DE19802027A1 - Transparente Wärmedämmung für Bauwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine transparente Wärmedämmung für Bauwerke, bei der auf eine als Wärmespeicher dienende Wand eine Schicht aus parallel zueinander und senkrecht zur Wand ausgerichteten Glasröhrchen aufgebracht ist, die außenseitig verschlossen ist. Diese transparente Wärmedämmung kann insbesondere auch als Bauelement erstellt sein.

Die transparente Wärmedämmung (TWD) mit Hilfe von zu Bauelementen zusammengefaßten parallel ausgerichteten Glas- oder Kunststoffröhrchen ist in verschiedenen Varianten bekannt. In der Regel bestehen solche TWD-Systeme aus einer Schicht parallel zueinander und senkrecht zu einer Front ausgerichteter Röhrchen, die einseitig oder beidseitig mit einer transparenten Schicht abgeschlossen sind. Anbieter solcher Systeme sind beispielsweise die Firmen Schott unter der Bezeichnung HELIORAN und die Firma Sto unter der Bezeichnung StoTherm Solar. Diese Systeme bedingen eine zweischalige Bauweise.

Solche TWD-Systeme können beispielsweise vor eine Fassade gehängt werden und sind geeignet, einfallendes Licht durch die Kapillarröhrchen auf eine vor der Wand angeordnete Absorberschicht zu führen, wo es in Wärme umgewandelt wird. Schwarz eingefärbte Absorberschichten ergeben einen Umwandlungsgrad von bis zu 95%. Die dadurch erzeugte Wärme wird von der Absorberschicht auf die dahinter befindliche Massivwand übertragen, die die Wärme aufnimmt und speichert. Die von der Speicherwand gespeicherte Wärme wird zeitverzögert an den Innenraum abgegeben. Die ansonsten kalten Außenwände fungieren soweit als großflächige kapillare Heizkörper. Die Massivwand wird als Wärmespeicher genutzt. Gleichzeitig verhindert die transparente Wärmedämmung den Wärmeverlust nach außen, da die in den Röhrchen eingeschlossene Luft zugleich als Isolierschicht dient. Die Abstrahlung der Wärme von der Wand nach außen wird durch das geringe Transmissionsvermögen der Glasröhrchen für Infrarotstrahlung stark reduziert.

Die Bauweise der TDW-Systeme mit parallel ausgerichteten und senkrecht zur Absorberschicht und Speicherwand ausgerichteten Glasröhrchen erlaubt eine recht gute Adaptierung an die Einstrahlungsverhältnisse. In den Morgen- und Abendstunden wie auch im Winter, bei niedrigem Sonnenstand, wird ein Großteil des eingestrahlten Lichtes direkt durch die Glasröhrchen auf die Absorberschicht geleitet. Dadurch kommt es zu einer recht guten Nutzung des zur Verfügung stehenden Lichts. Bei hochstehender Sonne in den Mittagsstunden und in der warmen Jahreszeit bedingt der steilere Einfallwinkel eine vergleichsweise größere Reflektion der Sonnenstrahlung und damit eine herabgesetzte Umwandlung von Licht in Wärmeenergie. Das System ist dadurch bis zu einem gewissen Grade selbst adaptierend.

Die bekannten TWD-Systeme haben - neben den zuvor geschilderten Vorteilen - jedoch eine Reihe von Nachteilen. So sind die bislang zur Verfügung stehenden Bauelemente im wesentlichen nur dazu geeignet, vor eine Fassade gehängt zu werden. In diesem Fall fehlt eine optimale Anbindung an den Absorber und den Wärmespeicher. Hinter den TWD-Modulen vorhandene Luftbrücken erlauben eine gewisse Luftzirkulation, was dazu führt, daß ein Teil der Wärmeenergie auch außen verlorengeht.

Desweiteren haben die in Elementbauweise erstellten TWD-Systeme zwar einen optimalen Wirkungsgrad im Winter, bedürfen jedoch im Sommer, nicht nur bei Sonnenhöchststand, der Verschattung, da ansonsten eine Überhitzung auftreten kann. Eine Überhitzung kann zum einen die Konstruktionselemente schädigen, ist aber auch, was die Wärmeabgabe an die Innenräume anbetrifft, im Sommer zumeist unerwünscht. Die nötigen Verschattungsvorrichtungen verteuern aber eine solche Anlage unter Umständen bis hin zur Unwirtschaftlichkeit. Darüberhinaus sind die Oberflächen damit wenig gestaltungsfähig und auch farblich unattraktiv.

Es ist auch bekannt, TWD-Elemente unmittelbar auf die Massivwand aufzubringen, und zwar mit Hilfe von Klebern, die gleichzeitig als Absorbermasse dienen. Solche Kleber sind in der Regel schwarz eingefärbt, um eine möglichst hohe Umwandlung des einstrahlenden Lichts in Wärme zu gewährleisten. Durch die schwarze Einfärbung entsteht aber bei intensiver Lichteinstrahlung unter Umständen eine so hohe Temperatur, daß konstruktive Schäden an den Elementen auftreten. Die von einer solchen Absorbermasse verlangte Elastizität wirkt sich dann nachteilig aus, da der für die Konstruktion benötigte Stützeffekt beeinträchtigt wird. Andererseits ist aber die schwarze Einfärbung einer solchen Absorberwand in der Regel erforderlich, um eine hinreichend hohe Umwandlung des eingestrahlten Lichts - vor allem im Winter - in Wärme zu gewährleisten. Die vor allem zur Mittagszeit erforderliche Verschattung der Systeme zur Temperatursteuerung beeinträchtigt aber die Wärmeerzeugung zur dafür günstigsten Tageszeit, sodaß die Wärmespeicherkapazität der mit der transparenten Wärmedämmung gekoppelten Absorberwand nicht optimal genutzt werden kann. Die für solche Kleber- und Absorbermassen häufig verwandten synthetischen Bindemittel sind zudem nicht immer gute Wärmeleiter, was die Überhitzung fördert und den Wirkungsgrad herabsetzt.

Wie schon erwähnt, bestehen Elemente zur transparenten Wärmedämmung aus Glas- oder Kunststoff. Dabei hat sich Glas als idealer Werkstoff herausgestellt. Glas hat eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine nahezu unbegrenzte Haltbarkeit, sofern es nicht mechanischen Belastungen ausgesetzt wird. Eine obere Grenze wird bei den bekannten TWD-Bauelementen derzeit durch die im Rahmenverbund verwendeten Klebstoffe gesetzt. Die optischen Eigenschaften von Glas - praktisch vollständige Transmission im sichtbaren Bereich und weitgehende Undurchlässigkeit im Infrarotbereich - machen es zum idealen Werkstoff für die transparente Wärmedämmung.

Werden Bauelemente für die transparente Wärmedämmung aus transparentem Kunststoffrohren hergestellt, beispielweise aus Polycarbonat, treten allerdings gewisse Nachteile bei der Temperatur- und UV-Beständigkeit auf. Auch neigen Kunststoffe zum Altern und Verspröden, was die anfänglichen Vorteile hinsichtlich Elastizität und Bruchfestigkeit aufhebt.

Die bisher bekannten Bauelemente für die transparente Wärmedämmung sind vorgefertigte Elemente, die auf die zu dämmende bzw. zu wärmende Wand aufgesetzt werden und ggfs. über eine Absorberschicht mit ihr verbunden werden. Für solche Absorberschichten haben sich Bindemittel auf Kunststoffbasis durchgesetzt, die allerdings sehr temperaturempfindlich sind und in der Verarbeitung relativ aufwendig sind. Die Einbettung der Kapillarröhrchen in mineralische Mörtelmassen hat sich bislang wenig bewährt, da die Temperaturprobleme bei Kunststoffröhrchen nicht gelöst werden konnten und bei Glasröhrchen Schäden entstehen, die durch die thermische Ausdehnung der Mörtelmassen bedingt sind.

Andererseits wäre es wünschenswert, über TWD-Bauelemente zu verfügen, die direkt in eine auf die Speicherwand aufgebrachte thermisch stabile Absorberschicht aus einer Mörtelmasse aufgesetzt und eingebettet werden können.

Diese Aufgabe wird mit einer transparenten Wärmedämmung für Bauwerke der eingangs genannten Art gelöst, bei der Glasröhrchen wandseitig in eine auf die Wand aufgebrachte, elastisch modifizierte und als Absorberschicht dienende Mörtelschicht eingebettet sind.

Es wurde überraschend gefunden, daß bei Verwendung von Glasröhrchen als Elementen für die transparente Wärmedämmung und einer elastisch modifizierten Mörtelschicht, in die diese Glasröhrchen mit ihrem wandseitigen Ende eingebettet werden, die thermischen Probleme beherrscht werden können und insbesondere keine Zerstörung der Glasröhrchen durch die thermische Ausdehnung der Mörtelmasse mehr auftritt.

Als Mörtelarten können an und für sich bekannte verwandt werden. Beispielsweise sind hydraulisch schnell abbindende Trockenmörtel mit weißen Portlandzement nach DIN 1164 und hochwertigen Füll- und Zusatzstoffen samt Additiven gut geeignet. Ein solcher Mörtel, der auch als "Marmorkleber" bezeichnet wird, hat beispielsweise eine Dichte von 1,3 g/cm³ (Schüttdichte 1,5 g/cm³) und härtet nach dem Anmischen mit Wasser relativ schnell hydraulisch aus. Der Frischmörtel ist geschmeidig, hat eine gute Kontakthaftung und ein hohes Wasserrückhaltevermögen, so daß wenig Gefahr besteht, daß Wasser aus der Mörtelmasse in die aufgebrachten TWD-Bauelemente ausläuft. Der erhärtete Mörtel ist beständig gegen Feuchtigkeit und ausreichend verformbar gegenüber temperaturbedingten Verformungen, was ihn kompatibel mit den eingebetteten Glasröhrchen macht.

Als weitere Mörtelmassen kommen Mörtel mit mineralischen Bindemitteln wie Kalkhydrat, weißem Portlandzement PZ 45F nach DIN 1164 und mineralischen Leichtzuschlägen in Frage. Solche Leichtputze haben ein Dichte von 0,6 g/cm³ (Schüttdichte 0,8 g/cm³). Der erhärtete Leichtputz ist wasserabweisend und hat ein günstiges Verformungsverhalten. Er ist voll mit den Glasröhrchen kompatibel.

Weitere Mörtelmassen, die für die Absorberschicht in Frage kommen, sind Restauriermörtel einer Dichte von 1,6 g/cm³. Sie bestehen aus der eigentlichen Mörtelmasse sowie Bindemittel und Zuschlagsstoffen und besitzen eine gute Elastizität bei der Verarbeitung und eine ausreichende Elastizität nach dem Aushärten.

Alle angeführten Mörtelmassen sind hinreichend thermisch stabil und so ausgebildet und modifiziert, daß an den Einbettungsstellen der Glasröhrchen keine unzuträglichen Spannungen übertragen werden.

Es ist besonders bevorzugt, daß die auf die Wand aufgebrachten Mörtelschichten aus kunststoffmodifizierten mineralischen Mörtelmassen bestehen, wobei die mineralischen Bestandteile eine gute Wärmeleitfähigkeit mit sich bringen.

Zur Umwandlung des eingestrahlten Lichts in Wärme, die für die transparente Wärmedämmung erwünscht ist, ist es zweckmäßig, die als Absorberschicht dienende Mörtelschicht entsprechend einzufärben. Dabei kann die Einfärbung so gewählt werden, daß sie der eingestrahlten Lichtenergie gerecht wird. Dazu ist es zweckmäßig, an exponierten Südlagen keine schwarze Pigmentierung zu verwenden, um die Temperaturen in einem zuträglichen Bereich zu erhalten. Beispielsweise kann mit dunklen oder hellen blauen, grünen, roten oder gelben Farbtönen gearbeitet werden. An weniger exponierten Stellen, beispielsweise in einer Ost- oder Südostlage oder einer West- oder Nordwestlage ist es ohne weiteres möglich, mit dunkler Pigmentierung, bis hin zu schwarzer Färbung zu arbeiten, um eine hohe Absorption des eingestrahlten Lichts zu erreichen. Beispielsweise wird mit schwarzer Pigmentierung eine Absorption im Bereich von 90 bis 95% erreicht, mit hellen oder dunklen farbigen Pigmentierungen entsprechend geringere Werte, beispielweise 40 oder 60%. Bevorzugt sind mineralische Pigmente, insbesondere Eisenoxidpigmente.

Die Mörtelschicht hat in der Regel eine Dicke von 10 bis 20 mm, was voll ausreichend ist, um den aufgebrachten Bauelementen für die transparente Wärmedämmung eine gute Anbindung und zusätzlichen Halt zu geben. Im allgemeinen ist es aber zweckmäßig, über die Einbettung in die Mörtelmasse hinaus eine zusätzliche Befestigung oder Abstützung vorzusehen.

Als Glasröhrchen werden solche einer Länge von 2 bis 15 cm bei einem Durchmesser von 3 bis 20 mm und einer Wandstärke von 0,05 bis 0,5 mm eingesetzt. Solche Glasröhrchen sind beispielsweise von der Fa. Schott erhältlich und werden derzeit in den bekannten HELIORAN-Bauelementen eingesetzt. Die Glasröhrchen werden nach dem sog. Danner-Verfahren hergestellt und mit einem Laser geschnitten.

Die erfindungsgemäße transparente Wärmedämmung befindet sich vor einer Massivwand, die die erzeugte Wärme zu speichern vermag. Dazu ist die Wandstärke zweckmäßigerweise so bemessen, daß die durch die Umwandlung des eingestrahlten Lichts erzeugte Wärme mit einer Zeitverzögerung von 4 bis 10 Stunden, besonders bevorzugt etwa 6 Stunden an den angrenzenden Innenraum abgegeben wird. Bei Verwendung von Kalksandsteinen oder Ziegeln ist im allgemeinen dazu eine Wandstärke von 15 bis 40 cm, insbesondere 20 bis 25 cm zweckmäßig. Bevorzugt ist die Verwendung von Kalksandsteinen, Vollziegeln und Beton für die Massivwand.

Dickere Wandstärken können dann von Vorteil sein, wenn eine hohe Speicherkapazität aufgebaut werden soll, um beispielsweise Wärme über ein Wärmetauschersystem periodisch abzuziehen.

Die auf die Wand aufgebrachte Schicht aus Glasröhrchen wird zweckmäßigerweise außenseitig transparent abgeschlossen. Auf diese Art und Weise wird das Eindringen von Schmutzpartikeln, Feuchtigkeit und dergleichen ausgeschlossen und- eine isolierende Luftschicht erzeugt. Zweckmäßigerweise erfolgt der Abschluß in bekannter Weise mit einer auf das Element aufgebrachten Glasplatte. Verwendbar sind ferner auch an und für sich bekannte transparente Putze, die einen Abschluß der Röhrchen nach außen gewährleisten, dabei den Lichteintritt aber nicht allzusehr behindern. Tatsächlich kann ein solcher transparenter Putz einen gewissen erwünschten Verschattungseffekt mitsichbringen, insbesondere bei steil einstrahlender Sonne im Sommer, und damit einer unerwünscht hohen Wärmeentwicklung entgegenwirken.

Die erfindungsgemäße transparente Wärmedämmung wird zweckmäßigerweise als Bauelement oder Modul gefertigt, wobei die Röhrchen in einer außenseitig abgeschlossenen Rahmenkonstruktion gehaltert werden. Diese Bauelemente werden dann an der gewünschten Stelle in die auf der zu dämmenden Wand aufgebrachte Mörtelschicht eingedrückt und dort gehaltert. In der Regel wird es nicht so sein, daß eine gesamte Fassadenfläche mit diesen TWD-Elementen belegt wird, sondern nur an ausgewählten Stellen, um eine gezielte Beheizung von Innenräumen zu ermöglichen. Im übrigen wird die Fassade mit herkömmlichen Dämmelementen verdämmt, in die die TWD-Bauelemente eingepaßt sind.

Versuche mit TWD-Bauelementen aus in einem Rahmen gehalterten Glasröhrchen einer Länge von 10 cm, einem Durchmesser von 8 mm und einer Wandstärke von 0,1 mm ergaben mit Kalksandstein-, Beton- und Porenbetonwänden verschiedener Dichte und Dicke einen Energiegewinn im Bereich von 50 bis 150 kWh/m²Jahr (s. Fig. 1). Gleichzeitig traten in Abhängigkeit von der Schichtdicke Phasenverschiebungen von 3 Stunden 40 Minuten bis 8 Stunden 44 Minuten bei Wärmetransport zur Innenseite der Absorberwand auf (s. Tab). Phasenverschiebungen von etwa 6 Stunden haben sich als besonders zuträglich erwiesen, da sie die tagsüber eingefangene Wärme in den Abendstunden und über Nacht wieder abgeben.

Die erfindungsgemäße transparente Wärmedämmung kann ohne weiteres mit einem üblichen Wärmetauschersystem verbunden werden, um die erzeugte Wärme für die Heizung entfernt liegender Räume oder für die Warmwasserbereitung zu nutzen. Das Wärmetauschersystem ist dabei zweckmäßigerweise in der Mörtelschicht verlegt, kann aber auch in die Speicherwand integriert sein. Die gewonnene Wärme kann beispielsweise auch in einen sekundären Wärmespeicher abgeführt werden.

Claims (12)

1. Transparente Wärmedämmung für Bauwerke, bei der auf eine als Wärmespeicher dienende Wand eine Schicht aus parallel zueinander und senkrecht zur Wand ausgerichteten Glasröhrchen aufgebracht ist, die außenseitig verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasröhrchen wandseitig in eine auf die Wand aufgebrachte, elastisch modifizierte und als Absorberschicht dienende Mörtelschicht eingebettet sind.

2. Wärmedämmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mörtelschicht aus einem kunststoffmodifiziertem, temperaturbeständigen mineralischen Mörtel besteht.

3. Wärmedämmung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mörtelschicht pigmentiert ist.

4. Wärmedämmung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mörtelschicht mineralische Pigmente aufweist, vorzugsweise Eisenoxidpigmente.

5. Wärmedämmung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pigmentierung auf die Ausrichtung der Wand zum Lauf der Sonne abgestimmt ist.

6. Wärmedämmung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mörtelschicht eine Dicke von 10 bis 30 mm aufweist.

7. Wärmedämmung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Glasröhrchen einer Länge von 20 bis 15 mm, einem Durchmesser von 3 bis 20 mm und einer Wandstärke von 0,05 bis 0,5 mm.

8. Wärmedämmung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die als Wärmespeicher dienende Wand eine Stärke aufweist, die so bemessen ist, daß die aufgenommene Wärme mit einer Phasenverschiebung von wenigstens 6 Stunden die Innenseite erreicht.

9. Wärmedämmung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die als Absorber dienende Wand aus Beton, Kalksandstein oder Vollziegeln besteht und eine Stärke von 15 bis 40 cm aufweist, vorzugsweise wenigstens 20 cm.

10. Wärmedämmung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Glasröhrchen außenseitig eine abschließende Glasplatte aufweist.

11. Wärmedämmung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Glasröhrchen außenseitig mit einem transparenten Putz verschlossen ist.

12. Transparente Wärmedämmung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Bauelement gefertigt ist, das auf die elastisch modifizierte und als Absorberschicht dienende Mörtelschicht aufsetzbar und darin wandseitig einbettbar ist.