018], [0022], [0023]
[12] WO 2013/030020 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

[13] Gierga, M.: EnEV 2009 – Energie-Einsparverordnung Leitfaden für Wohngebäude. in Arbeitsgemeinschaft Mauerziegel im Bundesverband der Deutschen Ziegelindustrie e. V. (Hrsg.): 6. Ausgabe, September 2009, S. 13
[14] Homepage Va-Q-Tec: Qualitätssicherung-Lebensdauer der Vakuumdämmung. http://www.va-q-tec.com/de/Lebensdauer-der-Vakuumdaemmung-30.html Zugriffszeit: 11:54 Uhr – 06.03.2014
[15] Ludwig, H.-M., Thiel, R.: Dauerhaftigkeit von UFHB. in: König, G., Holschemacher, K., Dehn, F. (Hrsg.): Ultrahochfester Beton. Innovationen im Bauwesen. Beträge aus Wissenschaft und Praxis, 1. Aufl., Bauwerk Verlag, Berlin, 2003, S. 89–106

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

EP 1498680 A [0005]
EP 0672524 B [0005]
EP 922563 B [0005]
WO 2008/095931 [0005]
US 6765031 B [0005]
WO 2009/077616 [0005]
DE 102011108755 A1 [0005]
DE 10015876 A1 [0008]
DE 102012102515 A1 [0010]

Claims

Vakuum-Isolationselement aus Beton sowie Verfahren zu dessen Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Trag- und Isolationsfunktion besitzt.
Vakuum-Isolationselement, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen mehrschichtigen Aufbau besitzt, wobei die innenliegende Kernschicht (KS) die Isolationsfunktion und die umhüllenden Schichten (S bzw. S1 und S2) die Tragfunktion übernehmen.
Vakuum-Isolationselement gemäß Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (KS) des Elements teilweise oder vollständig aus einem offenporigen Material besteht, welches einen mikroporösen Charakter besitz und evakuierbar ist.
Vakuum-Isolationselement gemäß Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die umhüllenden Schichten aus Beton mit einer Druckfestigkeit von mindestens 25 N/mm² hergestellt werden.
Vakuum-Isolationselement gemäß Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (KS) des Elements teilweise oder vollständig aus einem Material besteht, welches hitze- und/oder kältebeständig ist.
Vakuum-Isolationselementgemäß Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kernschicht (KS) maximal 200 mm, bevorzugt 20 bis 75 mm beträgt.
Vakuum-Isolationselement gemäß Anspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die umhüllende Schicht (S bzw. S1 und S2) auf einer Seite mit einer Möglichkeit zur aktiven Evakuierung und/oder Belüftung der Kernschicht (KS) versehen ist.
Vakuum-Isolationselement gemäß Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die umhüllende Schicht (S bzw. S1 und S2) eine ausreichende Luftdichtigkeit (geringe Permeabilität) besitzt, um einen aktiven Unterdruck kleiner gleich 20 hPa innerhalb der Kernschicht (KS) zu realisieren.
Vakuum-Isolationselement gemäß Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die umhüllende Schicht (S bzw. S1 und S2) des Elements starrer ist im Vergleich zum restlichen Aufbau.
Vakuum-Isolationselement gemäß Anspruch 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die umhüllende Schicht (S bzw. S1 und S2) zur Steigerung der Druck- und/oder Zugfestigkeit und zur Sicherstellung der Gebrauchstauglichkeit Zuschläge an Kunst-, Karbon-, Stahl-, und/oder Glasfasern enthalten kann.
Vakuum-Isolationselement gemäß Anspruch 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die umhüllende Schicht (S bzw. S1 und S2) zur Sicherstellung der Tragfähigkeit eine Textil-, Glas- und/oder Karbonbewehrung enthalten kann.
Verfahren zur Herstellung eines Vakuum-Isolationselements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die umhüllende Schicht (S1 und S2) als Abgrenzung zur Kernschicht (KS) aus zwei einzeln betonierten Schalenteilen hergestellt wird (Schalensystem).
Verfahren zur Herstellung eines Vakuum-Isolationselements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die kraftschlüssige- und luftdichte Verbindung der einzelnen, vorgefertigten Schalenteile (S1 und S2) mit einer Klebefuge realisiert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Vakuum-Isolationselements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die umhüllende Schicht (S) monolithisch aus einer einzigen Betonage (Frisch-in Frisch) ohne Klebefuge hergestellt wird, wobei die Kernschicht (KS) mit dem Frischbeton ummantelt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Vakuum-Isolationselements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdichtigkeit (geringe Permeabilität) der umhüllenden Schicht (S, S1 und S2), durch eine teilzeitig durchgeführte Lagerung/Nachbehandlung unter erhöhtem Druck und/oder Wärmezufuhr erhöht werden kann.
Verfahren zur Herstellung Vakuum-Isolationselements, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdichtheit der umhüllenden Schicht (S, S1 und S2) vollständig oder teilweise mit einer zusätzlichen Dichtheitsschicht versehen werden kann.