DE202016004998U1

DE202016004998U1 - Wandelement mit reflektierender Beschichtung zur Verminderung des Wärmedurchgangs an Aussenwänden

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Publication number: DE202016004998U1
Application number: DE202016004998.5U
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Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2026-08-18

Abstract

Wandelement, bestehend aus zementgebundenen und verputzfähigen Fassadenplatten (4), die im Klebeverfahren mit einer hochglänzenden Aluminiumfolie (3) beschichtet sind und mittels einer Unterkonstruktion aus Holzlatten (2) auf Gebäudeoberflächen aus Mauerwerk oder dergleichen (1) befestigt werden.

Description

Problemstellung
Nach den thermodynamischen Gesetzen verlagert sich Wärmeenergie vom höheren Energieniveau in Bereiche mit einem geringeren Energieniveau. Dies gilt auch bei Gebäuden mit Außenwänden beliebiger Bauart und führt dazu, dass die in der Heizperiode investierte Heizenergie dem Gebäude verloren geht und durch Beheizungsvorgänge ersetzt werden muss, damit das gewünschte Raumklima erhalten bleibt. Hierdurch entstehen die Beheizungskosten, die durch die Entwicklung der Energiepreise zu einer beträchtlichen Erhöhung der Wohnungskosten geführt haben. Das Bestreben liegt darin, die Beheizungskosten niedrig zu halten.
1) Bisherige Problemlösungen
Die Problemlösungen sind staatlicherseits durch die Energieeinsparverordnung (EnEV) aus dem Jahr 2002 vorgegeben. Sie bestehen bei der Gebäudekonstruktion überwiegend darin, dass auf die Gebäudeaußenwände Dämmstoffe appliziert werden. Vorzugsweise werden diese Dämmstoffe auf den Aussenwandoberflächen aufgebracht und mit wetterfesten Beschichtungen oder mit vorgehängten hinterlüfteten Fassadenelementen abgedeckt. Seltener werden die Dämmstoffe auf den Innenwandoberflächen angebracht, da sie dort häufig zu Tauwasserschäden führen. Die notwendige Dicke der Dämmschichten ergibt sich aus der Berechnung des U-Werts der gesamten Wandkonstruktion, der derzeit (2016) nicht grösser als 0,260 [W/m²K] sein darf. Im Verlauf der vergangenen Jahre wurde der zulässige U-Wert ständig verkleinert und es muss damit gerechnet werden, dass er im Zuge der künftigen Novellierung der EnEV auf 0,200 [W/m²K] oder noch niedriger festgesetzt werden wird. Die Folge war bisher, dass die Dämmstoffdicken von 60 auf 200 mm angestiegen sind.
2) Kritik an den Problemlösungen nach EnEV
Bei der Verabschiedung der EnEV im Jahre 2001 durch den Bundesrat wurde die Vorlage eines Erfolgsberichtes im Jahr 2008 ausbedungen. Ein Erfolgsbericht konnte bis heute jedoch nicht vorgelegt werden. In der ersatzweise vorgelegten „Unterrichtung” des Bundesrats wurde von Erfolgen nicht berichtet.
In der GEWOS-Studie aus dem Jahr 1997 wird berichtet, dass durch den Einsatz von Aussendämmungen der Heizenergieaufwand sogar um 17% angestiegen ist. In der Praxis wird dieses Ergebnis sehr häufig bestätigt.
In einer Studie der PROGNOS AG wird die Energieeinsparpolitik der Bundesregierung als gescheitert angesehen. Für einen Planungshorizont im Jahr 2050 wurde ermittelt, dass eine Senkung des Heizenergieaufwands um 500 Mrd. € mit einer Investition von 800 Mrd. € verbunden ist.
3.1) Konstruktive Nachteile von Aussendämmungen (WDVS)
Die üblichen WDVS bestehen aus deiner Dämmschicht mit einer Abdeckung aus dünnen Putzbeschichtungen. Die Dämmschichten sind weich, die Beschichtungen hart. Insbesondere bei wechselnder solarer Einstrahlung geraten die Beschichtungen unter thermische Spannungen, die zur Rissbildung führen. Über die Risse dringt Wasser in die Dämmschichten ein. Die durchfeuchteten Dämmschichten verlieren hierbei ihre dämmende Wirkung. Im weiteren Schadensverlauf kommt es zur Zerstörung der Konstruktion, vor allem durch Frosteinwirkung.
WDVS müssen auch in die Fensterlaibungen geführt werden um am Übergang vom Fenster in die Außenwand sog. „Wärmebrücken” zu vermeiden. Bei einer Stärke von 150 mm des WDVS werden hierdurch bei Bestandsbauten Die Fensterbreiten um 300 mm kleiner, wodurch sich die Belichtungsverhältnisse verschlechtern. Meistens werden auch die Fensterhöhen verkleinert.
3.2) Physikalische Nachteile von Aussendämmungen (WDVS)
WDVS koppeln die Gebäudeoberfläche von der Zufuhr exogener Energie ab.
Es handelt sich hier um Solarenergie, Einstrahlung aus der Umgebung und in geringerem Umfang um die Diffusstrahlung. Hierin wird die Ursache für die Erhöhung des Heizenergieaufwands gemäss Ziff. 3 erblickt.
An hochsommerlichen Tagen mit großer relativer Luftfeuchtigkeit diffundiert Wasserdampf in das WDVS ein und kondensiert an der Grenzschicht Mauerwerk/Dämmschicht. Es kommt zur Durchfeuchtung des Dämmstoffs und zur Durchfeuchtung des Mauerwerks bis zur Innenoberfläche hin, an der sich sodann Schwarzschimmel bildet. Hierbei verliert das WDVS einen großen Teil seiner dämmenden Eigenschaften.
Ein weiterer sehr häufiger Schaden bei WDVS besteht in der Verpilzung und Veralgung der Fassadenoberfläche, die ihre Ursache darin haben, dass WDVS wegen ihrer geringen Masse und Wärmekapazität sehr rasch durch Abstrahlung von Wärmeenergie auskühlen und sodann die Fassadenoberfläche zur Kondensationsebene für atmosphärischen Wasserdampf wird. Die Fassadenoberfläche wird somit nass und zur Vegetationsfläche für Pilze und Algensporen. Die Veralgung führt zur Zerstörung der Fassadenoberfläche. Die den Beschichtungsputzen beigemengten bioziden Mittel werden durch Regenwasser ausgewaschen und nach etwa fünf Jahren wirkungslos. Daher muss die Tränkung der Fassadenoberflächen mit bioziden Mitteln im sechsjährigen Rhythmus erneuert werden.
3.3) Brandsicherheit von Aussendämmungen (WDVS)
Fast immer werden WDVS mit Dämmstoffen aus Polystyrol gebaut. Dieses Material ist als „schwer entflammbar” eingestuft. Tatsächlich entzündet sich dieses Material sehr leicht. Inzwischen ist es zu zahlreichen Vorfällen gekommen, bei denen in wenigen Minuten so gebaute WDVS abgebrannt sind. Die beim Brand entstehenden Gase können in die Wohnungen eindringen und sind lebensbedrohend.
3.4) Zusammenfassende Kritik an WDVS
Die Ausführungen unter Ziff. 3.1) bis 3.3) zeigen, dass Aussendämmungen (WDVS) wenig durchdachte Konstruktionen sind. Die Einsparung von Heizenergie bleibt fast immer aus, die konstruktiven und bauphysikalischen Nachteile sind gravierend. In Verbraucherkreisen hat sich das mittlerweile herumgesprochen, sodass die Umsätze der Dämmstoffindustrie seit einigen Jahren rückläufig sind. Bei genauer Betrachtung „leben” WDVS nur noch von den Bestimmungen der EnEV, die nur durch den exzessiven Verbrauch von dicken Dämmstoffen rechnerisch – jedoch nicht praktisch – erfüllt werden können.
4. Die neuartige Technologie
Der Unterzeichner und Antragsteller Dipl.-Ing.(FH) Christoph Schwan hat bei seiner Beschäftigung mit bauphysikalischen Problemen herausgefunden, dass bei der energetischen Betrachtung von Gebäudeoberflächen den Wärmestrahlungsprozessen erhebliche Bedeutung zukommt. Inzwischen schätzt er auf der Grundlage von Berechnungen nach dem Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann ein, dass Strahlungsprozesse an Gebäudeoberflächen mit etwa 80% am Energieumsatz beteiligt sind. Erstaunlicherweise werden in den Berechnungen zur EnEV Strahlungsprozesse nicht behandelt.
Wärmestrahlung gehört zu den elektromagnetischen Wellen und verhält sich grundsätzlich wie sichtbares Licht. Wärmestrahlung kann daher auch reflektiert werden. Bei der technischen Umsetzung werden hochglänzende Aluminiumfolien verwendet, bei denen der Emissionskoeffizient mit 0,04 W/m² × δ × K⁴ angenommen werden kann. Praktisch bedeutet das, dass an reflektierenden hochglänzenden Aluminiumfolien 96% der eintreffenden Wärmestrahlung reflektiert werden.
Betrachtet man den baupraktischen Fall einer Gebäudeoberfläche mit einer Temperatur von +10°C (283 K), errechnet sich die emittierte Strahlungsleistung nach dem Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann zu 5,762 × 0,90 × (283/100)⁴ = 332,72 W/m².
Trifft diese Strahlungsleistung auf eine Aluminiumoberfläche mit dem Emissionskoeffizienten von 0,04, beträgt die Leistung aus Reflexion 319,41 W/m². Der überwiegende Teil der Wärmestrahlung wird also reflektiert und bleibt somit dem Gebäude erhalten. Auf dieser Gesetzmäßigkeit beruht die hier vorgestellte Erfindung.
4.1 Technische Umsetzung der TERMOSFASSADE
Die Erfindung besteht aus wetterbeständigen Fassadenplatten, die auf der dem Gebäude zugewandten Seite mit hochglänzender Aluminiumfolie beschichtet sind und auf einer Unterkonstruktion aus Holzlatten mit 30–40 mm Stärke an den Gebäudeoberflächen befestigt werden. Je nach Beschaffenheit können die Platten aussenseitig weiterbehandelt werden. Handelt es sich beispielsweise um zementgebundene Fassadenplatten, können diese aussenseitig mit Dünnputzbeschichtungen oder mit normalen Putzsystemen und Fassadenanstrichen behandelt werden.
Die Anzahl und Ausrichtung der Latten für die Unterkonstruktion richtet sich nach den jeweiligen Zulassungsbestimmungen für das reine Plattenmaterial.
Die Details der Fassadenkonstruktion sind sorgfältig zu planen und auszuführen. Dies gilt im Wesentlichen der Ausbildung der inneren und äußeren Gebäudeecken, den Aussenecken in den Fensterlaibungen sowie der Sockelausbildung. Bei fehlenden Dachüberständen sind an den Oberseiten Blechabdeckungen herzustellen.
Die Konstruktion muss nicht hinterlüftet werden.
4.1) Physikalische Eigenschaften der Erfindung
Die physikalischen Eigenschaften wurden in mehreren Freilandversuchen ermittelt und stellen sich wie folgt dar:
4.11) Spalttemperatur.
Der Luftzwischenraum zwischen Platte und Maueroberfläche wird Spalt genannt. Die Messungen zeigten bei verschiedenen Gelegenheiten stets folgendes Bild: Die Spalttemperatur war in der Heizperiode deutlich höher als die Temperatur der anstehenden Aussenluft. Die Auswertung zahlreicher Messreihen führte zur sog. „Spaltformel”:
Mathematisch ist diese Formel eine Geradengleichung nach der Punkt-Steigungsform. Die Konstante 8 zeigt die Spalttemperatur bei 0°C. Bei den Freilandversuchen hat sich gezeigt, dass ab einer Aussenlufttemperatur von +30°C die Spalttemperatur sich nicht mehr erhöht hat. Dies deutet auf einen guten sommerlichen Wärmeschutz hin.
4.12) Tauwasserbildung
Die tiefste gemessene Außentemperatur betrug –15°C. Es wurde festgestellt, dass bei Außentemperaturen unter –10°C sich auf der Aluminiumseite eine Filmkondensation mit einer Stärke von etwa 0,01 mm gebildet hat, die bei weiter sinkenden Temperaturen in einen wasserklaren Eisfilm übergegangen ist. Die reflektierenden Eigenschaften der Aluminiumfolie waren hierdurch nicht beeinträchtigt. Bei steigenden Temperaturen hat sich das Kondensat spurlos aufgelöst.
4.13) Luftfeuchte im Spalt.
Die Freilandversuche zeigten, dass die relative Luftfeuchte im Spalt bei unbesonnten Platten unabhängig von den sonstigen Randbedingungen konstant bei 63% lag. Diese Konstanz wird auf sich selbstregelnde Prozesse innerhalb der Konstruktion zurückgeführt. Eine derartige Feuchte ist bautechnisch unbedenklich.
4.14) Verhalten bei Solarstrahlung.
Bei unmittelbarer Besonnung haben sich die Platten sehr rasch bis auf eine Temperatur von +40°C erwärmt, selbst bei Außentemperaturen von unter –10°C. Die Temperatur der Aussenluft hatte keinen nennenswerten Einfluss auf den Erwärmungsgrad. In diesen Phasen hat sich auch die Spaltluft sehr rasch erwärmt, Es wurden Maximaltemperaturen von +25°C gemessen, die wohl als Mittelwert zwischen der Temperatur des Aussemauerwerks und der Plattentemperatur zu deuten ist. In solchen Phasen kam es somit zur Gebäudebeheizung von außen durch konvektiven Energieeintrag, obwohl die Aussenlufttemperaturen noch deutlich unter 0°C gelegen haben. Besonders effektiv ist dieser Vorgang an südlich ausgerichteten Fassaden in den Heizungsübergangszeiten. Die Heizungsübergangszeiten beanspruchen 2/3 der gesamten Heizperiode.
4.15) Zusammenfassung der physikalischen Eigenschaften.
Die in den Freilandversuchen gefundene Spaltformel zeigt, dass die unmittelbar am Gebäude anstehende Aussenlufttemperatur deutlich höher ist als die der Umgebungsluft. Im Mittel kommt es mindestens zur Halbierung des Temperaturgefälles zwischen Innenwandoberfläche und Aussenluft. Folgt man den Berechnungsverfahren nach der EnEV, kann eine Halbierung des Heizenergieverbrauch angenommen werden.
In Wirklichkeit ist die Einsparung jedoch deutlich grösser – hauptsächlich wegen der guten Verwertung der Solarstrahlung.
Eine Rolle spielt auch die Abkoppelung des Gebäudes vom hohen konvektiven Energieabtrag bei Wind. Die ursprünglich auch beim Unterzeichner befürchteten Tauwasserschäden haben sich als unbegründet erwiesen.
Bei einer praktischen Umsetzung des Prinzips der Erfindung beim Neubau eines Mehrfamilienhauses in Würzburg mit 500 m² Wohnfläche, das mit einer konventionellen gasbefeuerten Zentralheizungsanlage ausgestattet ist, betragen die gesamten Jahresbeheizungskosten ca. € 1.400,–. Der Jahresheizenergieverbrauch beträgt einschließlich der Kosten der Warmwasserbereitung für acht Wohneinheiten umgerechnet etwa 14 KWh/m²a. Dieser Wert liegt deutlich unter den derzeit erreichbaren Bestwerten von 40 KWh/m²a.
Die Erfindung kann daher als derzeit bestes Verfahren zur Einsparung von Heizenergie bei Gebäuden angesehen werden.

Claims

Wandelement, bestehend aus zementgebundenen und verputzfähigen Fassadenplatten (4), die im Klebeverfahren mit einer hochglänzenden Aluminiumfolie (3) beschichtet sind und mittels einer Unterkonstruktion aus Holzlatten (2) auf Gebäudeoberflächen aus Mauerwerk oder dergleichen (1) befestigt werden.
Wandelement wie vor, jedoch aus Kunststoff- oder holzgebundenen Platten.
Wandelement wie vor, wobei jedoch die Aluminiumfolie im Tackerverfahren über die Holzlattenkonstruktion gespannt wird. Die glänzende Seite zeigt zur Gebäudewand.
Wandelement wie Ziff. 1) für Hochhausfassaden mit einer Unterkonstruktion aus stranggezogenen Aluminiumprofilen.
Wandelement wie Ziff. 4, jedoch mit gespannter Aluminiumfolie mit Klemmelementen auf stranggezogenen Aluminiumprofilen.
Wandelement wie Ziff. 1, jedoch mit aufgedampfter Aluminiumbeschichtung.