Haustech 3/2018

Mit Vakuum dämmen

Vakuumisolierpaneele in unterschiedlichen Dämmstärken. (Foto: Forschungsinstitut für Wärmeschutz FIW)
Antonio Suárez /

Die Isoliereigenschaften von Vakuum sind unübertroffen. Seit fast zwanzig Jahren werden deshalb auch in der Bauindustrie zur Wärmedämmung sogenannte Vakuumisolationspaneele verwendet. Weil diese aber teuer und in der Verarbeitung empfindlich sind, wird 
nach Wegen gesucht, um sie massenmarkttauglicher zu machen.

Die Europäische Union hat sich zum Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2050 den CO2-Fussabdruck von Privat- und Bürogebäuden um 80 Prozent gegenüber dem Stand von 1990 zu senken. Hierbei spielt eine optimale Wärmedämmung eine zentrale Rolle. Aus diesem Grund entschied die Europäische Kommission per Finanzhilfevereinbarung, das Forschungsprojekt «Innovative multi-functional Vacuum-Insulation-Panels for use in the building sector» (INNOVIP) mit 5 Millionen Euro Fördermitteln aus dem Europäischen Forschungs- und Innovationsrahmenprogramm «Horizon 2020» zu bezuschussen. Am Projekt – dessen vierjährige Laufzeit 2019 endet – ist ein Konsortium aus dreizehn Unternehmen und diversen Forschungseinrichtungen aus acht Ländern beteiligt.

Vorrangiges Ziel des Projekts ist es, die Lebensdauer und Effizienz von Vakuumdämmplatten zu steigern, um die Marktakzeptanz des Produkts zu verbessern. Im Einzelnen nehmen sich die beteiligten Projektpartner vor, die Dämmleistung um mindestens 25 Prozent zu steigern, eine standardisierte Mindestnutzdauer von 
25 Jahren zu erreichen, die Herstellungskosten um 30 Prozent zu reduzieren sowie Zusatzfunktionen wie Schimmelabwehr und erhöhten Feuerwiderstand anzubieten.

Koordiniert wird das Projekt vom Forschungsinstitut für Wärmeschutz (FIW) in Gräfelfing bei München. Projektkoordinator ist der Diplombauingenieur Christoph Sprengard, der seit 2012 der Abteilung Forschung und Entwicklung im Wärmeschutz vorsteht. «Die Idee für die Weiterentwicklung der Paneele kam aus der Praxis», sagt der Projektverantwortliche. «Wir haben erkannt, dass es Schwachstellen gibt, und diese versuchen wir nun mit neuen Forschungsideen gezielt anzugehen. Das heisst, wir machen sie günstiger, langlebiger und einfacher in der Anwendung.»

Vakuumdämmung

Die unter dem technischen Sammelbegriff Vakuumisolationspaneele (VIP) subsumierten Dämmplatten gehören zu den 
Ultrahochleistungs-Wärmedämmsystemen. Sie machen sich die extrem guten Isoliereigenschaften von Vakuum zunutze, weshalb sie bei minimaler Dicke eine sehr effiziente Wärmedämmung bieten. Sie bestehen aus druckstabilem Kernmaterial, das von einer luftdichten Folie umhüllt ist. Aus diesem Verbund wird die vorhandene Luft abgepumpt und die Hochbarrierefolie anschliessend verschweisst. Durch die Erzeugung eines Unterdruckes in einem abgeschlossenen Hohlraum reduziert sich die Wärmeübertragung zwischen den angrenzenden Materialien sehr stark. Das Kernmaterial verhindert beim Abpumpen der Luft das Zusammenschrumpfen der Dämmplatte. Handelsübliche Vakuumdämmplatten bestehen in der Regel aus einem Stützkern aus gepresster pyrogener Kieselsäure oder Mineralfasern. Die Paneele dämmen um den Faktor fünf bis zehn besser als herkömmliches Dämmmaterial. Werden sie in einer Aussenwand eingesetzt, halbiert sich die gesamte Konstruktionsdicke.

Erste Zulassungen in den Nullerjahren

An der Vakuumdämmung wird schon seit Jahrzehnten geforscht. Das erste Patent für evakuierte Dämmplatten wurde 1930 in den USA erteilt. 1964 wurde das erste Patent für mikroporöse Kerne erworben, und evakuierte Dämmplatten unter Einsatz von Hochbarrierefolien wurden erstmals 1970 entwickelt. Seit den Achtzigerjahren wird die Technologie für Industrieanwendungen eingesetzt. Rasch merkte man, dass die Vakuumdämmung nicht nur für kurzzeitige Anwendungen im Transportbereich – etwa in Kühlboxen  oder in Kühl- und Gefriergräten – geeignet ist, sondern auch im Baubereich eingesetzt werden kann, wo sie Ende der Neunzigerjahre Einzug hielt.

Europaweit zum ersten Mal in einem kommerziellen Bauprojekt verbaut wurden Vakuumisolierpaneele kurz nach der Jahrtausendwende in einem unterkellerten Fussboden eines denkmalgeschützten Gerichtsgebäudes aus dem 17. Jahrhundert in der Schaffhauser Gemeinde Neuhausen am Rheinfall. Die Dämmarbeiten wurden von der ZZ Wancor AG unter Beteiligung des bayerischen Lieferanten Porextherm Dämmstoffe GmbH ausgeführt. Seit 2003 sind Vakuumpaneele als wärmedämmende Baustoffe (SIA-Merkblatt 279) in der Schweiz zugelassen. Die entsprechende Norm wurde 2011 in Kraft gesetzt. In Deutschland wurden die ersten offiziellen bauaufsichtlichen Zulassungen für die Wärmedämmung im Baubereich im Jahre 2007 erteilt. Seit 2011 werden erste Produktnormierungen angestrebt, die sich zurzeit beim Europäischen Komitee für Normung in der Vernehmlassung befinden.

Pyrogene Kieselsäure

Auf Kieselsäure als Stützkernmaterial für Vakuumdämmplatten kam man aufgrund der Stoffeigenschaften. Kieselsäure ist wegen der geringen Porengrössen für den Baubereich interessant, ausserdem ist sie nicht brennbar und ungiftig. Man müsse sich die pyrogene Kieselsäure als aufgeschäumten Quarzsand vorstellen, erläutert Ronald Ellebrecht, der als Key Account Manager bei der Würzburger Herstellerfirma Va-Q-tec AG arbeitet. Die im INNOVIP-Konsortium integrierte Firma verwendet für ihre Paneele pyrogene Kieselsäure, die wahlweise als Pulver oder gepresste Platte in unterschiedlichen Formen und Stärken verarbeitet wird. «Kieselsäure ist ein rein mineralisches Produkt. Deshalb ist es unter umwelttechnischen und gesundheitlichen Aspekten unbedenklich», so Ellebrecht. Dies zeige sich unter anderem an den unterschiedlichen Industrieanwendungen. So sei pyrogene Kieselsäure Bestandteil von Zahnpasta; und seit einigen Jahren sei sie sogar als Zusatzstoff in Lebensmitteln zugelassen.

Gefahr durch Mikrobeschädigungen

Zwar erreicht man mit Vakuumpaneelen deutlich bessere Dämmwerte als mit konventionellen Isolierstoffen. Allerdings sind sie sehr delikat in der Handhabung, da das Produkt durch die kleinste Beschädigung seine Eigenschaften verliert. «Wenn ich durch falsche Anwendung das Paneel beschädige, das Vakuum somit durch einen Lufteintrag belüftet wird, dann verliere ich auch einen Grossteil der technischen Isoliereigenschaften», schildert Ellebrecht den Sachverhalt. Trotzdem verfügten Silika selbst im Falle einer Beschädigung immer noch über sehr gute Dämmeigenschaften. Ein beschädigtes Vakuumpaneel mit einer Stärke von 20 Millimetern habe immer noch dieselben Dämmwerte wie doppelt so dickes Styropor, ergänzt der Fachmann.

Um die Qualität seiner Produkte zu garantieren, hat Va-Q-tec ein eigenes patentiertes Prüfsystem entwickelt, bei dem jedes einzelne Paneel manuell auf hundertprozentige Dichtigkeit untersucht wird. «Es kann vorkommen, dass beim Versiegeln der Foliennähte eine Mikrobeschädigung auftritt, wodurch kurz- bis mittelfristig ein Lufteintrag auftritt – mit den entsprechenden negativen Folgeerscheinungen. Mit Hilfe des Prüfverfahrens können wir bei jedem Paneel feststellen, ob eine Mikrobeschädigung vorliegt oder nicht. Wenn eine solche auftritt, sortieren wir es aus. Damit ist eine hundertprozentige Qualitätsausgangsprüfung gegeben», so Ellebrecht.

Bevorzugter Einbau in Terrassen

Vakuumisolierplatten werden oft zur Innendämmung der Aussenwand eingesetzt. Sie sind als Innendämmmaterial deshalb geeignet, weil sie sehr dünn sind, womit Wohnflächenverluste miniert werden. Ein anderer sehr verbreiteter Einsatzort sind Terrassen, wo mit Paneelen ein stufenloser Austritt ermöglicht wird. Weiter gibt es Anwendungen im Dachbereich, wo das Produkt als Aufdach- oder Flachdachdämmung verwendet wird. Sprengard und Ellebrecht gehen davon aus, dass sowohl in Deutschland als auch in der Schweiz die Vakuumpaneele im Gebäudebereich am meisten auf Dachterrassen eingesetzt werden. Vakuumdämmplatten würden bevorzugt auf Balkonen, Terrassen und Flachdächern eingebaut. Doch die Anwendungsmöglichkeiten seien vielseitig. Überall, wo man auf der Baustelle dämmen müsse, könne man sie einsetzen.

Das gehe über klassische Applikationen hinaus, versichert Ellebrecht. «Die dünnen Paneele ermöglichen eine moderne und schlanke Architektur. Sie können deshalb auch in einer Haustüre oder in Rollladenkästen integriert werden. Im Fassadenbereich werden Vakuumpaneele inzwischen sogar zwischen Isolierglas eingelegt, um Büro- und Verwaltungsgebäude oder Wohnhochhäuser schlank zu bauen, um so wenig Platz wie möglich für Dämmstoffe zu verschwenden – gerade im innerstädtischen Bereich, wo der Raum sehr kostenintensiv ist.»

Erstmarkteinführung in der Schweiz

In der Schweiz sind die Anwendungsbereiche identisch, wie Hans Peter Sommer bestätigt. Auch er sieht in der stufenlosen Wärmeisolierung zwischen Terrasse und Wohnbereich das häufigste Einsatzgebiet. Darüber hinaus erwähnt er die Bodenisolierung von Kühlräumen und die Spezialanwendung der Lukarnendämmung im Dachbereich. Der Dämmspezialist arbeitet bei der ZZ Wancor AG in Regensdorf, die aus den ehemaligen Zürcher Ziegeleien entstanden ist und heuer ihr 125-jähriges Bestehen feiert. Schweizweit beschäftigt das Unternehmen, das dem weltgrössten Ziegelproduzenten Wienerberger aus Österreich gehört, rund 170 Mitarbeitende.

«Die Schweiz war bei der Vakuumdämmung Vorreiterin und führte sie vor Deutschland und Österreich ein», bekräftigt Sommer. «Deshalb verfügt die Schweiz auch über ein grosses Bauvolumen auf dem Vakuumdämmmarkt. Weil die energetische Dämmung sehr verbreitet war, verzeichnete sie hierzulande während der ersten zehn Jahre die höchsten Absatzzahlen.» Gemäss Sommer werden allein in der Schweiz jährlich ungefähr 20 000 bis 25 000 Quadratmeter Vakuumisolationspaneele in Bauanwendungen abgesetzt, während in Österreich die Zahlen etwas geringer sind (15 000–20 000 Quadratmeter) und in Deutschland rund das Vierfache verbaut wird (80 000–100 000 Quadratmeter).

Geringes Marktvolumen

Angesichts der Tatsache, dass europaweit jedes Jahr zu Hunderttausenden Millionen Quadratmeter Dämmstoffe verbaut werden, sind diese Zahlen ziemlich bescheiden. Der Massenmarkt wird von anderen Isolierstoffen beherrscht. Die Vakuumdämmung bleibt als Spezialanwendung ein Nischenprodukt, das besonders bei Problemfällen auf der Baustelle gefragt ist, etwa wenn wenig Platz vorhanden ist oder besonders effizient gedämmt werden muss.

Hans Peter Sommer schätzt den Marktanteil von Vakuumdämmplatten in der Schweiz auf drei bis fünf Prozent ein. Zwar seien die Wachstumszahlen in den ersten Jahren nach der Markteinführung hoch gewesen, doch habe sich der Markt inzwischen konsolidiert. Derzeit verzeichne man nur noch ein geringes Wachstum, so Sommer. Wichtigster Grund dafür ist der Preis: «Wenn man auf der Fassade Platz hat für 10 Zentimeter Styropor, dann verzichtet man aus Kostengründen auf den Einsatz von Vakuumpaneelen mit einer Dicke von zwei Zentimetern. Als Richtwert für eine Dämmfläche von einem Quadratmeter mit einem 20 bis 25 Millimeter dicken Paneel kann man rund 100 Franken annehmen. Demgegenüber kostet der Quadratmeter je nach Dämmstärke bei anderen Dämmstoffen nur rund 30 bis 40 Franken.»

Weitere Gründe für das verhältnismässig geringe Marktvolumen sind Bedenken im traditionsverhafteten Baugewerbe und der noch ausbaufähige Bekanntheitsgrad des Produkts. Selbst nach zwanzig Jahren sei Vakuumdämmung auf der Baustelle bei Handwerkern und Architekten teilweise noch unbekannt, betont Ronald Ellebrecht. Einer weiteren Verbreitung stünde auch der Irrglaube im Wege, dass Vakuumdämmung zwar sehr gut, aber auch sehr teuer sei. Trotzdem zeigt sich 
Ellebrecht optimistisch: «Vakuumdämmung ist im Verlaufe der Jahre wesentlich günstiger geworden, dank höherer Stückzahlen und verbesserter Produktionstechniken. Deswegen bin ich zuversichtlich, dass sie in Zukunft immer mehr Marktanteile hinzugewinnen wird. Der Preis wird durch die weitere Optimierung der Produktionsverfahren und der Rohmaterialien nach unten gehen, womit Vakuumdämmung immer konkurrenzfähiger wird.»

Polyurethan dominiert Dämmmarkt

Welche Dämmstoffe sind in der Bauindustrie eigentlich vorherrschend? Dazu gebe es für Deutschland keine verlässlichen Zahlen mehr, meint Christoph Sprengard. Seit 2011 würden keine Marktzahlen zu den Anteilen der Dämmstoffe in Bauanwendungen erhoben. Der Leiter der Abteilung Forschung und Entwicklung des Gräfelfinger Forschungsinstituts schätzt, dass Mineralwolle den grössten Anteil einnimmt, gefolgt von expandiertem Polystyrol (Styropor).

«In Deutschland wird an den Fassaden immer noch grösstenteils Styropor verwendet, ausser wenn die brandschutztechnischen Erfordernisse bedingen, dass man mit nicht brennbaren Materialien arbeiten muss», sagt Sprengard. «In diesem Fall wird mehrheitlich Mineralwolle eingesetzt. Lassen es die Brandschutzregelungen zu, kommen aber auch andere Dämmstoffe wie Polyurethan zur Anwendung, oder auch nachwachsende Dämmstoffe wie Holzfasern, die stark im Kommen begriffen sind und zurzeit einen relativ grossen Wachstumsschub verzeichnen.»

In der Schweizer Bauindustrie sieht die Verteilung etwas anders aus. Auf dem hiesigen Markt dominiert die Kunststoffgruppe der Polyurethane. So sieht es Hans Peter Sommer: «Im Steil- oder Flachdachbereich wird oft Polyurethan zur Dämmung verwendet. Wenn man von Hochleistungswärme- beziehungsweise Vakuumdämmung absieht, verfügt dieser Kunststoff über die besten Wärmeleitzahlen. Schätzungsweise zu 40 Prozent wird Polyurethan verbaut – etwa im Sockelbereich, wo es zu Wassereintritten kommen kann.

Im Dachbereich und an der Fassade wiederum hat extrudierter Polystyrol-Hartschaum (XPS) einen grossen Anteil. Und im Fassadenbereich arbeitet man – abgesehen von Polystyrol – auch mit Mineralwolle. Zurzeit beobachten wir hinsichtlich der Nachfrage auf dem Markt vor allem im Fassadenbereich eine Verlagerung hin zu Glas- und Steinwolle, insbesondere wegen der guten Brandschutzeigenschaften.»

Zwei Lösungsansätze

Doch zurück zum EU-Forschungsprojekt INNOVIP. Auch Christoph Sprengard wünscht sich, dass die Flächenanwendung von Vakuumpaneelen zunimmt und diese nicht mehr nur als Lösung für kritische Punkte mit engen Platzverhältnissen, die nur wenig Dämmung erlauben, vermehrt zum Zuge kommen. Und er ist überzeugt, dass der Massenmarkt besser erreicht werden kann, insbesondere durch eine einfachere Handhabung, einen günstigeren Preis sowie eine breitere Wahrnehmung als Massenprodukt.

Die grössten Chancen, einen Massenmarkt zu erschliessen, sieht der Forschungskoordinator darin, das Wärmedämmsystem mit zusätzlichen Befestigungslösungen und Schichten mit weiteren Funktionalitäten auszustatten. Denn die Kunden hegten ihre grössten Vorbehalte hinsichtlich der Dauerhaftigkeit des Produkts, der Befestigungsart und der möglichen Beschädigung durch die Fixierung. In Bezug auf die Dauerhaftigkeit kann Sprengard Entwarnung geben. Für die Produktnorm würden die in der Wärmedämmbranche üblichen Standardprüfprozesse unter Einsatz von künstlichen Alterungsverfahren angewandt, mit denen man die Performance im Zeitverlauf hochrechnen könne. Diese wird für 25 Jahre bestimmt. Doch Sprengard geht davon aus, dass die Paneele deutlich länger halten.  Ein Grossteil der Kosten resultiert aus den Rohmaterialpreisen und dem relativ aufwändigen Fertigungsprozess. Hier sieht Sprengard zwei Hebel, um die Kosten zu senken.

Ein Lösungsansatz besteht darin, weniger Kernmaterial zu verwenden. Doch bei weniger Material liesse es sich nicht mehr in eine herkömmliche Platte pressen, die man dann in den Folienbeutel schieben und evakuieren könnte. Lösen könne man dieses Problem durch loses, in den Beutel eingefülltes Pulver. Doch müsse man in diesem Fall parallel dazu Änderungen am Produktionsverfahren vornehmen, weil das lose Pulver in den Beuteln keine geraden und eckigen Kanten bilde. «Ein Bauprodukt, das ungerade Kanten aufweist und uneben ist, kann in der Praxis kaum an der Wand oder der Decke eingesetzt werden», so Sprengard. Deshalb werde die prozesstechnische Gewährleistung gerader Kanten als Ansatzpunkt weiterverfolgt. Der Ansatz bestehe darin, bereits in der Produktion auf die Kanten einzuwirken, um eine ebene und rechtwinklige Fläche hinzubekommen.

Perlit als Alternative

Ein anderer Lösungsansatz besteht darin, ganz auf ein anderes Material zu setzen. «Das Problem ist hier allerdings, dass andere Kernmaterialien gegenüber der Kieselsäure den Nachteil haben, deutlich grössere Poren zu haben», so Sprengard. «Grössere Poren bedeuten höhere Anforderungen für das notwendige Vakuum, insbesondere an dessen Dauerhaftigkeit. Dies wiederum bedeutet, dass wir uns auch die Folien anschauen müssen. Diese müssen dauerhaft eine hohe Dichtigkeit aufweisen, um das Vakuum auf dem für das Produkt notwendigen Level zu halten.»

Ein Material, das als aussichtsreicher Kandidat gilt, ist Perlit. Der vulkanische Glasstoff ist komplett inert. Nach dem Aufblähen strömt nichts mehr aus. Denn das Material ist fest, kleinteilig und lose. Perlit wird in sehr vielen unterschiedlichen Bereichen angewendet, von der Kältetechnik über die Kern- und Wärmedämmung und Getränkemittelherstellung bis hin zum Einsatz als Zusatzstoff im Gartenbau und in Spezialzahnpasta. Als Hochleistungsdämmstoff hätten Perlite gegenüber anderen Materialien wie offenzelligem Kunststoff den Vorteil, dass sie bei der Erzeugung des Vakuums relativ rasch evakuiert werden könnten und kaum Ausgasungen aufwiesen, die in den Paneelen den Druck erhöhten, erklärt der Wissenschaftler.

Die zwischenzeitlichen Forschungserkenntnisse von INNOVIP sind zum derzeitigen Stand noch geheim, sagt Sprengard. Der Projektleiter verschweigt dennoch nicht, dass beide Lösungsansätze gleichwertig verfolgt würden, ohne Präferenz für einen spezifischen Ansatz. «Wir denken, dass beide parallel ihre Berechtigung haben. Folglich werden wir uns nicht für einen entscheiden. Je nach Anwendung können entweder die Perlit- oder die Kieselsäurepaneele geeigneter sein.» Mit weiteren Erkenntnissen kann ab Ende nächsten Jahres gerechnet werden. Dann wird das Projekt seinen Abschluss finden.