Thermische Randeffekte
Die Randfläche eines VIPs liegt in der Richtung des Wärmestroms und ist somit eine mehr oder weniger große Wärmebrücke. Damit der Wärmestrom möglichst klein bleibt, muss die Aluminiumschicht in der Folie gering gehalten werden (vorzugsweise < 100 nm). In der folgenden Abbildung sind die Isothermen und die Richtung des Wärmestroms im Paneel dargestellt. Je stärker die Verzerrung der Isothermen am Rand ist, desto stärker ist dort die Wärmebrücke.
Querschnitt durch zwei Vakuumisolationspaneele. Das linke Bild stellt eine
Paneelhälfte mit einer Folie mit Aluminiumschichtdicke 8 µm,
das rechte Bild eine Paneelhälfte mit einer Folie mit Aluminiumschichtdicke
von 80 nm dar. Eingezeichnet sind die Richtung des Wärmestromes
(Pfeile), die Isothermen (Linien) und farbig die Temperaturverteilung innerhalb
der Paneele. Links ist deutlich ein Wärmebrückeneffekt erkennbar.
Die heute zum Einsatz kommenden Folien haben eine Aluminiumschicht mit einer
Dicke zwischen 50 nm (metallisierte Kunststofffolie) und 10 µm
(Metallfolie). Die Aluminiumschicht in der Folie ist notwendig um das Eindringen
von Gasen zu behindern.
Aluminium ist wegen seiner Dehnbarkeit, Verfügbarkeit und niedrigen Kosten
das bevorzugte Metall. Aluminium hat jedoch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit
von 200 W/(m·K), so dass ein je nach Dicke der Schicht auch erheblicher
Wärmetransport stattfinden kann, der den Wärmetransport durch die
Paneelmitte um ein vielfaches übersteigt. Der Wärmetransport über
den Kunststoffanteil der Folie ist demgegenüber zu Vernachlässigen,
da die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes tausendmal kleiner ist
als die von Aluminium.
Von VIP-Herstellern wird häufig nur der Wärmedurchgangswert im Paneelzentrum angegeben. Der effektive Wärmedurchgangskoeffizient ist jedoch abhängig von der Paneelgröße und der Einbauweise der VIPs. Der Einfluss der Größe der VIPs und der eingesetzten Umhüllung wurde für einen Wandaufbau berechnet. Eine 17,5 cm Kalksandsteinwand wurde mit 3 cm VIP und 3 cm Polystyrol gedämmt. Für ein unendlich großes Paneel ergäbe sich ein Wärmedurchgangskoeffizient U = 0.14 W/(m²K). Für zwei verschiedene Folientypen mit 8 µm bzw. 80 nm Aluminiumschichtdicke und für eine Edelstahlhülle mit 200 µm Edelstahldicke am Rand ist der effektive Wärmeverlustkoeffizienten U in Abhängigkeit von der Seitenlänge eines quadratischen Paneels dargestellt.
Effektiver Wärmedurchgangskoeffizient U in Abhängigkeit von der
Seitenlänge des quadratischen Paneels für verschiedene Folien und
Stoßvarianten. Wandaufbau: 17,5 cm Kalksandsteinwand gedämmt
mit 3 cm VIP und 3 cm Polystyrol.
Der Wärmetransport über den Rand erhöht also den Gesamtwärmestrom durch das Paneel unter Umständen erheblich. Das bedeutet, große Paneele mit günstigen Rand/Flächen-Verhältnissen weisen im Gegensatz zu kleinen Paneelen kleinere Gesamtwärmedurchlasskoeffizienten auf.
