Isolieren mit Energie- und Raumgewinn
Mittels Vakuum lassen sich heute auch Haushalts- und Gebäudetechnikgeräte gegen Wärmeverlust isolieren.
Aus Platzgründen ist eine noch stärkere Reduktion der Energieverluste mit herkömmlichen Isolationen aber technisch kaum machbar. Hier bietet die Vakuumspalt-Isolation einen wesentlichen Vorteil. Und die Technik für eine kostengünstige Grossserienproduktion ist erarbeitet.
Der Energieverbrauch von Haushaltsgeräten, Kühlschränken, Backöfen oder Warmwasserboilern hängt vor allem von deren Isolation ab. Je leistungsfähiger diese ist, desto energieeffizienter ist das Gerät. Gesucht sind daher innovative Isolationsideen. Wie kann das Nutzvolumen eines Kühlschranks vergrössert und gleichzeitig der Stromverbrauch markant gesenkt werden? Eine Antwort auf diese Frage sucht die Helbling Technik AG in Wil mittels Vakuumspalt-Isolation. Das Vakuum ist bekanntlich die beste Wärmeisolationstechnik. Im Gebäudebereich haben die Vakuumisolationsplatten (VIP) bei speziellen Anwendungen erfolgreich einen Markt gefunden. Für Haushaltsgeräte sind aber andere und günstigere Konstruktionen gefragt. Mit Unterstützung des Bundesamts für Energie (BFE) hat die Helbling Technik AG die Entwicklung der theoretischen und konstruktiven Möglichkeiten solcher Vakuumspalt-Isolationen vorangebracht. Dabei lassen sich die Wärmeverluste eines modernen A++-Kühlschranks halbieren und der Energieverbrauch kann um rund zwei Drittel gesenkt werden.
Thermosflasche als Vorbild
Gleichzeitig lässt sich die Isolationsdicke reduzieren, weshalb das Nutzvolumen um rund 40 Prozent zunimmt bei gleichen Aussenmassen. Voraussetzung sind jedoch flache Vakuumspalt-Elemente. Als Vorbild dienen die bekannten Thermosflaschen und -becher. Bei der Materialwahl hat man verschiedene Metalle in Betracht gezogen und sich dann für austenitischen Stahl entschieden. Mit dem Einsatz von solchen Stahlblechen ist Schweissen oder Löten als luftdichte Verbindung problemlos anwendbar. Der Schritt zur industriellen Grossserienproduktion ist möglich.Wärmeverlust reduzieren
Theoretische Analysen zeigten, dass der Wärmedurchgangskoeffizient bei Vakuum nicht vom Abstand der beiden Aussenplatten abhängig ist, dass die Einsatztemperatur nur einen geringen Einfluss ausübt und dass die Wärmestrahlung durch Zwischenfolien im Vakuum vermindert werden kann. Stossen zwei einzelne Elemente aufeinander, besteht an dieser Schnittstelle die Gefahr eines übermässigen Wärmeverlusts. Dies trifft insbesondere bei geraden Kanten zu. Mit der konstruktiven Gestaltung einer Stufe lassen sich aber überlappende Verbindungen schaffen, so dass keine Wärmeverluste entstehen.Hohe Anforderungen für die Distanzhalter
Als kritische Komponente erweisen sich allerdings die Distanzhalter, die verhindern, dass die beiden ebenen Stahlbleche von weniger als 1 Millimeter Dicke zusammengepresst werden sei es aufgrund des Vakuums im Innern oder aufgrund des äusseren Drucks von rund einer Tonne pro Quadratmeter. Dadurch würde die Isolationswirkung zunichte gemacht. Es gilt, den Vakuumspalt mit einem möglichst kleinen, aber technisch einfach realisierbaren Distanzhalter zu gewährleisten. Die Helbling Technik AG geht von deutlich weniger als 20 Millimeter Abstand zwischen den beiden Blechen aus, was einer Isolationswirkung von ungefähr 45 Millimeter VIP entspricht.Die Abstandhalter müssen einige wesentliche Kriterien erfüllen: Druck aufnehmen, minimaler Wärmetransport, keine Ausgasung von Stoffen, die das Vakuum verringern würden, geringe Materialmengen beziehungsweise Anzahl pro Flächeneinheit und kostengünstige Fertigung. Die Evaluation möglicher Abstandhalter umfasste unterschiedliche Formen und Materialien. Kunststoff schied aus, da bei der Herstellung hohe Temperaturen auftreten. Schlanke Keramikstäbe konnten zwar die Druckfestigkeit gewährleisten, brachen aber beim Auftreten von Querkräften entzwei.
Vom Druck- zum Zug-Prinzip
Die Lösung brachte der Wechsel vom Druck- zum Zug-Prinzip: Dank einem Ball verwandeln sich die vertikalen Druckkräfte in horizontale Zugkräfte. Dieser Ball besteht aus einer Hülle und einem Füllmaterial. In einen Glasgeflechtschlauch ist pyrogene Kieselsäure eingefüllt und mit zwei Drahtabschlüssen versehen. Der pulverartige Inhaltsstoff lässt eine Verformung des Balls zu, so dass einerseits die Zugkraft genutzt werden kann, anderseits die erforderliche Wärmedämmung ermöglicht wird.Ergänzend hat die Helbling Technik AG für die Abstandhalter im Randbereich der Vakuumspalt-Elemente ein Parallel-Prinzip gewählt. Glasfasern werden dafür in parallelen Lagen mit Stahldraht umwickelt und zu Bündeln geformt. Da diese Materialien bereits in anderen Anwendungen genutzt werden und daher preiswert zur Verfügung stehen, ergeben sich kostengünstige Perspektiven für die Herstellung von Abstandhaltern für Vakuumspalt-Elemente.
Auch für Warmwasserspeicher
Neben dem Einsatz von flachen Elementen in Kühlschränken, Backöfen, usw. besteht ein noch grösseres Anwendungsgebiet bei Warmwasserspeichern. Gemäss einer statistischen Erhebung des BFE verbraucht die Warmwasserbereitung rund 13 Prozent der Haushaltsenergie. Könnte der Wärmeverlust solcher Boiler vermindert werden, wären auch hier Energieeinsparungen möglich.
Bei zylindrischen Körpern kommt man sogar ohne Distanzhalter aus. Nur die kreisförmigen Abschlüsse oben und unten müssten mit einer besonderen Lösung versehen werden; denkbar sind konventionelle Wärmedämmmaterialien, aber auch Vakuumspalt-Lösungen. Die Helbling Technik AG hat Machbarkeitsstudien und konstruktive Ideen aufgeführt. Eine Vakuumspalt-Isolation kann beispielsweise mit einem doppelwandigen Rohr geschaffen werden, wobei der Spalt zwischen den Wänden evakuiert wird. Dieses Rohr umschliesst dann den eigentlichen Boiler. Berechnungen haben gezeigt, dass ein solches Rohr mit einer Wandstärke von 0,1 Millimeter auf der Innenseite und mit einer Stärke von 0,4 Millimeter auf der Aussenseite aufgebaut sein kann. Eine solche Isolation reduziert die Wärmeverluste um bis zu 80 Prozent gegenüber den heute besten Boilern.
Damit eine dünne Aussenwand den Belastungen des Luftdrucks standhält, gibt es die Möglichkeiten, das austenitische Stahlblech mit Baustahl zu verstärken oder die dünne Wand mit einer Rillung zu versehen.
Vom Funktionsmuster zur Umsetzung
Die weiteren Schritte sind einerseits die Erstellung von Funktionsmustern und anderseits der Einbezug von Industriepartnern, die an der Umsetzung der Vakuumspalt-Isolation in Haushalts- und Gebäudetechnikgeräten interessiert sind. Die thermische Isolation mittels Vakuum wird rasch wichtiger, weil eine weitere Reduktion der Energieverluste mit herkömmlichen Isolationen aus Platzgründen nicht mehr sinnvoll ist. Bei Kühlschränken ermöglicht die Technologie, weitere Effizienzgewinne mit zusätzlichem Raumgewinn zu kombinieren.Nützliche Links:
www.bfe.admin.ch/forschungelektrizitaet
www.helbling.ch
GastautorIn: Jürg Wellstein, im Auftrag des Bundesamts für Energie (BFE) für oekonews.
Artikel Online geschaltet von: / Doris Holler /