Energieeffizienz in Gebäuden - Wärmedämmung als Schlüssel

Autor: Dr. Hans-Peter Ebert, Bereichsleiter Energieeffizienz, ZAE Bayern (Stand: April 2015) Wärmeenergie hat ihren Preis und sie verflüchtigt  sich nur allzu leicht in Form von Wärmeverlusten. Deshalb werden in vielen energieeffizienten Systemen in denen Wärme benötigt wird, seien es Gebäude oder industrielle Anlagen, Maschinen oder Transportfahrzeuge, Wärmedämmungen eingesetzt. Beispiele sollen im Folgenden die Bedeutung von Wärmedämmmaßnahmen in unterschiedlichen Bereichen aufzuzeigen.

Knapp 40% des Endenergiebedarfs in Deutschland entfällt auf den Gebäudebereich. Dieser Energieeinsatz ist mit einem Drittel aller anfallenden CO2–Emissionen verbunden. Ein wichtiger Ansatzpunkt für die Steigerung der Energieeffizienz in diesem Sektor ist die Wärmedämmung der Gebäudehülle. Diese bestimmt maßgeblich den Energiebedarf eines Gebäudes. Mit innovativen Materialansätzen werden immer effizientere Wärmedämmungen realisiert, um den verbleibenden Aufwand für Heizung und Kühlung von Gebäuden zu reduzieren. Effizient sollen diese Systeme dabei in mehrfacher Hinsicht sein: Sie weisen eine herausragend niedrige Wärmeleitfähigkeit auf und gleichzeitig werden weniger wertvolle Rohstoffe benötigt, um Dämmsysteme mit ausreichenden Dämmeigenschaften zu produzieren. Beispiele sind die heute hochentwickelten Vakuumisolationspaneele (s. Abb. 1),  oder nano-strukturierte Materialien, wie z.B. Aerogele, sogenannte Nanoschäume. Ein Vorteil dieser Hochleistungsdämmsysteme besteht darin, dass man mit ´sehr geringen Dämmstärken aus-kommt, um den erforderlichen Wärmeschutz zu realisieren. Damit sind diese Systeme immer dann besonders interessant, wenn Baugrund teuer ist, eigentlich kein Platz für eine nachträgliche Wärmedämmung vorhanden ist, oder eine Architektur realisiert werden soll, die nicht durch dicke Wärmedämmschichten beeinträchtigt wird.

Eine weitere Möglichkeit die energieeffiziente Klimatisierung von Räumen zu unterstützen, besteht in der Anwendung von sogenannten niedrig-emittierenden Oberflächen, oder kürzer low-e Oberflächen. In den Heizperioden würden Wände oder Textilien, die mit solchen low-e-Schichten versehen sind, Wärme von den internen Wärmequellen reflektieren. Für den Bewohner ergibt sich damit eine höhere fühlbare Wand-Temperatur und damit ein deutlich verbesserter thermischer Komfort. Gleichzeitig strahlen solche Oberflächen auch deutlich weniger Wärme ab, als konventionelle Baustoffe. Realisieren kann man solche low-e Oberflächen durch den Einsatz von metallischen Schichten. Allerdings stoßen reflektierende Metalloberflächen aus ästhetischen Gründen im Allgemeinen nur auf eine geringe Akzeptanz – insbesondere im privaten Wohnbereich. Am ZAE Bayern wurden deshalb low-e Beschichtungen entwickelt, die im optischen Spektralbereich auf den gewünschten Farbeindruck eingestellt werden können, aber im Bereich der langwelligen Wärmestrahlung größtenteils wie eine Metallschicht reflektieren. Damit wird eine Trennung zwischen Funktion und optischer Erscheinung und damit eine höhere Nutzerakzeptanz erreicht.

Abbildung 2 zeigt die Realisierung und Wirkungsweise eines low-e Textiles, das hier unter eine Holzdeckenkonstruktion einer Eishalle gespannt wurde. Während sich die Konstruktion in der optischen Erscheinung unscheinbar gibt, zeigt sich in der Wärmebildaufnahme, dass die Textiloberfläche wie ein Spiegel wirkt und sich die kalte Eisoberfläche wie auch die warmen Lampen sich darin „widerspiegeln“. Damit wird die Wärme, die sich infolge der aufsteigenden warmen Luft unterhalb der Deckenkonstruktion sammelt, nur in geringem Maße an die kalte Eisfläche  transferiert. Bauphysikalisch hat man den Vorteil, dass die Kondensationsproblematik an der Holzkonstruktion gemildert wird und gleichzeitig weniger Energie für die Aufbereitung der Eisfläche benötigt wird.

Technische Isolationen, wie man Wärmedämmungen in der Industrie bezeichnet, spielen ebenfalls eine herausragende Rolle, um industrielle Prozesse energie- und damit kosteneffizient zu gestalten. Man denke hier nur an die Chemische Industrie oder die Metallherstellung und -verarbeitung. Knapp 80% der in Deutschland verwendeten Prozesswärme wird bei Temperaturen über 100°C benötigt, davon allein 70% über 250°C. Fast 40% des industriellen Energiebedarfs wird für den Betrieb von Industrieöfen benötigt. Diese müssen entsprechend effizient gedämmt werden.

Aktuelle Forschungs- und Entwicklungs-arbeiten am ZAE Bayern zielen darauf ab, mit Hilfe von Nanomaterialen noch leistungsfähigere Dämmstoffe für unterschiedliche Anwendungsfelder zur Verfügung zu stellen. Besonders erfolgsversprechend sind hier die Kohlenstoff-Aerogele. Dieses Materialen bestehen aus einem drei-dimensionalen Netzwerk von miteinander verketteten Kohlenstoffpartikeln (s. Abb. 3).

Die Porendimensionen, ebenso wie die Partikelgrößen, können maßgeschneidert in Größendimensionen von Nano- bis Mikrometer eingestellt werden; dies geschieht durch die Wahl geeigneter Syntheseparameter bei der Herstellung dieser Materialien in einem nasschemischen Sol-Gel-Prozess. Hinsichtlich der Wärmedämmeigenschaften bei hohen Temperaturen sind Kohlenstoff-Aerogele unschlagbar (s. Abb. 4).  Die Wärme wird im hochporösen Werkstoff durch Leitungsprozesse über viele Umwege und Engstellen im feinverzweigten Kohlenstoffnetzwerk wirksam gebremst  trans-portiert – entsprechend gering ist der Anteil der Gerüstwärmeleitfähigkeit an der Gesamtwärmeleitfähigkeit dieser Materialien. Die Wärmeleitfähigkeit des Gases innerhalb der Porenstruktur ist ebenfalls stark eingeschränkt, da bei hohen Temperaturen die Gasmoleküle in ihrer Beweglichkeit bei Porengrößen unter 1 µm bereits stark begrenzt wird. Schließlich stellt Kohlenstoff einen effizienten Absorber für Wärmestrahlung dar. Damit ist die Kohlenstoff-Matrix nahezu undurchdringlich für Wärmestrahlung und entsprechend sehr gering ist der Strahlungsbeitrag zur Gesamtwärmeleitfähigkeit. 

Noch sind wir leider nicht im Zeitalter angelangt, indem wir Energie aus erneuerbaren Energiequellen im Überfluss zur Verfügung haben. Bis dahin können innovative Wärmedämmungen und Oberflächenbeschichtungen Wärmeverluste reduzieren und den von unserer Gesellschaft benötigten Energiebedarf sowie den damit verbundenen CO2-Austoß senken helfen.