Regelbare Vakuumdämmelemente im Gebäude - Adaptive Fassaden und thermische Bauteilaktivierung
ReVaD
Im Projekt ReVaD entwickeln wir eine regelbare Vakuumwärmedämmung zur bedarfsgerechten Anpassung des Wärmedurchgangs von Gebäudehüllen und -strukturen sowie die thermische Aktivierung von Speichermassen. Ziel ist die Demonstration eines adaptiven Dämmsystems unter gebäuderealistischen Randbedingungen.
Testaufbau zur experimentellen Untersuchung druckabhängiger Wärmeleitfähigkeit in (Vakuum-)Dämmpaneelen
Die akkurate Charakterisierung von Funktion und Betriebsverhalten der entwickelten regelbaren Dämmelemente ist Kernaufgabe im Projekt ReVaD.
Über 50 % des Endenergiebedarfs in Deutschland werden zur Bereitstellung thermischer Energie aufgewendet, der größte Anteil für den bedarfsintensiven Gebäudesektor - überwiegend durch Verbrennung fossiler Energieträger. Die Reduktion sowie Dekarbonisierung des Wärme- und Kältebedarfs im Gebäude sind zentrale Bausteine der Wärmewende.
Adaptive Fassadenelemente ermöglichen die Abstimmung der dynamischen Randbedingungen innerhalb und außerhalb von Gebäuden (Tag/Nacht, Sommer/Winter, Wetter, Geräte, Personenanzahl, etc.). Durch die gezielte Steuerung der Wärmeströme durch die Fassade lässt sich etwa ein passiver Kühleffekt in Sommernächten nutzbar machen, während in der heißen Tagesphase maximale Dämmfähigkeit gewährleistet wird. So können Gebäude vor sommerlicher Überhitzung geschützt und die nötige Kühllast gesenkt werden.
Darüber hinaus erlaubt die Anwendung regelbarer Dämmpaneele innerhalb des Gebäudes die gezielte Aktivierung bestehender, massiver Gebäudeteile als thermische Energiespeicher. Insbesondere in Bestandsgebäuden gestaltet sich die Dekarbonisierung des Heizenergiebedarfs im Winter schwierig. Beispielsweise Wand-, Boden-, oder Deckenaufbauten werden zu modularen Bausteinen eines Heizsystems verwandelt, indem die massereichen Strukturen bspw. mittels Klebematten elektrisch beladen werden und die Wärmeabgabe in den Raum bedarfsgerecht mithilfe der adaptiven Dämmung eingestellt wird. Durch die Nutzbarmachung bereits bestehender Kapazitäten kann die Bauteilaktivierung ressourcenschonend zur Flexibilisierung des Energiesystems beitragen.
Das Funktionsprinzip der regelbaren Dämmung basiert auf der nicht-linearen gasdruckabhängigen Wärmeleitfähigkeit poröser Medien – je geringer der Gasdruck im Inneren eines geschlossenen Dämmpaneels, desto geringer die Wärmeleitfähigkeit und umgekehrt. Die Regelung des Gasdrucks basiert auf der Anwendung thermochemischer Reaktionssysteme. Durch die gezielte Einstellung der Temperatur eines Metallhydrids lassen sich der Wasserstoffdruck in einem angeschlossenen Vakuumdämmpaneel spezifisch regulieren und entsprechend die Wärmeleitfähigkeit des Dämmelements kontrollieren. Die gezielte Aufheizung des Reaktors erzielt einen Druckanstieg und entsprechend eine Erhöhung des Wärmedurchgangs im Paneel, während eine Abkühlung des Reaktors zur Druckabsenkung und Verringerung der Wärmeleitfähigkeit führt.
Entwicklungsziele im Projekt
Im Rahmen des Projekts ReVaD werden Vakuumdämmpaneele auf Basis textiler Materialien entwickelt, in denen ein Wasserstoffgasdruck mithilfe thermochemischer Materialen geregelt wird. Dafür wird eine Reaktorkomponente ausgelegt, designt und als Prototyp aufgebaut, mit dem sich der Gasdruck durch die Temperatureinstellung im Reaktionsmaterial regeln lässt. Mithilfe numerischer Methoden wird die Integration adaptiver Dämmelemente im Gebäude untersucht und das thermisch-energetische Betriebsverhalten wie auch das Energieeinsparpotential bewertet.
Im Projekt arbeitet das Institut für Technische Thermodynamik des DLR mit zwei weiteren Forschungseinrichtungen (IGTE und DITF) zusammen. Das Konsortium wird durch einen projektbegleitenden Ausschuss, bestehend aus etwa 20 Firmen, unterstützt.
Das Projekt gliedert sich zunächst in drei Teilbereiche, die jeweils von den beteiligten Forschungsinstituten entwickelt und vorangetrieben werden:
Potentialstudie & simulative Integration adaptiver Dämmelemente in Gebäudemodelle
Design multimodaler textiler Porenstrukturen als Kernmaterialien der Dämmpaneele
Entwicklung passgenauer thermochemischer Reaktoren als Aktuator der adaptiven Dämmung
Zudem werden innerhalb des Projekts die Teilbereiche synergetisch zusammengeführt und in einem prototypischen Aufbau als Gesamtsystem demonstriert. Mithilfe der experimentellen Demonstration unter gebäuderealistischen Randbedingungen wird die Funktion der adaptiven Dämmung nachgewiesen, der Betriebsbereich ermittelt sowie das dynamisch und thermisch-energetische Verhalten der adaptiven Dämmung sowie die Potentiale im Gebäudekontext dargestellt.
Prototypische Demonstration der regelbaren Wärmedämmung zur Aktivierung von Speichermassen als thermische Energiespeichern
Die Eignung adaptiver Dämmelemente zur gezielten Kontrolle eines Wärmestroms von einer Gebäudemasse an den Raum (hier beispielhafter Bodenaufbau mit Trittschalldämmung, massiver Estrichschicht, regelbarer Wärmedämmung und Bodenbelag) wird numerisch als auch experimentell nachgewiesen. Es konnte gezeigt werden, dass die gasdruck-gesteuerte adaptive Dämmung als thermische Kontrollkomponente die gezielte Beheizung des Raums ermöglicht. Die Estrichschicht dient als Wärmespeicher, der kostenorientiert elektrisch beladen und bedarfsgerecht thermisch entladen werden kann.
