DE19851710C2

DE19851710C2 - Plate-like composite material for storing thermal energy

Info

Publication number: DE19851710C2
Application number: DE19851710A
Authority: DE
Inventors: Birgit Lenzen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2001-07-26
Anticipated expiration: 2018-10-31
Also published as: DE19851710A1

Description

Die Erfindung betrifft ein plattenartiges Verbundmaterial (Baumaterial, Baustoff) zur Speicherung von Wärmeenergie, bestehend aus einem Fasergrundstoff aus Holz, Kunststoff, Mineralwolle und/oder anderen organischen oder anorgani schen Stoffen sowie einem in den Fasergrundstoff (Matrixmaterial) eingebetteten Latentwärmespeichermateri al mit einer Fest/Flüssig-Phasenänderung, zur Herstellung von Bauteilen für Wandkonstruktionen von Gebäuden.The invention relates to a plate-like composite material (Building material, building material) for storing thermal energy, consisting of a fiber base material from wood, plastic, Mineral wool and / or other organic or inorganic substances and one in the fiber base material (Matrix material) embedded latent heat storage material al with a solid / liquid phase change, for manufacturing of components for wall structures of buildings.

Bei der passiven Nutzung der Solarenergie zur Gebäudehei zung sind wärmespeichernde Bauteile eine wichtige System komponente. Die durch transparente Bauteile einfallende Solarstrahlung wird in Wärme umgewandelt und über eine Zwischenspeicherung zeitverzögert an den Innenraum abge geben. Beispielhaft wird hier das von der Fraunhofer- Gesellschaft in Freiburg realisierte "Energieautarke So larhaus" genannt. Hierbei wird der Heizenergiebedarf durch ein System aus transparenter Wärmedämmung (TWD) und einer 30 cm starken Kalksandsteinwand als Wärmespeicher fast vollständig gedeckt.Passive use of solar energy to heat the building heat-storing components are an important system component. The one falling through transparent components Solar radiation is converted into heat and through a Temporary storage abge to the interior give. The Fraunhofer- Society in Freiburg realized "Energy Self-sufficient So larhaus ". Here the heating energy requirement through a system of transparent thermal insulation (TWD) and a 30 cm thick sand-lime brick wall as heat storage almost completely covered.

Aus den Veröffentlichungen von Hawes, D. W. u. a.: "Absorp tion of phase change materials in concrete", in "Solar Energy Materials and Solar Cells", 27/1992, und von Feldman, D. u. a.: "Development and application of organic phase change mixtures in thermal storage gypsum wallbo ard" in "Solar Energy Materials and Solar Cells", 36/1995 ist es bekannt, daß durch die Einbettung eines Latentwär mespeichermaterials (LWSM) in ein Bauteil die Wärmespei cherkapazität deutlich verbessert werden kann. Wird bei herkömmlichen Baumaterialien Wärme sensibel über eine Temperaturerhöhung gespeichert, so erfolgt dies bei LWSM zusätzlich durch die zum Phasenübergang fest-flüssig not wendige Wärmeenergie. Hierdurch erhöht sich die volumen bezogene Speicherdichte in einem definierten Temperatur bereich. Bei diesen Untersuchungen wurden gängige Bauma terialien wie Gips oder Beton mit LWSM vermischt oder im Tauchverfahren getränkt. Der Anteil an LWSM ist unter an derem durch dem Porenanteil des Materials begrenzt und liegt höchsten bei ca. 25 Vol.-%.From the publications by Hawes, D. W. u. a .: "Absorb tion of phase change materials in concrete ", in" Solar Energy Materials and Solar Cells ", 27/1992, and by Feldman, D. u. a .: "Development and application of organic phase change mixtures in thermal storage gypsum wallbo ard "in" Solar Energy Materials and Solar Cells ", 36/1995 it is known that by embedding a latent heat mespeichermaterials (LWSM) in one component the heat storage capacity can be significantly improved. Is at conventional building materials sensitive to heat Temperature increase saved, this is done at LWSM additionally due to the solid-liquid emergency to the phase transition agile thermal energy. This increases the volume related storage density in a defined temperature Area. Common Bauma were used in these investigations materials such as plaster or concrete mixed with LWSM or in Soaked immersion process. The share in LWSM is below limited by the pore content of the material and is the highest at approx. 25% by volume.

Aus dem Aufsatz von K. Fieback u. a.: "Paraffine in der Wärmetechnik", Wärmetechnik, 7/997, ist es weiterhin be kannt, daß ein LWSM von einer Matrix aus verschiedenen Materialien, zum Beispiel Holzweichfaserplatten, Kunst stoff oder Mineralwolle, homogen verteilt aufgenommen werden kann und auch in geschmolzenem Zustand nicht aus läuft. In diesen Matrixstrukturen können ca. 60 Vol.-% LWSM gebunden werden.From the essay by K. Fieback u. a .: "Paraffins in the Wärmetechnik ", Wärmetechnik, 7/997, it continues to be knows that an LWSM is different from a matrix Materials, for example soft wood fiber boards, art fabric or mineral wool, evenly distributed can and not even in the molten state running. In these matrix structures approx. 60 vol .-% LWSM be bound.

Auf der Grundlage dieser Untersuchungen wäre es theore tisch möglich, die herkömmlichen schweren Speicherwände von 25 bis 30 cm Dicke durch wesentlich leichtere, nur etwa 8 bis 10 cm starke Wandbauteile zu ersetzen. Diese LWSM-Matrix-Verbundbauteile hätten in etwa die gleiche Wärmespeicherkapazität wie eine zehnmal schwerere Beton wand.On the basis of these studies, it would be theoretical table, the conventional heavy storage walls from 25 to 30 cm thick due to much lighter, only to replace about 8 to 10 cm thick wall components. This LWSM matrix composite components would have been roughly the same Heat storage capacity like a ten times heavier concrete wall.

Ein Problem bei den oben genannten Verbundmaterialien aus LWSM und einem anderen Baustoff ist jedoch die niedrige Wärmeleitfähigkeit der in Frage kommenden LWSM und der bekannten Matrixmaterialien. Das führt dazu, daß bei ent sprechenden Materialdicken der Wärmeeintrag und der Wär meaustrag behindert werden, da das Material wie eine Wär medämmung 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 Wirkungs grad. Der K-Wert einer Konstruktion ist von der Wärme leitfähigkeit des Materials und der Schichtdicke der Kon struktion abhängig. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit führt ebenso wie eine Verringerung der Schichtdicke zu einem höheren k-Wert. Berechnungen zeigen, daß ab einem k-Wert von etwa 3 W/qm. K ein günstiger Wirkungsgrad er reicht wird. Dieser Grenzwert wird von den bekannten LWSM-Matrix-Verbundmaterialien schon bei einer Dicke von 3 cm erreicht. Bei größeren Bauteildicken sinkt der k- Wert deutlich, und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems kann nicht mit herkömmlichen Speicherwänden konkurrieren. Eine Anwendung als Speicherwand für passiv solare Systeme kommt somit nicht in Frage.A problem with the above composite materials LWSM and another building material, however, is the low one Thermal conductivity of the LWSM in question and the known matrix materials. The result is that at ent speaking material thicknesses of heat input and heat discharge can be hindered because the material is like a heat insulation works. The efficiency of a passive solar Systems from TWD and a storage wall depends heavily on Heat transfer coefficient (k value) of the storage wall from. The larger this is, the higher the effectiveness grad. The K value of a construction is from heat conductivity of the material and the layer thickness of the con structure dependent. An increase in thermal conductivity leads to as well as a reduction in layer thickness a higher k value. Calculations show that from one k-value of about 3 W / qm. K a favorable efficiency is enough. This limit is known from the LWSM matrix composite materials already with a thickness of 3 cm reached. With larger component thicknesses, the k Value clearly, and the efficiency of the overall system cannot compete with traditional storage walls. An application as a storage wall for passive solar systems is therefore out of the question.

Die US 4 572 864 beschreibt ein Verbundmaterial zur Spei cherung von Wärmeenergie auf der Basis von mit dem ei gentlichen Verbundmaterial in Kontakt stehenden Stoffen, die für eine reversible Wärmespeicherung aufgrund kri stalliner Phasenumwandlung sorgen. Das heißt, das Phasen umwandlungsmaterial geht dort ausdrücklich nicht in den flüssigen Zustand über. Das Verbundmaterial kann Beimen gungen aus leitenden Stoffen wie Aluminium- oder Kohlen stoffpulver und/oder -fasern enthalten, um eine hohe Wärmeleitung zu erzielen. Das Beimischen von Metallpulver oder -fasern in wahlloser, ungeordneter Ausrichtung ist jedoch nicht geeignet, den Wärmetransport durch das plat tenartige Verbundmaterial senkrecht zu seinen Oberflächen wesentlich zu verbessern.US 4,572,864 describes a composite material for storage Heat energy based on the egg genetic composite material in contact with substances, for reversible heat storage due to kri provide stable phase transition. That is, the live conversion material is expressly not included in the liquid state over. The composite material can be added conductive materials such as aluminum or carbon contain powder and / or fibers to a high To achieve heat conduction. The admixture of metal powder or fibers in random, disordered orientation but not suitable for heat transfer through the plat ten-like composite material perpendicular to its surfaces to improve significantly.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen plattenartigen Verbundwerkstoff zur Speicherung von Wär meenergie, bestehend aus einem in eine poröse Struktur eingebetteten Latentwärmespeichermaterial mit einer Fest/Flüssig-Phasenänderung, anzugeben, der einen hohen Wärmeein- und -austrag und auch bei großen Schichtdicken einen schnellen Wärmetransport gewährleistet und insbe sondere zur passiven Nutzung der Solarenergie geeignet ist.The invention is therefore based on the object plate-like composite material for storing heat Meergy consisting of one in a porous structure embedded latent heat storage material with a Solid / liquid phase change, indicating a high Heat input and output and also with large layer thicknesses ensures a rapid heat transfer and esp especially suitable for passive use of solar energy is.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten plattenar tigen Verbundwerkstoff gelöst.According to the invention the task with a Features of claim 1 trained plattenar composite material.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, daß in einem plattenartigen Baumaterial aus fasri gen Grundstoffen (Matrixmaterial) und einem in die so ge bildete poröse Struktur eingebetteten Latentwärmespei chermaterial mit Fest/Flüssig-Phasenumwandlung Metallfa sern oder -streifen, das heißt, im wesentlichen langge streckte oder längliche metallische Partikel, in einer zu den Seitenflächen des plattenartigen Verbundmaterials senkrechten Ausrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Ein Teil dieser länglichen Metallpartikel ragt da bei bis an die Außenflächen des plattenartigen Verbundma terials.In other words, the basic idea of the invention is in that in a plate-like building material made of fasri basic materials (matrix material) and one in the so ge formed porous structure embedded latent heat Material with solid / liquid phase change Metallfa sera or strips, that is, essentially langge stretched or elongated metallic particles, in one too the side surfaces of the plate-like composite material vertical alignment evenly spaced are. Some of these elongated metal particles protrude there at up to the outer surfaces of the plate-like composite terials.

Die in Querrichtung zum Bauteilquerschnitt angeordneten kleinteiligen, aber langgestreckten, teilweise bis an die Wandflächen reichenden Metallpartikel sorgen schon bei einem Anteil von 1 bis 2 Volumenprozent zum einen für ei nen schnellen Wärmetransport durch den Bauteilquerschnitt und zum anderen für eine homogene Erwärmung des Latent wärmespeichermaterials. Der Wärmeeintrag und -austrag an den gegenüberliegenden Plattenflächen wird somit verbes sert. Der Erstarrungs- und Schmelzvorgang des Latentwär mespeichermaterials ist aufgrund des Metallanteils gleichmäßig und vollständig, so daß das Speicherverhalten deutlich verbessert wird. Andererseits wird durch den ge ringen Anteil an langgestreckten Metallpartikeln das Ab sorptionsvermögen der Matrixstruktur und damit die Rückhaltung des geschmolzenen Latentwärmespeichermaterials nicht beeinträchtigt. Ein weiterer Vorteil der erfin dungsgemäß in den Verbundplatten angeordneten langge streckten Metallteilchen besteht in der dadurch bewirkten Erhöhung des Wärmeeindringkoeffizienten. Dadurch werden die Temperaturspitzen an der Speicheraußenseite und dar aus resultierende Verluste verringert, so daß der System wirkungsgrad erhöht wird. Bei gleicher Speicherkapazität können somit vergleichweise dünne und leichte Wandkon struktionen eingesetzt werden. Hierdurch ergeben sich ne ben Flächen- und Gewichtsvorteilen auch vorteilhafte Kon struktionsmöglichkeiten in Form von vorgefertigten Seri enelementen und zeitsparenden Einbaumethoden. Durch das erfindungsgemäß entsprechend dem jeweiligen Anwendungs fall mögliche Einstellen der Wärmeleitfähigkeit sind durch dickere Bauteile mit erfindungsgemäß dennoch guter Wärmeleitung und gleichmäßiger, vollständiger Phasenum wandlung des Latentwärmespeichermaterials auch größere Speicherkapazitäten möglich, so daß sonnenarme Perioden besser überbrückt werden können. Zudem wirkt sich eine größere thermische Trägheit auch positiv auf das Raumkli ma aus.The arranged in the transverse direction to the component cross section small, but elongated, sometimes to the Metal particles reaching wall surfaces already provide a share of 1 to 2 percent by volume for egg rapid heat transfer through the component cross-section and secondly for homogeneous heating of the latent heat storage material. The heat input and output on the opposite plate surfaces are thus improved sert. The solidification and melting process of the latent heat memory material is due to the metal content evenly and completely, so that the storage behavior is significantly improved. On the other hand, the ge share of elongated metal particles sorption capacity of the matrix structure and thus the restraint of the melted latent heat storage material not affected. Another advantage of invent Langge arranged in accordance with the composite panels stretched metal particles consists in the resulting Increase in the heat penetration coefficient. This will the temperature peaks on the outside of the tank and resulting losses decreased, so the system efficiency is increased. With the same storage capacity can therefore comparatively thin and light wall con structures are used. This results in ne ben area and weight advantages also advantageous Kon structuring options in the form of prefabricated seri elements and time-saving installation methods. By the according to the invention according to the respective application possible settings of the thermal conductivity through thicker components with good according to the invention Heat conduction and even, complete phase change conversion of the latent heat storage material also larger Storage capacities possible, so that low-sun periods can be bridged better. One also has an effect greater thermal inertia also positive for the room climate ma out.

Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.Further characteristics and result from the subclaims advantageous developments of the invention.

So bestehen die in die Verbundwerkstoffplatten eingebun denen langgestreckten Metallteilchen vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder Stahl.So they exist integrated into the composite panels which elongated metal particles preferably from Aluminum, copper or steel.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Struk tur und Geometrie der im wesentlichen langgestreckten Me tallteilchen an die des jeweils verwendeten Matrixmateri als angepaßt, um sowohl eine gleichmäßige Verteilung and zur Wandfläche senkrechte Ausrichtung der Metallpartikel als auch eine leichte Verarbeitung zu gewährleisten. According to a further feature of the invention, the structure ture and geometry of the essentially elongated me tallpartchen to that of the matrix material used in each case as adapted to both an even distribution and Alignment of the metal particles perpendicular to the wall surface as well as to ensure easy processing.

Indem die langgestreckten Metallteilchen eine Verbindung zur Oberfläche des Baumaterials haben, wird, wie oben er wähnt, eine direkte Wärmeeinleitung bzw. -abstrahlung ge währleistet. Eine gleichmäßige Wärmeverteilung und ein besserer Zugang zu den bzw. eine bessere Ableitung von den bis zur Bauteilaußenfläche reichenden Metallteilchen wird durch eine metallische Beschichtung erreicht.By connecting the elongated metal particles to the surface of the building material, as above thinks a direct heat introduction or radiation ge ensures. Even heat distribution and one better access to or better derivation of the metal particles reaching to the outer surface of the component is achieved by a metallic coating.

Zur Verminderung der Entflammbarkeit bzw. Erhöhung des Feuerwiderstandes kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung eine Gips- oder Zementmörtelbeschichtung vorge sehen sein, die gleichzeitig als Grundfläche für eine üb liche Oberflächenbehandlung mit einem Anstrichstoff oder dgl. dient.To reduce the flammability or increase the Fire resistance can according to another characteristic of Invention featured a plaster or cement mortar coating be seen, which at the same time as a base for a practice surface treatment with a paint or The like.

Claims

1. Plate-like composite material for storing thermal energy, consisting of a fiber base made of wood, plastic, mineral wool and / or other organic and inorganic substances and a latent heat storage material embedded in the fiber base material with solid / liquid phase change, for the manufacture of components for wall structures of buildings, characterized in that in this predominantly perpendicular to its surfaces aligned metal fibers or strips are evenly distributed on ordered.

2. Composite material according to claim 1, characterized net that the proportion of metal fibers or strips in the fiber base material in an order of magnitude from 1 up to 2 percent by volume.

3. Composite material according to claim 1 and 2, characterized ge indicates that the metal fibers or strips for direct heat introduction / radiation immediately the surface of the composite material or the end of the finished wall component.

4. Composite material according to one of claims 1 to 3, because characterized in that the metal fibers or Strips of aluminum or an aluminum alloy consist.

5. Composite material according to one of claims 1 to 3, there characterized in that the metal fibers or Best strips of copper or a copper alloy hen.

6. Composite material according to one of claims 1 to 3, there characterized in that the metal fibers or - strips of steel or a steel alloy best hen.

7. Composite material according to one of claims 1 to 6, there characterized in that its a heat introduction or surfaces with Me tall coated.

8. Composite material according to claim 7, characterized net that the metal coating is a sheet or a Slide is.

9. Composite material according to one of claims 1 to 8, there characterized in that its surface (s) or that of the wall component made from this to the min flammability and as a primer with Plaster or cement mortar is (are) coated.

10. Composite material according to one of claims 1 to 9, there characterized in that the proportion of metal fibers or strip is variable.

11. Composite material according to one of claims 1 to 10, characterized in that the structure and geome trie of the metal fibers and strips to that of the jewei ligen fiber base is adjusted.