Adaptive Fassaden als Akteure der Energiewende

Adaptive Dämmelemente zeichnen sich dadurch aus, dass sich ihr thermischer Widerstand bedarfsgerecht anpassen lässt. Die damit mögliche Steuerung des Wärmedurchgangs durch die Gebäudehülle könnte helfen, Heiz- und Kühlenergie zu sparen. Wie groß das Potenzial ist, wird ist Forschungsgegenstand von ReVaD – kurz für Regelbare Vakuumdämmelemente. Dabei handelt es sich um ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des Deutschen Instituts für Textil- und Faserforschung (DITF) und des Instituts für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) gefördert.

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Steuerung per Knudsen-Effekt

Bei einer klassischen Wärmedämmung ist der thermische Widerstand konstant. Er bleibt also stets unverändert – auch, wenn in einigen Phasen ein niedrigerer oder höherer Widerstand aus energetischer Sicht vorteilhafter wäre. Um Energie einzusparen, möchten die Forschenden von ReVaD die Gebäudehülle aktivieren. Kernstück ihrer Technologie ist die regelbare Vakuumdämmung (rVID), bei der der sogenannte Knudsen-Effekt genutzt wird: Die Wärmeleitfähigkeit eines hochporösen Dämmstoffs ändert sich demzufolge durch die gezielte Beeinflussung des Gasdrucks in den Porenräumen. Befindet sich dort ein Vakuum, dann ist die Wärmeleitfähigkeit niedrig. Wenn jedoch der Druck ansteigt, erhöht sich auch die Wärmeleitfähigkeit. 

Will man den Knudsen-Effekt in einem regelbaren Dämmelement effizient einsetzen, benötigt man einen möglichst hohen „Schaltfaktor“. So bezeichnen die Forschenden das Verhältnis von maximal zu minimal erzielter Wärmeleitfähigkeit. Im Zustand 1 ist der Gasdruck minimal, bei annäherndem Vakuum. Die Wärmeleitfähigkeit ist stark reduziert, die Dämmwirkung maximal. Beim Zustand 2 ist der Druck durch kontrollierte Gaszufuhr gestiegen. In der Folge nimmt die Wärmeleitfähigkeit zu und die Dämmwirkung sinkt.

Metallhydrid erzeugt Vakuum

In dem neuartigen Dämmpaneel konnte bereits ein Schaltfaktor von 5 nachgewiesen werden. Für eine flexible Steuerung müssen allerdings Porensystem und Gasdruckbereich besser aufeinander abgestimmt sein. Einen schnellen und präzisen Druckwechsel ermöglicht die am DLR entwickelte Metallhydrid-Technologie: Bei der Absorption entzieht das Metallhydrid dem Dämmkern Gas, um den Vakuumzustand zu stabilisieren – die Dämmwirkung steigt. Durch Zufuhr geringer Mengen thermischer Energie setzt die Desorption ein, sprich das Metallhydrid gibt Gas frei. Dadurch steigt der Druck und die Dämmwirkung sinkt. Das System ist kompakt und wartungsarm und ermöglicht überdies, die Steuerung direkt in die Fassadenkomponenten zu integrieren.

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Formstabil dank Abstandstextil

Die Forschenden suchten nach einem Dämmmaterial mit definierten, offenen Poren von 0,1 bis 0,01 Millimetern Durchmesser, durch die das Gas kontrolliert ein- und austreten kann. Zugleich muss das Material bei Vakuum und Druckanstieg seine Form behalten. Das DITF entwickelte textile Abstandsgestricke aus Polyester-Garnen, die den Kräften des Vakuums standhalten und so die Poren offenhalten. 

Das Abstandsgestrick besteht aus drei Schichten: Zwei Deckschichten und dazwischen sogenannte Polfäden, die als Stützen dienen. Die zwei Millimeter dicken Gestricklagen werden gestapelt und gasdicht in Metallarmierung eingeschweißt. Dreißig Millimeter dick ist das fertige Dämmpaneel.

Potenziale der regelbaren Dämmung

Die ReVaD-Technologie könnte eine effizientere Nachtkühlung im Sommer erlauben, durch das gezielte „Abschalten“ der Dämmung und das Abführen gespeicherte Wärme nach außen. So würde sich die Kühllast am Tag drastisch reduzieren und die Klimatechnik entlastet werden. Weiterhin ermöglicht die adaptive Dämmung die Speichermassen von Bauteilen zu nutzen, wie bei der Betonkernaktivierung. Wärme könnte gezielt gespeichert und bei Bedarf freigegeben werden.

Durch den Einsatz der adaptiven Dämmpaneele ließe sich zudem die Anlagentechnik reduzieren, weil eine aktiv gesteuerte Hülle zu einer geringeren Dynamik und zu geringeren Spitzenlasten in der thermischen Konditionierung führt. Dadurch wäre der Einsatz einer kleiner dimensionierten und kosteneffizienteren HLK-Anlagentechnik denkbar.

Ausblick

Aktuell wird am Institut für Technische Thermodynamik des DLR eine thermochemische Reaktorkomponente entwickelt, um den Gasdruck im Dämmelement präzise und energieeffizient einstellen zu können. Derweil untersucht das IGTE sowohl simulativ als auch experimentell, wie sich die Paneele in den Wandverbund integrieren lassen – und wie viel Energie mit der Technologie gespart werden kann. Zusätzlich erfolgen Tests an einem Demonstrator.

Für eine spätere Markteinführung sucht man den Kontakt zur Bau- und Zulieferindustrie. Dementsprechend beziehen die drei Forschungspartner unter anderem Fachplanende und Architekt*innen sowie Unternehmen aus den Bereichen Gebäudetechnik, Textiltechnik, Vakuumtechnik und Gebäudeautomation ein.

Fachwissen zum Thema

Surftipps

• www.dlr.de