DE202016102001U1 - Außenwärmedämmelement, nachmontierbare, modular aufgebaute Außenwärmedämmung mit solchen Außenwärmedämmelementen sowie Wärmespeicher hiermit - Google Patents

Abstract

Nachmontierbares Außenwärmedämmelement für Wärmespeicher, mit einem doppelschalenförmigen Metallhohlkörper, insbesondere einem Edelstahlblechhohlkörper, der mit VSI-Füllmaterial gefüllt und evakuiert ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein nachrüstbares Außenwärmedämmelement, eine nachrüstbare, modular aufgebaute Außenwärmedämmung mit solchen Außenwärmedämmelementen und einen Wärmespeicher mit einer solchen Außenwärmedämmung.
• Für die ab Ende 2015 von der EU eingeführte ErP-Richtlinie (Richtlinie 2005/32/EG vom 6.07.2005) für Wärmespeicher (z. B. Warmwasser-Pufferspeicher) bis 2.000 Liter werden im Vergleich zu heutigen Speicherdämmungen bessere Isolierwerte benötigt, um die höheren Bewertungsstufen A bis B (ab 2017: A+) erreichen zu können. Aktuell am Markt verfügbare kleine Speicher (bis 2.000 Liter) verwenden abnehmbare Dämmungen in vorgefertigter Zylindermantelform, beispielsweise aus Mineralwolle, PU-Schaum oder PE-Vlies und bekommen damit in der Regel nur eine Bewertung der Kategorie C. Mit Standarddämmmaterialien kann eine bessere Einstufung nur mit einer starken Zunahme der Dämmschichtdicke erreicht werden. Hierbei ist jedoch bei einer produktionsseitigen Anbringung der Dämmung die Türgängigkeit (max. 80 cm) nicht mehr gewährleistet, um den Speicher beispielsweise im Keller installieren oder nachrüsten zu können. Zudem wird viel umbauter Kellerraum durch das Volumen der Dämmung nicht mehr nutzbar. Daher ist diese Lösung nicht praktikabel. Es muss eine alternative Speicherdämmung verwendet werden, die aufgrund niedrigerer Wärmeleitfähigkeiten auch mit schmalen Dämmstärken sehr gute U-Werte erzielen kann.
• Aus der EP 2 700 886 A2 ist eine Außenwärmedämmung für Wärmespeicherbekannt, die aus vorgefertigten Vakuumisolationspaneelen (VIP) zusammengesetzt ist. Der Speicherbehälter ist dabei an seiner Zylinderfläche von einem VIP umgeben. Um das Paneel herum befindet sich ein konventioneller Dämmmantel aus Polyurethan-Hartschaum. An Ober- und Unterseite des Speicherbehälters sind Dämmungen aus expandiertem Polystyrol angebracht. Der Paneelkern des VIP besteht vorwiegend aus mikroporöser Kieselsäure. Diese Lösung ist zwar gangbar, jedoch sind VIPs sehr teuer. Damit ist der Speicher nicht wirtschaftlich.
• Ausgehend von diesen bekannten Außenwärmedämmungen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Außenwärmedämmelement anzugeben, das den Aufbau einer nachrüstbaren, modular aufgebauten Außenwärmedämmung ermöglicht, die die ErP-Richtline für Wärmespeicher erfüllt. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung einen Wärmespeicher mit einer solchen Außenwärmedämmung anzugeben.
• Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch ein Außenwärmedämmelement nach Anspruch 1, eine Außenwärmedämmung nach Anspruch 9 und durch einen Wärmespeicher nach Anspruch 10.
• Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Das Außenwärmedämmelement ist nachrüstbar bzw. abnehmbare Dämmung, umfasst einen vakuumsuperisolierten (VSI), stahlumhüllten Mantel bzw. eine Haube, die den zu isolierenden Speicher umgibt. Die doppelwandige Stahlumhüllung ist mit einem geeigneten Füllmaterial, welches eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit im Vakuum besitzt, zu ergänzen. Die Konstruktion soll zudem über minimierte Wärmebrücken verfügen, wirtschaftlich fertigbar und türgängig sein. Darüber hinaus ist die Dämmung aufgrund der Stahlumhüllung vor Durchfeuchtung geschützt. Durch eine stahl- bzw. edelstahlumhüllte VSI-Dämmung, deren Kern zumindest zum Teil die atmosphärischen Druckkräfte beim Evakuieren auffängt und auf den Warmwasserspeicher aufgesetzt oder während der Montage vor Ort um den Speicher angebracht wird, ergibt sich eine robuste und effektive Außenwärmedämmung. Der Speicher besitzt dabei eine Maximaltemperatur von 110°C und eine beliebige Form, z. B. eckig, zylindrisch oder oval, und kann sowohl innen als auch außen aufgestellt werden. Das Prinzip ist ähnlich einem VIS-Element (Vacuum Insulating Sandwich), bei dem ein mikroporöses VSI-Füllmaterial von einem auch bei höheren Temperaturen > 60°C diffusionsdichten Material mit einer Sauerstoffpermeation < 10^–1 cm³/(m²dbar) und einer Wasserdampfpermeation < 10^–1 g/(m²d), i. d. R. Edelstahlblech umhüllt ist. Im vorliegenden Fall soll ein VSI-Füllmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit λ < 20 mW/mK bei 10°C (vorzugsweise expandiertes Perlit, offenporiger PU-Hartschaum, Polyisocyanurat oder pyrogene Kieselsäure in Pulver- oder Plattenform bzw. eine Mischung, z. B. aus Perlit und pyrogener Kieselsäure) Verwendung finden. Alternativ kann auch ein nicht-evakuiertes Füllmaterial verwendet werden, welches die Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit bei Umgebungsdruck erfüllt. Bei niedrigem Halbwertsdruck des VSI-Füllmaterials (z. B. für Perlit p_1/2 = 3 mbar) ist der Zusatz eines Getters zur Aufrechterhaltung der Vakuumqualität über die Lebensdauer möglich. Um die mechanische Stabilität der Hülle zu garantieren und ein Verwinden zu verhindern, muss entweder ein druckstabiles VSI-Füllmaterial verwendet werden, das den hohen Belastungen durch das Vakuum (10 t/m²) standhält, oder eine Druckstabilität durch Vorpressen des Materials hergestellt werden. Als Alternative zum Vorpressen kann auch eine Stützstruktur, ausgeführt beispielsweise als Stützstifte zwischen den Hüllblechen, angebracht werden, die die Druckkräfte zumindest teilweise abfängt, um ein Zusammenpressen des Füllmaterials bei der Evakuierung zu verhindern. Die Dicke des Stahlhüllmaterials ist nach unten hin begrenzt, da ab einer Stärke kleiner 25 μm Pinholes vorhanden sind, die zu einer zu hohen Diffusion führen können. Um eine Perforation des Hüllmaterials während des Betriebs zu vermeiden, kann die Speicherdämmung durch eine zusätzliche Hülle, beispielsweise aus Kunststoff, geschützt werden. Die konkrete Wahl der Ausführung ist durch Wirtschaftlichkeitsgedanken geleitet. Gegebenenfalls wird ein Infrarottrübungsmittel wie Ruß eingesetzt, welches die Strahlungswärmeleitfähigkeit des VSI-Füllmaterials herabsetzt und damit die Gesamtwärmeleitfähigkeit weiter verringert. Das Einbringen eines Puffermaterials, beispielsweise eines Vlieses, zwischen Speicher und Dämmung ermöglicht eine spaltfreie, konvektionslose Konstruktion. Dieses Material wird vor der Anbringung der Dämmkonstruktion um die Speicherhülle gelegt. Die Dämmung soll während der Produktion evakuiert und komplett vakuumdicht verschlossen werden, sodass eine nachträgliche Evakuierung nicht nötig ist. Die Stelle, an der das Vakuum gezogen wird, wird durch ein geeignetes Verfahren Vakuumdicht verschlossen, beispielsweise durch Schweißen. Alternativ erfolgt das Verschweißen der kompletten VSI-Hülle in einer Vakuumkammer, womit ein Verschließen des Vakuumstutzens entfällt. Zur Beschleunigung der Evakuierung sind geeignete Evakuierhilfen vorzusehen, wie beispielsweise Evakuiervliese oder -flöten, wie bei heutigen Kryospeichern.
• Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen bzw. Abwandlungen anhand der Zeichnung.
• Es zeigt:
• 1 und 2 ein haubenförmiges Außenwärmedämmelement;
• 3 und 4 eine zylindermantelförmiges Außenwärmedämmelement; und
• 5 halbschalenförmige Außenwärmedämmelemente.
• Die konstruktive Umsetzung der VSI-Dämmung kann unterschiedlich ausfallen. Drei mögliche Varianten werden im Folgenden beschrieben.
• Die erste – 1 und 2 – besteht aus einer Haube, die auf den oberen, heißen Teil des Warmwasserspeichers aufgesetzt wird. Hierzu werden zwei tiefgezogene Stahlbleche an der unteren Kante vakuumdicht miteinander verbunden, z. B. durch Rollnaht-, Laserstrahl- oder Plasmaschweißen. Das VSI-Füllmaterial wird entweder vor dem Fügeprozess eingebracht oder im Nachhinein über einen Befüllstutzen als Pulver eingefüllt. Eine Evakuierung erzeugt das für das jeweilige Material benötigte Vakuum (0,05 mbar für expandiertes Perlit, 1 mbar für pyrogene Kieselsäure, 0,1 mbar für offenporigen PU-Schaum). Mit dieser Konstruktion erreicht man Wärmeleitfähigkeiten unter 0,01 W/mK. Eine Durchfeuchtung der Dämmung ist aufgrund der Stahlumhüllung nicht möglich. Damit kann auch eine Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit durch Feuchteaufnahme ausgeschlossen werden. Die Speicheranschlüsse müssen unterhalb der VSI-Haube am Speicher angeordnet sein, um keine Vakuumdurchdringung vorsehen zu müssen, welche zusätzliche Wärmebrücken mit sich bringt. Die Konstruktion soll um 90° gedreht türgängig ausgeführt sein. Der restliche, kältere untere Teil des Speichers wird entweder mit einer Standarddämmung ausgeführt oder durch einen zweiten VSI-Teil ergänzt, der ebenfalls türgängig auszuführen ist.
• Die zweite Variante – 3 und 4 – beschreibt eine zylindrisch ausgeführte VSI-Hülle um die Speicherwand. Zwei konzentrische Stahlbleche werden mit Verbindungsblechen oben und unten zu einer vakuumdichten Hülle gefügt. Die Hülle umschließt den Speicher nicht komplett, vorne besteht ein vertikaler Spalt. In den Blechzwischenraum wird das VSI-Füllmaterial eingebracht. Um eine Türgängigkeit zu erreichen, wird auf der Rückseite ein faltbarer, vakuumdichter Teil in die Stahlbleche geformt. So kann die Zylinderhülle an engen Türen zusammengedrückt werden und erreicht einen geringeren Durchmesser. Am vertikalen Spalt können Speicheranschlüsse aus der Dämmung herausgeführt werden. Die Speicheranschlüsse sind vorzugsweise mit einer Konvektionsbremse in Form eines Siphons auszubilden, um Ein-Rohr-Zirkulation zu unterbinden, welche neben den Oberflächenwärmeverlusten den größten Speicherwärmeverlustmechanismus darstellt. Die Speicheranschlüsse sind geeignet zu dämmen, z. B. in Form einer über alle Anschlüsse reichenden Blockdämmung aus Standarddämmmaterial.
• Variante drei – 5 – ist aus zwei zylindrischen VSI-Halbschalen ausgeführt, die um den Speicher gelegt und mit einer geeigneten Spanntechnik aneinander befestigt werden. Die Speicherdecke wird in Variante 2 und 3 entweder mit einer extra vorzusehenden Standarddämmung ausreichender Dämmstärke ausgeführt oder mit zusätzlichen VSI-Elementen versehen.
• Ziel ist bei allen Varianten die Erreichung des A+-Labels. Der hierfür zu unterschreitende U-Wert hängt von der Speichergröße ab und liegt bei minimal 0,15 W/m²K. Dies kann durch VSI-Dämmstärken zwischen 4 und 8 cm erreicht werden. Daher ist eine reine VI-Dämmung auch suboptimal, da deren U-Wert nicht von der Dämmstärke abhängt. Hingegen ist der U-Wert einer VSI-Dämmung proportional dem Kehrwert der Dämmstärke und erreicht in der Regel ab wenigen cm, niedrigere U-Werte als die VI-Dämmung.
• Bezugszeichenliste

1

VSI-Haube

2

Evakuierflansch

3

Perlit

4

Absaugvlies

5

Äußere tiefgezogene Edelstahlwanne

6

Innere tiefgezogene Edelstahlwanne

7

Kreisförmige, umlaufende Schweißnaht

8

Standarddämmung

9

Speicheranschlüsse

10

Hier klappbar, damit türgängig (80 cm)

11

Standarddämmung

12

Geeignete Spanntechnik

• 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 2700886 A2 [0003]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Richtlinie 2005/32/EG vom 6.07.2005 [0002]

Claims (11)

1. Nachmontierbares Außenwärmedämmelement für Wärmespeicher, mit einem doppelschalenförmigen Metallhohlkörper, insbesondere einem Edelstahlblechhohlkörper, der mit VSI-Füllmaterial gefüllt und evakuiert ist.
2. Außenwärmedämmelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallhohlkörper eigenstabil ist.
3. Außenwärmedämmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenwärmedämmelement einen gebogenen und insbesondere einen ringsegmentförmigen Querschnitt aufweist.
4. Außenwärmedämmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenwärmedämmelement haubenförmig ausgebildet ist.
5. Außenwärmedämmelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das VSI-Füllmaterial eigenstabil ist und aus vorgepresstem mikroporösem Granulat besteht.
6. Außenwärmedämmelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das VSI-Füllmaterial mit einem Infrarottrübungsmittel, insbesondere mit Ruß versetzt ist.
7. Außenwärmedämmelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Metallhohlkörper Evakuiervliese und/oder Evakuierflöten eingebracht sind.
8. Außenwärmedämmelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Größe des Außenwärmedämmelement so gewählt ist, dass es durch herkömmliche Türen passt.
9. Nachrüstbare, modular aufgebaute Außenwärmedämmung für Wärmespeicher, bestehend aus einer Mehrzahl von Außenwärmedämmelementen nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Wärmespeicher für sensible und phasenwechselnde Wärmespeichermaterialien mit einem Speicherbehälter, der mit einer Außenwärmedämmung nach Anspruch 9 versehen ist.
11. Wärmespeicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Speicherbehälter und Außenwärmedämmung ein Puffermaterial, insbesondere ein Vlies, zur Unterbindung von Konvektion angeordnet ist.

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