DE19851710A1 - Wall structure to make passive use of solar energy has a basic fiber material to store thermal energy with added metal fibers or strips to give latent heat storage - Google Patents

Wall structure to make passive use of solar energy has a basic fiber material to store thermal energy with added metal fibers or strips to give latent heat storage

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Abstract

The wall structure, to use passive solar energy, is of a basic fiber material to store thermal energy with a latent heat storage material. The fiber material is of wood, plastics or mineral wool or other organic or inorganic fibers. In addition, according to the application, the wall material has evenly-distributed metal fibers or strips in variable quantities, with a significant proportion of the metal components aligned across the wall direction.

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.The invention relates to a building material made of light fiber raw materials with increased thermal conductivity heat storage through an inserted solid-liquid latent heat storage material (LWSM). According to the high heat required for effective heat storage Conductivity due to a variable proportion of metal fibers depending on the application, which is homogeneous in the Fiber material is distributed and its essential portion is transverse to the wall direction of the component, reached.

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.In the passive use of solar energy for building heating, there are heat-storing components an important system component. The solar radiation incident through transparent components becomes converted into heat and stored in the interior with a time delay give. An example is the "Energieau" realized by the Fraunhofer-Gesellschaft in Freiburg strong solar house ". Here the heating energy requirement is made by a system of transparent Thermal insulation (TWD) and a 30 cm thick sand-lime brick wall as heat storage almost full constantly covered.

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.It is known that by embedding a latent heat storage material (LWSM) in a building part of the heat storage capacity can be significantly improved. With conventional Bauma LWSM stores heat sensibly through an increase in temperature additionally through the heat energy required for the solid-liquid phase transition. This increases the volume-related storage density in a defined temperature range.

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.Sources: Hawes, DW; Feldman, D. "Absorption of phase change materials in concrete" in the journal "Solar Energy Materials and Solar Cells" 27/1992,
Feldman, D .; Banu, D .; Hawes, DW "Development and application of organic phase change mixtures in thermal storage gypsum wallboard" in the above-mentioned magazine 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.-%.During this research, common building materials such as plaster or concrete were ver with LWSM mixes or soaked in immersion. The proportion of LWSM is partly due to the pores limited amount of the material and is at most about 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.It is also known that an LWSM consists of a matrix of different materials game soft wood fiber boards, plastic or mineral wool can be taken up homogeneously distributed can and does not leak even in the molten state. In these matrix structures, approximately 60 Vol .-% LWSM are bound.

Quellen: K. Fieback, H. Gutberlet; "Paraffine in der Wärmetechnik" in der Zeit­ schrift "Wärmetechnik" 7/1997.Sources: K. Fieback, H. Gutberlet; "Paraffins in thermal engineering" in time font "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. These developments would theoretically make it possible to use conventional heavy storage walls of 25-30 cm thickness due to much lighter, only about 8-10 cm thick wall components put. These LWSM matrix composite components would have approximately the same heat storage capacity like a 10 × heavier concrete wall.  

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.From a manufacturing point of view it is important that the structure and geometry of the heat conductor change allows the respective matrix material to be adjusted in order to ensure even distribution and easy processing guarantee in the matrix material. As mentioned above, this is a wide range reachable.

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.The advantages of the building material according to the invention are as follows:
The melting / solidification of the LWSM takes place more evenly.
The heat discharge and entry is improved.
In addition to the thermal conductivity, the heat penetration coefficient is also improved. This reduces the temperature peaks on the outside of the storage tank and reduces the resulting losses. The system efficiency is increased.
With the same storage capacity, thinner and lighter wall structures can be used.

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.In addition to the area and weight advantages, this also results in advantageous construction Possibilities in the form of prefabricated series elements and time-saving installation methods. Due to the adjustable thermal conductivity according to the invention depending on the application significantly larger capacities are also possible thanks to thicker components. So low-sun Perio that are better bridged.

Die größere thermischer Trägheit des Gebäudes ist positiv für das Raumklima.The greater thermal inertia of the building is positive for the indoor climate.

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.Particularly suitable metals for use as heat conductors are aluminum and copper, because they have a very high thermal conductivity. Another suitable material is steel despite the not quite as high thermal conductivity as it is compared to the metals mentioned above is significantly cheaper. The use of these metals as described in claims 2-4 is an advantageous embodiment of the invention.

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).The metal parts lying across the component must connect to the surface of the Bauma have terials to ensure direct heat input or radiation. Egg ne additional metal layer on the surface ensures even heat distribution and forwards them to the adjacent metal parts. This described in claim 5 bene subclaim represents a meaningful further development of the material according to claims 1-4 (See Appendix 1, schematic diagram).

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. Since the LWSM in question are combustible materials, one is Use in construction to classify the flammability and fire resistance of the entire wall component of importance. An improvement of these properties can be achieved through a Coating with plaster or cement mortar can be achieved. It also gives you one Surface that is suitable for conventional finishing treatments such as painting. This sub-claim described in claim 6 represents a further useful extension of the Ma terials according to claims 1-4.  

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.A problem with the above-mentioned composite materials made of LWSM and another building material is the consistently low thermal conductivity of the LWSM in question and the known one Matrix materials. This leads to the fact that the heat input and the heat dissipation are hindered, since the material acts as thermal insulation.

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.The efficiency of a passive solar system made up of TWD and a storage wall depends heavily on Thermal transmittance (k value) of the storage wall. The larger this is, the higher it is the efficiency. The k value of a structure depends on the thermal conductivity of the Ma terials and the layer thickness of the construction. An increase in thermal conductivity also leads like reducing the layer thickness to a higher k value. Calculations show that from egg a k-value of about 3 W / qm.K a favorable efficiency is achieved. This limit will of the known LWSM matrix composite materials already achieved with a thickness of approx. 3 cm. With larger component thicknesses, the k value drops significantly and the efficiency of the overall system cannot compete with traditional storage walls. An application as a storage wall for passive solar systems of the type described is therefore currently out of the question.

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.Based on the problems described in the prior art, the invention is now the Based on the task to develop the known matrix structures so that by a verbes heat conductivity of the material thicker layers with a suitable k-value application in passive solar systems.

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.The lightweight construction material according to claim 1 of fibrous raw materials that too in addition to the usual fibers such as wood, plastic or mineral wool or other organic and inorganic fibers a proportion of metal fibers or strips in an even distribution contains and the essential portion of which is transverse to the wall direction of the component, fulfills all requirements changes to the above task and offers a number of advantages. The sub-claims contain advantageous refinements and developments of the 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.Conditions:
The known matrix materials have a favorable absorption capacity and a corresponding capillarity with a low bulk density. This is of great importance for the retention of the LWSM in the melted state. A heat conductor must not significantly change these properties.

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.Metals have a thermal conductivity that is 400-2500 × that of known ones LWSM and the well-known matrix structures. Now metal fibers or strips become the bottom added material, the total thermal conductivity is increased in proportion to the metal content, since the transverse fibers ensure rapid heat transfer through the component cross-section most. With the above-mentioned potential of these metals, small fractions from 1-2 volu are sufficient percent in order to achieve comparable values to conventional memories. These minor Amounts do not affect the absorbency of the matrix structure.

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.Furthermore, the structure of the heat conductor must be in small parts, since an even distribution for homogeneous heating of the LWSM is desirable. This is easily done with metals possible. As is well known, metals can range from fine fibers to wool-like structures to process.

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.1. light building material from fibrous raw materials for the storage of thermal energy by means of a latent heat storage material (LWSM), characterized in that in addition to the usual fibers such as wood, plastic or mineral wool or other organic and inorganic fibers a variable proportion of metal fibers or strips depending on the application is added to the base material in a uniform distribution and a substantial proportion of the metal parts lie transversely to the wall direction of the component. 2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Aluminium oder Aluminium­ legierungen verwendet werden.2. Material according to claim 1, characterized in that the metal is aluminum or aluminum alloys can be used. 3. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Kupfer oder Kupferlegierun­ gen verwendet werden.3. Material according to claim 1, characterized in that the metal is copper or copper alloy gene can be used. 4. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Stahl oder Stahllegierungen verwendet werden.4. Material according to claim 1, characterized in that the metal is steel or steel alloys be used. 5. Material nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche zusätzlich ein- oder beidseitig mit einem Metallblech oder einer -folie kaschiert ist.5. Material according to claims 1-4, characterized in that the surface additionally one or is laminated on both sides with a metal sheet or foil. 6. Material nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche zusätzlich mit einer Schicht Gips oder Zementmörtel beschichtet ist.6. Material according to claim 1-4, characterized in that the surface additionally with a Layer of plaster or cement mortar is coated.
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