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Vakuumdämmplatte

Für Zwecke der Wärmedämmung werden verschiedene Arten von Dämmplatten eingesetzt; eine besonders effektive Art hiervon sind die Vakuumdämmplatten, auch als Vakuum-Isolationspaneele bezeichnet. Sie beruht auf dem Prinzip der Vakuumdämmung, welches sehr niedrige Wärmedurchgangskoeffizienten trotz einer geringen Schichtdicke ermöglicht.

Funktionsprinzip und Aufbau von Vakuumdämmplatten

Die Grundidee der Vakuumdämmung ist, dass Wärmeleitung im Vakuum nicht möglich ist, also durch einen luftleer gepumpten Hohlraum im Prinzip weitestgehend unterbunden werden kann. Allerdings würde es nicht funktionieren, beispielsweise einfach eine quaderförmige Platte so zu gestalten, dass sie lediglich einen luftleeren Hohlraum mit einer dünnen Wandung darstellt – dies aus zwei Gründen:

• Die Wärmedämmwirkung wäre selbst mit einem sehr guten Vakuum nicht besonders gut, da immer noch Wärme in Form von Wärmestrahlung zwischen den Außenwänden übertragen werden könnte. (Materialien mit einem Emissionsgrad von exakt null gibt es nicht, und Wärmestrahlung = Infrarotlicht kann problemlos durch das Vakuum gelangen.)
• Ein praktisches Problem wäre zudem die mechanische Stabilität, da eine solche Platte durch den äußeren Luftdruck sehr großen Kräften ausgesetzt ist, die nicht durch einen Gegendruck beispielsweise eines luftgefüllten Hohlraums ausgeglichen werden. Bei normalem atmosphärischem Druck von ca. 1000 hPa entsteht eine Kraft entsprechend dem Gewicht von 10 Tonnen pro Quadratmeter Fläche der Platte, die eine nicht sehr stabile Platte leicht eindrücken könnte.

Diese Probleme löst man dadurch, dass eine Vakuumdämmplatte innen nicht einfach einen großen luftleeren Hohlraum enthält, sondern einen sogenannten Stützkern, der aus einem offenporigen Material besteht und von einem hochdichten Hüllsystem umschlossen wird. Der Stützkern muss die folgenden Anforderungen erfüllen:

• Er muss mechanisch so stabil sein, dass er dem oben genannten Druck (ggf. durch zusätzliche äußere Belastung noch weiter erhöht) standhalten kann.
• Er muss viele Poren enthalten, die luftleer gepumpt werden können. Dazu müssen diese Poren offen sein, d. h. sie sollten möglichst alle miteinander durch kleine Kanäle verbunden sein, sodass man durch das Abpumpen der Luft von einer Seite her alle in den Poren ursprünglich enthaltene Luft in kurzer Zeit entfernen kann.
• Er soll möglichst wenig Wärmeleitung ermöglichen – trotz der unvermeidlichen festen Verbindungen um die Poren herum. Diese Anforderung wird erfüllt, wenn die Stützstrukturen relativ dünn sind (was natürlich tendenziell im Widerspruch zu einer hohen mechanischen Stabilität steht).
• Das Material sollte außerdem einen möglichst geringen Emissionsgrad aufweisen, damit auch die Energieübertragung durch Wärmestrahlung innerhalb der Poren minimiert wird.

Der letztendlich resultierende Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) einer Vakuumdämmplatte enthält zwei Beiträge: einen vom festen Material, der durch Wärmeleitung im Material und Wärmestrahlung über die Poren bestimmt wird, und einen, der vom Luftdruck in den Poren abhängt. Der zweite Beitrag kann durch Verminderung dieses Luftdrucks (d. h. durch ein möglichst gutes Vakuum) stark vermindert werden. Man benötigt hierfür allerdings kein perfektes Vakuum. Eine Vakuumdämmplatte hat einen sogenannten Halbwertsdruck, definiert als der Luftdruck, bei dem der druckabhängige Anteil zum Wärmetransport halb so groß wird wie bei normalem Luftdruck. Es genügt in der Praxis ein Vakuum der Qualität, bei der der restliche Luftdruck deutlich niedriger wird (z. B. zehnmal niedriger) als dieser Halbwertsdruck; eine weitere Verbesserung des Vakuums würde nur wenig zusätzliche Dämmwirkung bringen.

Verschiedene Materialien für solche Stützkerne sind entwickelt worden, insbesondere offenporige Kunststoffschäume, Mikrofasermaterialien, Perlite (mineralische Materialien) und pyrogene Kieselsäuren (gebrannter Quarzsand, ebenfalls mineralisch). Die beiden zuletzt genannten können sogar als loses Pulver eingesetzt werden. Die erreichbaren Wärmeleitfähigkeiten bei gutem Vakuum liegen ca. im Bereich von 0,003 bis 0,008 W / (K m) – zu vergleichen mit dem Wert von 0,026 W / (K m) für ruhende Luft bei Normaldruck. Interessanterweise unterscheiden sich solche Materialien sehr stark in Bezug auf den Halbwertsdruck. Dieser liegt für etliche Materialien mit relativen groben Poren (z. B. Mikrofasermaterialien) in der Gegend von 1 mbar, d. h. nur bei einem Tausendstel des normalen Luftdrucks, während er für feinporige pyrogene Kieselsäure hunderte von Millibar betragen kann. Im letzteren Fall ist also nur eine sehr schwache Qualität von Vakuum für eine gute Dämmwirkung (ähnlich wie bei anderen Füllmaterialien) erforderlich.

Um das bei der Herstellung geschaffene Vakuum möglichst dauerhaft zu bewahren, sollte das Hüllsystem eine sehr gute dauerhafte Dichtheit aufweisen. Es basiert meist auf einer Kombination von Kunststofffolien, die zusammen die geforderte Dichtheit und Stabilität ergeben. Hochwertige Systeme erreichen Lebensdauern von mehreren Jahrzehnten. Man verwendet oft auch mit Aluminium bedampfte (metallisierte) Kunststofffolien, bei denen eine sehr dünne Schicht von Aluminium einerseits deutlich zur Dichtheit (Verminderung von Gasdiffusion) beiträgt, andererseits aber nur wenig zur Wärmeleitung. Es muss einerseits jegliche Verletzung der Hülle vermieden werden, und andererseits muss das Material auch die Diffusion von allen Luftbestandteilen (inklusive Wasserdampf) möglichst stark unterdrücken. Außerdem soll natürlich die Wärmeleitung durch das Hüllmaterial an den schmalen Seiten der Platten, die beim Einsatz zu Stoßstellen werden, möglichst gering sein.

Die Lebensdauer von Vakuumdämmplatten unter Einfluss eines gewissen Niveaus von Gasdiffusion kann erheblich verlängert werden durch Einsatz von sogenannten Gettermaterialien, die Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle chemisch an sich binden und damit dem eingedrungenen Gas entziehen können. Sie wirken allerdings nicht auf die chemisch sehr trägen Edelgase, die zu einem geringen Anteil ebenfalls in der Luft enthalten sind; vor allem Argon trägt deswegen nach wie vor zur allmählichen Verschlechterung der Dämmwirkung bei. Andere Substanzen wirken als Trockner, d. h. sie binden Wasserdampf.

Innerhalb der dichten Hülle verwendet man oft ein Vlies, um beim Abpumpen der Luft ein Ansaugen von Staub zu verhindern.

Verlust der Dämmwirkung bei Beschädigung

Wenn eine Vakuumdämmplatte mechanisch beschädigt wird, beispielsweise durch Anbohren oder Einschlagen eines Nagels, geht das Vakuum sehr schnell verloren. Die ganze Platte verliert dann einen erheblichen Teil ihrer Dämmwirkung; es entsteht nicht nur eine lokale Wärmebrücke in der unmittelbaren Umgebung der beschädigten Stelle. Leider ist auch nicht unbedingt leicht erkennbar, dass eine Platte beschädigt wurde; dies stellt einen Nachteil dieses Systems dar. Immerhin ist die Dämmwirkung selbst nach einer solchen Beschädigung meist nicht wirklich schlecht – der U-Wert kann zwar z. B. auf das Dreifache des idealen Werts ansteigen, aber immer noch besser sein als bei einer konventionellen Dämmplatte mit derselben geringen Dicke.

Selbstverständlich ist das Zuschneiden solcher Platten am Bau nicht möglich; sie können nur in der gelieferten Form verlegt werden. Hierfür ist es meist sinnvoll, zunächst einen genauen Verlegeplan zu erarbeiten. Hierbei können kleinere Anteile der zu wärmedämmenden Fläche notfalls mit konventionellen, an der Baustelle einfach zuschneidbaren Dämmplatten ausgefüllt werden.

Auf Baustellen ist die Gefahr von Beschädigungen ziemlich groß, wenn nicht sorgfältig gearbeitet wird. Beispielsweise sollten auf der Baustelle sichere Lagerflächen für die noch unverarbeiteten Platten bereitgestellt werden, die von scharfkantigen Teilen wie z. B. Nägeln und Steinchen freigehalten werden. Die Platten sollten jeweils vor dem Einbau nochmals visuell und haptisch überprüft werden.

Ein gewisser Schutz gegen Beschädigung kann erreicht werden, indem Dämmplatten bereits kaschiert geliefert werden. Manche Produkte sind deswegen nur in dieser Form erhältlich. Dieser Ansatz hat allerdings den Nachteil, dass die Gesamtdicke hierdurch deutlich erhöht wird und dass Beschädigungen noch schwerer erkennbar sind.

Es sind verschiedene Systeme entwickelt worden, die nicht unbedingt eine direkte Messung des Gasdrucks in einer Dämmplatte ermöglichen, aber doch eine zumindest indirekte Kontrolle der Funktionsfähigkeit. Beispielsweise kann mit einer von außen angelegten Saugglocke überprüft werden, ab welchem Druck außen die Hüllmembran nach außen gezogen wird. Andere Verfahren basieren auf einer lokalen Überprüfung der Wärmeleitfähigkeit. In manchen Fällen lassen sich beschädigte von intakten Platten auch durch einen einfachen Klopftest unterscheiden.

Anwendungen von Vakuumdämmplatten

Der zentrale Vorteil dieser Platten ist, dass ein sehr niedriger Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) mit einer geringen Schichtdicke erzielt werden kann. Wenn der Stützkern beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 0,005 W / (K m) hat und das Hüllmaterial nur wenig zur Wärmeleitung beiträgt, ist effektiv ein Wärmedurchgangskoeffizient von ca. 0,25 W / (K m²) (wie er für eine Hausfassede recht gut wäre) bereits bei einer Schichtdicke von nur 2 cm möglich; unter Berücksichtigung des Hüllsystems kommt man vielleicht auf 2,5 bis 3 cm. Eine typische Dämmplatte aus expandiertem Polystyrol müsste hierfür aber bereits eine Dicke von ca. 16 cm haben. Die Vakuumwärmedämmung ermöglicht also eine Hochleistungsdämmung auch auf knappem Raum. Man beachte aber, dass die tatsächlichen U-Werte von erhältlichen Vakuumdämmplatten je nach Typ recht unterschiedlich ausfallen können.

Auf der anderen Seite stehen die Nachteile eines relativ hohen Preises und des weitgehenden Verlusts der Dämmwirkung bei Beschädigung. Diese Nachteile verursachen Einschränkungen bei der Anwendung und machen auch eine besonders sorgfältige Verarbeitung erforderlich.

Bei bestimmten Anwendungen haben sich Vakuumdämmplatten als besonders gut geeignet erwiesen, weil die Vorteile besonders gut zum Tragen kommen, die Nachteile dagegen nur eingeschränkt. Ein Beispiel hierfür ist die Wärmedämmung von Kühlschränken, Gefriertruhen und Elektroboilern. Bei diesen Anwendungen ist eine niedrige Dicke des Dämmmaterials besonders wichtig, da sonst beispielsweise wertvolles Volumen eines gekühlten Raumes verloren ginge. Auf der anderen Seite erfolgt die Verarbeitung des Materials unter gut kontrollierbaren Bedingungen in einer Fabrik, und eine spätere Beschädigung im Betrieb ist unwahrscheinlich. Der Beitrag dieser dem Materialien zu den Herstellungskosten kann bei hochwertigen Geräten relativ gering sein.

Für die großflächige Anwendung bei der Wärmedämmung von Gebäuden eignen sich Vakuumdämmplatten dagegen wegen der genannten Nachteile (allein schon des hohen Preises) nicht in idealer Weise. Es gibt jedoch auch Fälle, wo ihre Anwendung sinnvoll ist, insbesondere bei der energetischen Sanierung von Gebäuden. Beispielsweise kann bei der nachträglichen Wärmedämmung der begehbaren Fläche eines Balkons, unter dem ein beheizter Raum liegt, eine sehr niedrige Dicke der Dämmschicht sehr erwünscht sein, weil sonst eine unpraktische Stufe an der Eingangstür entstünde; hinzu könnten Probleme mit der Ableitung von Regenwasser kommen. Dagegen fallen die Kosten für einige Quadratmeter solcher Platten im Vergleich zum sonstigen Aufwand nicht allzu sehr ins Gewicht. Andere typische Anwendungen sind die Innendämmung von Fassaden, Dächern und Fußböden, Rollladenkästen, Heizkörpernischen, Dachgauben und Fensterlaibungen.

Siehe auch: Wärmedämmung, Wärmestrahlung, Wärmeleitfähigkeit, Wärmedurchgangskoeffizient, Wärmedämmmaterial