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2003-01: Solare Architektur

TWD

Das Prinzip der transparenten Wärmedämmung (TWD) an Fassaden beruht darauf, Wärmeverluste durch Solargewinne zu kompensieren und darüber hinaus Wärmegewinne für die Gebäudeheizung zu nutzen.

Neuartiges tragnsparentes Wärmesystem

Von Gernot Wallner, Reinhold Lang, Harald Schobermayer, Dieter Tomitsch, Herbert Hegedys, Robert Hausner*

Die wärmedämmende Wirkung erreichen die für Solarstrahlung hochtransparenten TWD-Materialien durch Unterteilung der Luftschichten in kleine Volumina.

Im Rahmen der zweckgebundenen Förderung von Technologieschwerpunkten durch das Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (bm:vit) wurden am Institut für Kunststofftechnik der JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH und am Institut für Werkstoffkunde und -prüfung der Montanuniversität in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Freiburg, Deutschland) sowie der Planungs- und Bauges.m. b.H. Hegedys-Haas (Nestelbach) zwei Projekte zur Entwicklung und Optimierung von TWD-Systemen aus Kunststoff durchgeführt [1, 2, 8]. Schwerpunkte der Projekte waren einerseits die Entwicklung und Herstellung neuartiger TWD-Strukturen aus kommerziellen Folien und andererseits die Anwendungsdemonstration an einem Einfamilienwohnhaus in Graz.

Im Rahmen dieser F&E-Projekte wurden folgende Hauptzielsetzungen verfolgt:

• Untersuchung eines breiten Spektrums von transparenten Kunststofftypen unter besonderer Berücksichtigung handelsüblicher Polymerwerkstoffe auf Basis erneuerbarer Rohstoffe im Hinblick auf das Einsatzpotenzial in TWD-Systemen
• Auswahl geeigneter Polymerwerkstoffe und Polymerfolien unter Berücksichtigung des spezifischen Anforderungsprofils an TWD-Materialien
• Theoretische Modellierung und numerische Optimierung von absorber-senkrechten Lamellenstrukturen in Bezug auf Wärmedämmung und Gesamtenergiedurchlassgrad
• Überprüfung und Absicherung der theoretischen Modelle durch experimentelle Untersuchungen an Modell-TWD-Strukturen
• Konzeptionelle Ausarbeitung einer Verfahrenstechnik zur Herstellung von TWD-Materialien aus Polymerfolien, Aufbau einer Prototypanlage und Fertigung optimierter TWD-Strukturen ausgehend von kommerziell verfügbaren Polymerfolien
• Konzeption einer neuartigen Fassadenstruktur nach ökologischen Kriterien in Holzbauweise mit Frontverglasung
• Anwendungsdemonstration von TWD-Strukturen aus nachwachsenden Rohstoffen mit einer Holzfassadenkonstruktion an einem Einfamilienhaus (Niedrigstenergie-Solarbauweise)

Die Forschungsarbeiten sind in einer Reihe von Berichten [1, 2], einer Dissertation [3] und zahlreichen Veröffentlichungen, wie beispielsweise [4, 5, 6, 7, 8] dokumentiert.

Ergebnisse

Zur systematischen Ermittlung der Einflüsse von Werkstofftyp und Wabengeometrie auf die primären TWD-Eigenschaften, den Gesamtenergiedurchlassgrad und den Wärmedurchlasskoeffizienten, wurden sowohl experimentelle Untersuchungen an kommerziellen Folien als auch theoretische Modellrechungen vorgenommen. Insgesamt wurden etwa 80 Polymerfolien, davon etwa 20 auf Basis erneuerbarer Rohstoffe, in das Untersuchungsprogramm aufgenommen. Als innovatives und neues Ergebnis wurde gefunden, dass sich neben den üblicherweise eingesetzten Werkstoffen PMMA und PC insbesondere die aus Baumwolle oder Holz hergestellten Cellulosederivate, Celluloseacetat (CA) und Cellulosetriacetat (CTA), hervorragend für den Einsatz in Niedertemperatur-TWD- Wandsystemen in Kombination mit schwarzem Absorber eignen.

Auf Basis von Modellrechnungen wurde versucht den Materialanteil für optimierte TWD-Systeme zu minimieren (Reduzierung der Stoffintensität pro Funktions- bzw. Dienstleistungseinheit; d. h. Wärmegewinn pro Quadratmeter TWD-Fläche). Bei den kleinzelligen Wabenstrukturen werden, je nach Werkstofftyp, optimale Eigenschaften bei einem Materialanteil von 1,5 bis 4 V% (Volumsprozent) erreicht. Aufgrund der ausgezeichneten Wärmestrahlungsabsorption der auf dem nachwachsenden Rohstoff Cellulose basierenden CA- und CTA-Folien, die auf die hohe Dichte funktioneller Kohlenstoff-Sauerstoff-Einfachbindungen der natürlich aufgebauten Molekülstruktur zurückzuführen ist, genügt ein wesentlich geringerer Materialanteil in der TWD-Struktur, um die für kommerzielle PMMA- und PC-Strukturen ermittelten Materialkennwerte zu erreichen und sogar zu übertreffen. Wie in [5] gezeigt wurden bei Verwendung einer 30 mm dicken Folie aus CA bei etwa halbiertem Materialanteil die Wärmedämmeigenschaften der derzeit vornehmlich eingesetzten Kapillarplatte der Fa. Okalux erreicht, der Gesamtenergiedurchlassgrad jedoch um etwa 30% übertroffen.

Die experimentellen Untersuchungen an Modellstrukturen zur Überprüfung und Absicherung der Modellrechnungen ergaben im allgemeinen eine gute Übereinstimmung zwischen experimentell und theoretisch ermittelten TWD-Kennwerten [3]. Die Optimierungsrechnungen zeigten schließlich, dass für einen gegebenen Polymerwerkstoff der Materialanteil in der TWD-Struktur und die Wanddicke der Folie und nicht die Zellform die entscheidenden Auslegungsparameter sind.

Ausgehend von den Ergebnissen der Material- und Strukturoptimierung konzentrierten sich die weiteren Arbeiten auf die Entwicklung und Umsetzung von optisch und thermisch optimierten kleinzelligen Wabenstrukturen auf der Basis von kommerziell hergestellten Polymerfolien. Dabei wurden unterschiedliche Fertigungsverfahren für die Herstellung von auf Folien basierenden TWD-Strukturen, im folgenden Wabenlamellenstrukturen genannt, konzipiert.

Es wurde ein kontinuierlich arbeitendes Fertigungsverfahren entwickelt und mittlerweile eine Prototypanlage aufgebaut. Das Verfahren zur Herstellung von Wabenlamellenstrukturen ist zweistufig, bestehend aus dem Formgebungsprozess und dem Fügeprozess. In einem ersten Schritt wird aus zwei Folien eine Wabenlamelle, bestehend aus einer planen und einer gewellten Folie, hergestellt. Die Wabenlamelle kann sowohl gestapelt als auch in Form einer Wickelstruktur (Abbildung 1) weiterverarbeitet werden [5].

Abbildung 1
Gewickelte TWD-Waben-lamellen-struktur

Im Vergleich zu kommerziellen extrudierten TWD-Strukturen weisen Wabenlamellenstrukturen vor allem folgende zwei Vorteile auf:

• aufgrund der Verwendung qualitativ hochwertiger Folien treten keine Strukturfehler an der Oberfläche der Struktur auf
• bezüglich des Werkstofftyps und der geometrischen Abmessungen der TWD-Struktur ist eine hohe Flexibilität gegeben

Als Halbzeug für die optisch und thermisch optimierte Wabenlamellenstruktur mit einem Materialanteil von lediglich 1,8 V% kam eine 30 mm dicke Cellulosetriacetatfolie der Fa. LoFo High Tech Film GmbH (Weil am Rhein, Deutschland) zum Einsatz. Gegenüber Celluloseacetat zeichnet sich Cellulosetriacetat durch eine deutlich bessere Licht-, Feuchte- und Temperaturbeständigkeit aus. Als Rohstoff werden für Cellulosetriacetat je zur Hälfte Baumwollcellulose und Holzcellulose eingesetzt.

Nach anfänglichen Schwierigkeiten beim Aufbau der Pilotproduktionsanlage gelang die Umsetzung der Technologie in die Praxis im Frühjahr/Sommer 2002. Mit Hilfe des realisierten kontinuierlichen Verfahrens wurden etwa 30 m² TWD-Wabenlamellenstruktur (Abbildung 1) produziert und in die Fassade des Anwendungsdemonstrationsobjektes, einem Niedrigstenergie-Solarhaus in Graz [6, 7], eingebaut (siehe Titelbild dieses Artikels). Ziel des Bauobjektes war es, die technischen Möglichkeiten und Potenziale einer vollsolaren Energieversorgung, durch Einsatz von Kunststoffen und Polymerwerkstoffen insbesondere auch auf Basis nachwachsender Rohstoffe, am Beispiel eines Einfamilienhauses mit Büroeinheit in der Praxis zu erproben.

Was die TWD-Fassade anlagt, wurde in Kooperation mit dem Architekten des Demonstrationsobjektes (H. Hegedys, Planungs- und Bauges.m.b.H. Hegedys-Haas, Nestelbach) eine optimierte Rahmen- und Fassadenstruktur in konstruktiver Holzbauweise (unter Minimierung des Holzanteils) entwickelt und bautechnisch umgesetzt. Die im Rahmen des Projektes entwickelte TWD-Fassade (TWD-Struktur inklusive Fassadenaufbau jedoch exklusive Massivwand, 25 cm dickes betongefülltes Ziegelmauerwerk) wurde in einer vergleichenden Ökobilanzstudie verschiedenen bereits eingesetzten und kommerziell verfügbaren Systemen gegenübergestellt [2]. Zwischen den besten und schlechtesten Systemen ergab sich dabei beispielsweise nach dem Schweizer Ökopunktesystem ein Faktor zwischen 10 und 100. Die besten ökobilanziellen Ergebnisse aller TWD-Strukturen und -Fassaden erzielte das von uns entwickelte System auf Basis Cellulosetriacetat. Der wesentliche Vorteil des Systems liegt in der Gestaltung der Fassadenstruktur, die jedoch wiederum mit dem entwickelten TWD-Halbzeug eng gekoppelt ist. Als tragende Fassadenstruktur, die von der Planungs- und Bauges.m.b.H. Hegedys-Haas konzipiert und geplant wurde, wurde eine materialoptimierte Holzkonstruktion umgesetzt. Die Fertigstellung der TWD-Fassade und Verglasung mit strukturiertem eisenarmem Glas (Titelfoto) erfolgte im Juli 2002.

Messdatenerfassung

Das Demonstrationsobjekt wurde von der AEE/intec in Gleisdorf mit einem entsprechenden Messdatenerfassungssystem, bestehend aus sowohl klimatechnischen Sensoren (z. B. Abbildung 2) als auch Sensoren, die das thermische Verhalten eines definierten Messfeldes der TWD-Fassade erfassen, ausgestattet. Seit Fertigstellung der TWD-Fassade läuft die für die kommenden zwei Heizperioden geplante Vermessung der solaren Einstrahlung und der energetischen Erträge der TWD-Fassade des Demonstrationsobjektes.

Während einer bewölkten Woche im Dezember 2002 liegt die Temperatur der Wand innen geringfügig unter der Raumtemperatur im Bereich zwischen 19 und 20°C. Die Wandaußentemperatur (am Absorber) sinkt trotz Umgebungstemperaturen von bis zu -6°C lediglich auf Temperaturen von minimal 15°C ab. Der Verlustwärmestrom liegt während der einstrahlungsarmen Periode bei etwa 15 W/m². Selbst geringe, in der Regel diffuse Einstrahlung reduziert den Verlustwärmestrom.

Messdaten für eine kalte, sonnige Woche im Januar 2003 sind in der Abbildung 3 angegeben. Die Temperatur am Absorber steigt auf bis zu 70°C und die Wandinnentemperatur mit einer Phasenverschiebung von sieben bis acht Stunden auf bis zu 30°C. Die TWD-Wand ist während dieser Woche ständig in der Gewinnzone und weist Gewinnwärmeströme von bis zu 50 W/m² auf. Aus Abbildung 3 wird deutlich, dass die Raumtemperatur während der einstrahlungsreichen, kalten Winterzeit signifikant ansteigt und sogar Werte von bis zu 26°C (gemessen in Deckennähe des Raumes) annimmt. Nach Informationen der Bewohner des Hauses werden selbst diese Temperaturen als nicht unangenehm empfunden. Demzufolge bringen optimierte TWD-Fassadensysteme insbesondere bei Niedrigstenergiehäusern einen hohen solaren Deckungsgrad, ohne jedoch gleichzeitig zu unangenehmen Überhitzungen zu führen. Trotz der ausgeprägten Hygroskopizität des verwendeten Cellulosetriacetatwerkstoffes wurde bisher keine ästhetische Beeinträchtigung der Fassade durch an der Innenseite der strukturierten Glasscheibe ausfallendes Tauwasser festgestellt. Da die TWD mit einem Übermaß von etwa 10 % in die Fassade eingebaut wurde, wurde das Problem der Hohlraumbildung infolge Materialsetzung bis dato erfolgreich unterbunden.

Abbildung 2
Verglastes TWD-Messfeld mit Strahlungssensoren

Ausblick

Für die laufende und die nächste Heizperiode ist die weitere Vermessung der TWD-Fassade vorgesehen. Neben den gezeigten dynamischen Kennwerten ist eine detaillierte Auswertung der Messergebnisse (Mittelung über längere Perioden (Wochen, Monate), Ermittlung der TWD-Leistungskenngrößen Gesamtenergiedurchlassgrad und Wärmedurchlasskoeffizient und Ermittlung der solaren Einträge und Erstellung von Wärmebilanzen) geplant. Zusätzlich soll eine kontinuierliche Beobachtung und Dokumentation der an der TWD-Fassade auftretenden Systemphänomene (z. B. Feuchtigkeitshaushalt, Langzeitverhalten der Struktur) durchgeführt werden. Zur Erhöhung des Nutzungsgrades bzw. Verringerung der Überhitzungsgefahr ist in späterer Folge die Aufbringung eines Innenputzes mit Latentwärmespeicher auf Basis Paraffin vorgesehen.

Was die wirtschaftliche Umsetzung und Verwertung des Produktes anlangt, sind künftig weitere Aktivitäten geplant. Neben der Weiterentwicklung des TWD-Halbzeugs für die Herstellung vorgefertigter Module zur einfachen Einbindung in die Fassade sollen Modellstudien zur Applikation der TWD-Struktur durch Selbstbaugruppen an drei bis fünf Objekten, insbesondere auch Altbauten, als mögliche Verbreitungsstrategie durchgeführt werden. Zusätzlich sollen Konzepte für die Produktionsumsetzung in größerem Maßstab durch Lizenzierung des Produktes und des Verfahrens ausgearbeitet werden.

Danksagung

Die Forschungsprojekte wurden in dankenswerter Weise durch das Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie im Rahmen der zweckgebundenen Förderung von Technologieschwerpunkten unterstützt und finanziert.

Abbildung 3
Messergebnisse vom 17. bis 24. Januar 2003 (einstrahlungsreiche Woche)

Literatur
[1] G. Wallner, H. Schobermayr, R. W. Lang, Entwicklung und Optimierung von transparenten Wärmedämmsystemen mit absorber-senkrechten Lamellenstrukturen aus Kunststoff, Forschungsbericht des Instituts für Kunststofftechnik - JOANNEUM RESEARCH, Leoben, 1997
[2] H. Schobermayr, G. Wallner, T. Krziwanek, R. W. Lang, Transparente Wärmedämmsysteme mit absorber-senkrechten Lamellenstrukturen aus Kunststoff, Forschungsbericht des Instituts für Kunststofftechnik - JOANNEUM RESEARCH, Leoben, 2000
[3] G. Wallner, Kunststoffe für die transparente Wärmedämmung - Polymerphysikalische Einflüsse und Modellierung, Dissertation an der Montanuniversität Leoben, Institut für Werkstoffkunde und -prüfung der Kunststoffe, Leoben, 2000
[4] R. W. Lang, H. Schobermayr, G. Wallner und W. Platzer, Transparente Wärmedämmung mit Kunststofflamellenstrukturen, erneuerbare energie - Zeitschrift für Energiealternativen, Nr. 1-96
[5] G. Wallner, H. Schobermayr, R. W. Lang, W. Platzer, Entwicklung neuartiger transparenter Wärmedämmsysteme aus Kunststoff, erneuerbare energie - Zeitschrift für Energiealternativen, Nr. 1-98
[6] H. Hegedys, Nullenergiehaus Wohnhaus Familie Lang - eine vollsolare Alternative, erneuerbare energie - Zeitschrift für Energiealternativen, Nr. 2-98
[7] R. W. Lang, H. Hegedys, Niedrigstenergie-Solarbau, erneuerbare energie - Zeitschrift für Energiealternativen, Nr. 1-00
[8] Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie; Abteilung für Energie- und Umwelttechnologien, Transparente Wärmedämmung - Entwicklung und Erprobung neuartiger transparenter Wärmedämmsysteme aus Kunststoff, Forschungsforum, 2/2002

*) Dr. Gernot Wallner, Univ.-Prof. Dr. Reinhold Lang und Ing. Dieter Tomitsch, Institut für Werkstoffkunde und -prüfung der Kuststoffe, Montanuniversität Leoben (vormals Institut für Kunststofftechnik, JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH), Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Dr. Harald Schobermayer, Dr. Schobermayer Kunststofftechnik, Altenfelden (vormals Institut für Kunststofftechnik, JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH)
Ing. Herbert Hegedys, Planungs- und Bauges.m.b.H. Hegedys-Haas, Nestelbach
Dipl.-Ing. Robert Hausner, AEE INTEC, Gleisdorf [^]