DE19851710A1 - Latentwärmespeicherndes Wandbaumaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit - Google Patents

Abstract

Zur passiven Solarenergienutzung durch transparente Wärmedämmung (TWD) ist eine hohe Wärmespeicherkapazität der Außenwand notwendig. Dies ist mit Latentwärmespeichermaterialien (LWSM) gut zu erreichen. Bekannt sind faserige Strukturen (z. B. Holzweichfaserplatten), die einen hohen Anteil LWSM aufsaugen und als Container fungieren. Vorteile der Latentwärmespeicherung sind u. a. geringes Wandgewicht, geringe Dicke, wenig Temperaturdifferenz bei hoher Speicherkapazität. Solarenergie über TWD-Systeme kann jedoch effektiv nur bei gleichzeitig hoher Wärmeleitung der Außenwand genutzt werden. Diese wird von den bekannten LWSM-Baumaterialien nicht erreicht. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein Baumaterial aus leichten Fasergrundstoffen mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit zur Wärmespeicherung durch ein eingefügtes fest-flüssig Latentwärmespeichermaterial. Erfindungsgemäß wird die zur effektiven Solarenergienutzung notwendige hohe Wärmeleitfähigkeit durch einen je nach Anwendungsfall variablen Anteil an Metallfasern, die homogen im Fasermaterial verteilt sind und deren wesentlicher Anteil quer zur Wandrichtung des Bauteils liegt, erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Baumaterial aus leichten Fasergrundstoffen mit erhöhter Wärmeleitfähig­ keit zur Wärmespeicherung durch ein eingefügtes fest-flüssig Latentwärmespeichermaterial (LWSM). Erfindungsgemäß wird die zur effektiven Wärmespeicherung notwendige hohe Wärme­ leitfähigkeit durch einen je nach Anwendungsfall variablen Anteil an Metallfasern, die homogen im Fasermaterial verteilt sind und deren wesentlicher Anteil quer zur Wandrichtung des Bauteils liegt, erreicht.

Bei der passiven Nutzung der Solarenergie zur Gebäudeheizung sind wärmespeichernde Bauteile eine wichtige Systemkomponente. Die durch transparente Bauteile einfallende Solarstrahlung wird in Wärme umgewandelt und über eine Zwischenspeicherung zeitverzögert an den Innenraum abge­ geben. Beispielhaft sei hier das von der Fraunhofer-Gesellschaft in Freiburg realisierte "Energieau­ tarke Solarhaus" genannt. Hierbei wird der Heizenergiebedarf durch ein System aus transparenter Wärmedämmung (TWD) und einer 30 cm starken Kalksandsteinwand als Wärmespeicher fast voll­ ständig gedeckt.

Es ist bekannt, daß durch die Einbettung eines Latentwärmespeichermaterials (LWSM) in ein Bau­ teil die Wärmespeicherkapazität deutlich verbessert werden kann. Wird bei herkömmlichen Bauma­ terialien Wärme sensibel über eine Temperaturerhöhung gespeichert, so erfolgt dies bei LWSM zu­ sätzlich durch die zum Phasenübergang fest-flüssig notwendige Wärmeenergie. Hierdurch erhöht sich die volumenbezogene Speicherdichte in einem definierten Temperaturbereich.

Quellen: Hawes, D. W.; Feldman, D. "Absorption of phase change materials in concrete" in der Zeitschrift "Solar Energy Materials and Solar Cells" 27/1992,
Feldman, D.; Banu, D.; Hawes, D. W. "Development and application of organic phase change mixtures in thermal storage gypsum wallboard" in der oben ge­ nannten Zeitschrift 36/1995.

Bei diesen Forschungen wurden gängige Baumaterialien wie Gips oder Beton mit LWSM ver­ mischt oder im Tauchverfahren getränkt. Der Anteil an LWSM ist unter anderem durch den Poren­ anteil des Materials begrenzt und liegt höchstens bei ca. 25 Vol.-%.

Es ist ebenfalls bekannt, daß ein LWSM von einer Matrix aus verschiedenen Materialien, zum Bei­ spiel Holzweichfaserplatten, Kunststoff oder Mineralwolle homogen verteilt aufgenommen werden kann und auch im geschmolzenen Zustand nicht ausläuft. In diesen Matrixstrukturen können ca. 60 Vol.-% LWSM gebunden werden.

Quellen: K. Fieback, H. Gutberlet; "Paraffine in der Wärmetechnik" in der Zeit­ schrift "Wärmetechnik" 7/1997.

Durch diese Entwicklungen wäre es theoretisch möglich, die herkömmlichen schweren Speicher­ wände von 25-30 cm Dicke durch wesentlich leichtere, nur etwa 8-10 cm starke Wandbauteile zu er­ setzen. Diese LWSM-Matrix Verbundbauteile hätten in etwa die gleiche Wärmespeicherkapazität wie eine 10× schwerere Betonwand.

Fertigungstechnisch ist von Bedeutung, daß die Struktur und Geometrie des Wärmeleiters sich dem jeweiligen Matrixmaterial anpassen läßt, um so eine gleichmäßige Verteilung und leichte Verarbei­ tung im Matrixmaterial zu gewährleisten. Dies ist wie oben erwähnt in einer großen Bandbreite er­ reichbar.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Baumaterials stellen sich wie folgt dar:
Das Schmelzen/Erstarren des LWSM erfolgt gleichmäßiger.
Der Wärmeaustrag und -eintrag wird verbessert.
Neben der Wärmeleitfähigkeit wird auch der Wärmeeindringkoeffizient verbessert. Dadurch wer­ den Temperaturspitzen an der Speicheraußenseite verringert und die hieraus resultierenden Verluste reduziert. Der Systemwirkungsgrad wird erhöht.
Bei gleicher Speicherkapazität können dünnere und leichtere Wandkonstruktionen eingesetzt wer­ den.

Hierdurch ergeben sich neben der Flächen- und Gewichtsvorteile auch vorteilhafte Konstruktions­ möglichkeiten in Form von vorgefertigten Serienelementen und zeitsparenden Einbaumethoden. Durch die entsprechend der Erfindung je nach Anwendung einstellbare Wärmeleitfähigkeit sind auch deutlich größere Kapazitäten durch dickere Bauteile möglich. So können sonnenarme Perio­ den besser überbrückt werden.

Die größere thermischer Trägheit des Gebäudes ist positiv für das Raumklima.

Besonders geeignete Metalle für die Verwendung als Wärmeleiter sind Aluminium und Kupfer, da sie über eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen. Ein ebenfalls geeignetes Material ist Stahl trotz der nicht ganz so hohen Wärmeleitfähigkeit, da er gegenüber den oben genannten Metallen deutlich kostengünstiger ist. Die in den Ansprüchen 2-4 beschriebene Verwendung dieser Metalle ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.

Die quer zum Bauteil liegenden Metallanteile müssen eine Verbindung zur Oberfläche des Bauma­ terials haben, um eine direkte Wärmeeinleitung beziehungsweise Abstrahlung zu gewährleisten. Ei­ ne zusätzliche, auf der Oberfläche angebrachte Metallschicht sorgt für eine gleichmäßige Wärme­ verteilung und leitet diese in die angrenzenden Metallanteile weiter. Dieser in Anspruch 5 beschrie­ bene Unteranspruch stellt eine sinnvolle Weiterentwicklung des Materials nach den Ansprüchen 1-4 dar. (Siehe Anlage 1, Prinzipskizze).

Da es sich bei den in Frage kommenden LWSM um brennbare Materialien handelt, ist bei einer Verwendung im Bauwesen eine Klassifizierung der Entflammbarkeit und der Feuerwiderstand des gesamten Wandbauteils von Bedeutung. Eine Verbesserung dieser Eigenschaften kann durch eine Beschichtung mit Gips oder Zementmörtel erreicht werden. Außerdem erhält man hierdurch eine Oberfläche, die sich für übliche Endbehandlungen wie zum Beispiel einen Anstrich eignet. Dieser in Anspruch 6 beschriebene Unteranspruch stellt eine weitere nützliche Erweiterung des Ma­ terials nach den Ansprüchen 1-4 dar.

Ein Problem bei den oben genannten Verbundmaterialien aus LWSM und einem anderen Baustoff ist die durchweg niedrige Wärmeleitfähigkeit der in Frage kommenden LWSM und der bekannten Matrixmaterialien. Dies führt dazu, daß bei entsprechenden Materialdicken der Wärmeeintrag und der Wärmeaustrag behindert werden, da das Material wie eine Wärmedämmung wirkt.

Der Wirkungsgrad eines passiv-solaren Systems aus TWD und einer Speicherwand hängt stark vom Wärmedurchgangskoeffizienten (k-Wert) der Speicherwand ab. Je größer dieser ist, desto höher ist der Wirkungsgrad. Der k-Wert einer Konstruktion ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Ma­ terials und der Schichtdicke der Konstruktion. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit führt ebenso wie eine Verringerung der Schichtdicke zu einem höheren k-Wert. Berechnungen zeigen, daß ab ei­ nem k-wert von etwa 3 W/qm.K ein günstiger Wirkungsgrad erreicht wird. Dieser Grenzwert wird von den bekannten LWSM-Matrix Verbundmaterialien schon bei einer Dicke von ca. 3 cm erreicht. Bei größeren Bauteildicken sinkt der k-Wert deutlich ab und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems kann nicht mit herkömmlichen Speicherwänden konkurrieren. Eine Anwendung als Speicherwand für passiv-solare Systeme der geschilderten Art kommt somit zur Zeit nicht in Frage.

Ausgehend von den geschilderten Problemen beim Stand der Technik liegt nun der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Matrixstrukturen so weiterzuentwickeln, daß durch eine verbes­ serte Wärmeleitfähigkeit des Materials größere Schichtdicken mit einem geeigneten k-Wert zur An­ wendung in passiv-solaren Systemen möglich werden.

Das nach Anspruch 1 erfindungsgemäße leichte Baumaterial aus faserigen Grundstoffen, daß zu­ sätzlich zu den üblichen Fasern wie Holz, Kunststoff oder Mineralwolle oder anderen organischen und anorganischen Fasern einen Anteil an Metallfasern oder Streifen in gleichmäßiger Verteilung enthält und deren wesentlicher Anteil quer zur Wandrichtung des Bauteils liegt, erfüllt alle Anfor­ derungen an die oben genannte Aufgabe und bietet eine Reihe von Vorteilen. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfin­ dung.

Anforderungen:
Die bekannten Matrixmaterialien verfügen über ein günstiges Absorptionsvermögen und eine ent­ sprechende Kapillarität bei geringer Rohdichte. Dies ist zur Rückhaltung des LWSM im geschmol­ zenen Zustand von großer Bedeutung. Ein Wärmeleiter darf diese Eigenschaften nicht wesentlich verändern.

Metalle verfügen über eine Wärmeleitfähigkeit, die 400-2500× so hoch ist wie bei bekannten LWSM und den bekannten Matrixstrukturen. Werden nun Metallfasern oder Streifen dem Grund­ material beigefügt, so wird die Gesamtwärmeleitfähigkeit proportional zum Metallanteil erhöht, da die quer liegenden Fasern einen schnellen Wärmetransport durch den Bauteilquerschnitt gewährlei­ sten. Bei dem oben genannten Potential dieser Metalle reichen schon geringe Anteile ab 1-2 Volu­ menprozent aus, um vergleichbare Werte zu herkömmlichen Speichern zu erreichen. Diese geringen Mengen beeinträchtigen das Absorptionsvermögen der Matrixstruktur nicht.

Des weiteren muß die Struktur des Wärmeleiters kleinteilig sein, da eine gleichmäßige Verteilung zur homogenen Erwärmung des LWSM wünschenswert ist. Dies ist mit Metallen ohne weiteres möglich. Bekannterweise lassen Metalle sich bis hin zu feinen Fasern und wollähnlichen Strukturen verarbeiten.

Claims (6)

1. leichtes Baumaterial aus faserigen Grundstoffen für die Speicherung von Wärmeenergie mittels eines Latentwärmespeichermaterials (LWSM) dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den üblichen Fasern wie Holz, Kunststoff oder Mineralwolle oder anderen organi­ schen und anorganischen Fasern ein je nach Anwendungsfall variabler Anteil an Metallfasern oder Streifen in gleichmäßiger Verteilung dem Grundmaterial beigefügt ist und ein wesentlicher Anteil der Metallteile quer zur Wandrichtung des Bauteils liegt.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Aluminium oder Aluminium­ legierungen verwendet werden.

3. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Kupfer oder Kupferlegierun­ gen verwendet werden.

4. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Stahl oder Stahllegierungen verwendet werden.

5. Material nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche zusätzlich ein- oder beidseitig mit einem Metallblech oder einer -folie kaschiert ist.

6. Material nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche zusätzlich mit einer Schicht Gips oder Zementmörtel beschichtet ist.