DE202014009377U1 - Wandelelement mit integrierter elektrischer Beheizung als Baustoff für eine elektrisch betriebene Wandflächentemperierung und als Innendämmung von Bauwerken. - Google Patents

Wandelelement mit integrierter elektrischer Beheizung als Baustoff für eine elektrisch betriebene Wandflächentemperierung und als Innendämmung von Bauwerken. Download PDF

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Abstract

Bauelement (1) zum Bau von Wandheizungen, gekennzeichnet durch eine 9,5 mm dicke Fasergipsplatte (1) oder eine Gipskartonplatte, die an der Baustelle mit einer carbonfaserhaltigen Beschichtung (2) versehen wird und auf deren Rückseite eine hochglänzende Aluminiumfolie (4) aufgeklebt ist, das auf einer Unterkonstruktion aus Holzlatten (5) auf Wände (7) montiert wird. Die Montage ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Platte (1) und Wand (7) ein Luftspalt (8) in der Stärke der Holzlatten entsteht. Weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Verschraubungsstellen in der Platte markiert sind. Die Befestigung der Platten an der Unterkonstruktion erfolgt wahlweise durch Antackern, Anschrauben oder durch Verklebung. Zwischen Holzlatte und Mauerwerk sollte ein 5 mm dicker Dämmstreifen, z. B. COMPRIBAND (6) eingelegt werden. Der Stromeintrag erfolgt durch Kupferfolienbänder, die beidseitig der Beschichtung in die carbonfaserhaltige Beschichtung eingebettet werden.

Description

  • 1. Bisherige Technik
  • Neben den bisherigen Konvektionsheizungstechniken, die dadurch gekennzeichnet sind, dass an Heizkörpern die Raumluft erwärmt wird und sodann im Raum thermisch zirkuliert, setzen sich seit einigen Jahren auch Wandheizungstechniken durch. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass Heizleitungen aus Kupfer, Aluminium oder Kunststoff von Hand auf die Innenoberflächen von Außenwänden aus Mauerwerk und anderen Baustoffen verlegt und sodann eingeputzt werden. Die Heizleitungen werden von erwärmtem Wasser durchflossen.
  • Verschiedene Hersteller bieten hierfür auch vorgefertigte Elemente an, die aber einheitlich dadurch gekennzeichnet sind, dass es sich um warmwasserbetriebene Elemente handelt.
  • Das Ziel dieser Technik besteht darin, die Wandoberflächen auf eine gleichmäßige Temperatur von ca. 19°C bis 22°C zu erwärmen, die sodann Wärme durch Wärmestrahlung mit einer Leistung von ca. 380 W/m2 emittieren. Mit diesen erwärmten (temperierten) Wänden stehen alle anderen raumbegrenzenden Wände, Decken und Fussböden im Strahlungsaustausch, sodass diese nach kurzer Zeit sich im gleichen Temperaturzustand wie die beheizten Wände befinden.
  • Der Bau derartiger Anlagen ist verhältnismäßig kostspielig, weniger wegen der Materialien sondern wegen des hohen Lohnkostenanteils.
  • Die bisherige geschilderte Technik geht wegen der warmwassergeführten Heizleitungen stets mit Heizzentralen einher, bei denen fossile Brennstoffe, also Öl, Erdgas oder Festbrennstoffe wie Stückholz, Holzpellets oder Kohle verfeuert werden. Elektrisch beheizte Wärmebereiter sind eher die Ausnahme. Werden wegen des sehr guten Gesamtwirkungsgrades sog. „Blockheizkraftanlagen” verwendet, also in der Regel Diesel – oder Benzinmotoren, deren Abwärme zu Heizzwecken genutzt wird und deren Stromausbeute in das öffentliche Netz eingespeist wird, besteht der Nachteil darin, dass der in Blockkraftwerken erzeugte Strom wegen des unregelmäßigen Stromertrags im Gebäude selbst nicht unmittelbar verbraucht wird. Angesichts der Tendenz, die Stromeinspeisevergütungen zu senken, droht die Gefahr, dass die Blockkraftwerkstechnik zunehmend unwirtschaftlicher wird, obwohl die Energieausbeute insgesamt bei nahezu 95% liegt. Eine Verbesserung wäre dann gegeben, wenn es technisch und wirtschaftlich befriedigende Speichermöglichkeiten für elektrischen Strom gäbe. Der heutige Stand der Technik deutet jedoch darauf hin, dass es in überschaubarer Zeit eine befriedigende Speichermöglichkeit für elektrischen Strom nicht geben wird. Dies gilt insbesondere für die dezentralisierte Stromerzeugung.
  • 2. Problemlösung.
  • Die hier gezeigte Erfindung bietet für die gezeigten Probleme eine Lösung, die es auch ermöglicht, insbesondere die durch Photovoltaik gewonnene Solarenergie ebenfalls unmittelbar für Heizzwecke zu nutzen. Die bei Wandheizungen genutzte elektrische Energie wird mittelbar in den speicherfähigen Massen des Gebäudes als kinetische Wärmeenergie abgespeichert.
  • Bei Blockkraftheizanlagen bietet sich außerdem an, neben der gewonnenen elektrischen Energie auch die Abwärmeenergie für Heizzwecke zu nutzen. In diesem Falle können beispielsweise Kombinationen aus elektrisch beheizten Wänden und warmwasserbeheizten Bodenheizungen gebaut werden. Ebenso kann die Warmwasserbereitung über das Blockkraftheizwerk bewerkstelligt werden. Je nach Betriebsweise kann etwa anfallender Überschussstrom auch in das öffentliche Netz eingespeist werden.
  • Die Problemlösung besteht ganz allgemein in der Herstellung und Montage von Wandelementen, die elektrisch beheizt werden und auf der Rückseite eine reflektierende Beschichtung haben.
  • Das Problem bei Wandheizungen an Außenwänden besteht auch in dem erhöhten Wärmeeintrag in die Außenwand, der in einzelnen Fällen zu einem erhöhten Wärmedurchgang und damit zu Heizenergieverlusten führen kann. Die hier gezeigte Erfindung löst dieses Problem dadurch, dass die Platte von der Außenwand thermisch getrennt wird. Der eingeschlossene Luftspalt hat eine sehr gute Dämmwirkung. Die nach außen gerichtete Abstrahlung von Wärmeenergie wird durch eine aufgeklebte hochglänzende Aluminiumfolie um etwa 95% gemindert. Wissenschaftliche Grundlage hierfür sind das Kirchhoff'sche Gesetz und das Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann. Die hier gezeigte Lösung führt dazu, dass der überwiegende Teil der aufgewendeten Energie sich in den zu beheizenden Raum verlagert, während die nach außen geleitete Wärmeenergie sehr gering ist.
  • Beschreibung der Wandelemente
  • 3. Wandelement, bestückt mit elektrischen Heizfolien. (Fig. 1 und Fig. 2)
  • Das Wandelement besteht aus vorzugsweise aus einer 9,5 mm dicken Fasergipsplatte (1), auf der auf der Rauminnenseite eine Schicht mit Carbonfasern im Anstrich oder Spachtelverfahren aufgebracht wird. Durch diese Schicht wird elektrischer Strom geleitet, der zur Erwärmung der Schicht und in der Folge zur Erwärmung der Gipsfaserplatte führt. Die Größe der Platten beträgt aus montagetechnischen Gründen ca. 100 × 150 cm. Die Platten können allerdings auch raumhoch hergestellt werden. Die Stromeinführung erfolgt über folienartige schmale Kupferbänder, die in die Beschichtung eingebettet werden. Diese Kupferbänder werden mittels isolierten Kupferleitungen an Transformatoren angeschlossen. Diese Transformatoren werden entweder auf oder unter Putz versetzt und ihrerseits an das 230 V-Stromnetz angeschlossen. Die Regelung der Temperaturen erfolgt mit Raumthermostaten, die die Stromzufuhr ein – oder abschalten.
  • Die Besonderheit dieser Platten besteht darin, dass sie auf der Rückseite vollflächig mit einer hochglänzenden Aluminiumfolie (4) beklebt werden. Hierdurch wird die nach außen gerichtete Wärmestrahlung außerordentlich wirkungsvoll gemindert. Diese Wirkung entsteht auch bei den zeitweise unbeheizten Platten. Die Konstruktion ist folglich auch eine Innendämmung.
  • Nach dem Strahlungsgesetz von Stefan-Boltzmann ergibt sich hierbei folgendes:
    Der Emissionskoeffizient (ε) für eine Gipsplatte beträgt 0,90. Der Emissionskoeffizient (ε) für eine hochglänzende Aluminiumfolie beträgt 0,04. Die Berechnung der unterschiedlichen Strahlungsleistungen wird nachstehend für eine Plattentemperatur von 21°C, also für 294 K (Kelvin) vorgenommen. Die Stefan-Boltzmann – Konstante (σ) hat den Zahlenwert 5,671.
  • Die Grundformel für die Berechnung der Strahlungsleistung lautet:
    Q = 5,671·(ε)·(T/100)^4 in [W/m2]
  • Hierbei stehen
    • 5,671
    ist die Stefan-Boltzmann-Konstante
    Q
    für Strahlungsleistung in [W/m2]
    ε
    ist der Emissionskoeffizient
    T
    ist die absolute Temperatur in [K]
  • Für eine „nackte” Gipsplatte errechnet sich: Q = 5,671 × 0,90 × (294/100)4 = 381 W/m2
  • Für die Aluminiumseite errechnet sich: Q = 5,671 × 0,04 × (194/100)4 = 17 W/m2
  • Hieraus ergibt sich, dass die nach außen gerichtete Strahlungsleistung auf 4% der Strahlungsleistung einer Gipsplatte reduziert wird. Der nach außen gerichtete Strahlungsverlust ist also sehr gering. Die Strahlungsleistung ist also überwiegend in den Raum gerichtet.
  • Die Platten werden auf gewöhnlichen Holzlatten (5) aufgeschraubt, die ihrerseits mit handelsüblichen Dübeln und Schrauben im Mauerwerk verankert werden. Die thermische Trennung der Platten von der Wand kann dadurch verbessert werden, dass die Latten über dämmenden Streifen aus Moosgummi mit 5 mm Stärke (6) versetzt werden.
  • Der Betriebsstrom wird mittels Transformatoren von der üblichen Netzspannung von 230 Volt auf 24 – max. 40 Volt herunter gespannt.
  • Der Luftspalt (8) zwischen Platte und Mauerwerk hat eine gute dämmende Wirkung. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass der Spalt eine Lufttemperatur annehmen wird, die einen Mittelwert zwischen Plattentemperatur und Wandtemperatur haben wird. Die erwärmte Spaltluft führt zur allmählichen Erwärmung der Wand (7) und damit zu deren Trocknung. Diese Trocknung wird dadurch unterstützt, dass die Aluminiumbeschichtung (4) auch als Dampfsperre wirkt und somit Wasserdampf aus dem Raum, bei dem von einer relativen Luftfeuchte von 45% auszugehen ist, nicht in die Außenwand eindiffundiert.
  • Bei der Inbetriebnahme der elektrischen Wandheizung ist der Temperaturunterschied zwischen Spaltlufttemperatur am höchsten. Wird im Verlaufe der Anheizzeit der stationäre Zustand erreicht, sodass sich ein gleichbleibender Zustand eingestellt hat, wird die Temperaturdifferenz zwischen Spaltlufttemperatur und Oberflächentemperatur der Wandinnenseite am geringsten.
  • Nach Forschungsergebnisse von Cammerer in den 60er-Jahren, die später durch das Fraunhoferinstitut für Bauphysik (IBP) bestätigt worden sind, führt die Trocknung einer Wand mit einer Ausgangsfeuchte von 10 Vol.% gegen 0 Vol.% zu einer Halbierung des Wärmedurchgangskoeffizienten, dem sog. „U-Wert” in [W/m2K] und damit zu einer erheblichen Minderung des Wärmedurchgangs im stationären Zustand. Die Trocknung der Außenwand hat das gleiche Ergebnis wie eine nachträglich aufgebrachte Dämmschicht. Insbesondere auf die Umfassungswand aufgebrachte Dämmschichten sind daher entbehrlich. Das hat den Vorteil, dass exogene Energie in Form von Solar – Umgebungs – und Diffusstrahlung ungehindert von der Außenwand absorbiert werden kann. Hierdurch verkleinert sich der Temperaturunterschied zwischen Spaltluft und Innenwandoberfläche, sodass sich der Heizenergieaufwand verkleinert.
  • Die hier gezeigten Wirkungen sind so geartet, dass auch Gebäude, deren Außenwände in Leichtbauweisen, z. B. in Ständerbauweise, Rahmenbauweise und anderen massearmen Konstruktionen errichtet werden, sehr gut mit Wandheizungen ausgerüstet werden können. Bisher waren Wandheizungen auf die Massivbauweisen mit Wandgewichten über 500 kg/m2 beschränkt.
  • Die Konstruktion ist zugleich eine hochwirksame „Innendämmung”, bei der jedoch keine Dämmstoffe verwendet werden. In Verbindung mit den üblichen Aussenwandkonstruktionen werden U-Werte unter 0,2 W/m2K erreicht. Die zwischen der Platte und der Außenwand eingeschlossene Luftschicht kann als ruhend angesehen werden. Die Wärmeleitung von innen nach außen wird unterbrochen. Ein Wärmetransport findet nur noch durch Konvektion statt.
  • 4. Wandelement, das in Klebetechnik montiert wird. (Fig. 2)
  • Die Besonderheit dieses Elements besteht darin, dass es mit klebefähigem Montageschaum befestigt wird. (5) Als Abstandshalter dienen Schrauben, die in Kunststoffdübel eingesetzt werden und die genau ausgerichtet werden, sodass die Plattenoberflächen eine Ebene bilden.
  • 5. Sonstige konstruktive Hinweise.
  • Es empfiehlt sich, einen Streifen von ca. 20 cm Höhe über dem fertigen Fussboden von Heizkabeln und Heizmatten freizuhalten, damit hier die üblichen Elektroinstallationen ungehindert verlegt werden können. Die Oberflächenbehandlung entspricht derjenigen, wie sie von der Trockenbauweise her bekannt und Stand der Technik ist. Die reflektierend beschichteten Platten werden in üblicher Weise an der Baustelle auf die Innnenflächen der Umfassungswände montiert und danach mit der carbonfaserhaltigen Schicht im Anstrich oder Spachtelverfahren belegt. Hierbei werden zugleich die Kupferbänder eingebettet. Die Leitungen zwischen Kupferbändern und Transformaotor werden an den Kupferbändern mit speziellen Quetschklemmen befestigt. Nach Abschluss dieser Arbeiten und nach Funktionsmessungen erhalten die Platten im Bereich der Stromleitungen eine Verspachtelung und danach einen Deckanstrich, der die Innenansicht bildet. Hierauf können je nach Wunsch weitere Beschichtungen aufgebracht werden, beispielsweise in Form von Papiertapeten oder Verfliesungen.
  • 6. Gewerbliche Verwertung.
  • Die Produktion der Bauelemente kann ohne besonderen Investitionsaufwand in Werken der Plattenindustrie durchgeführt werden oder in Spezialwerkstätten.
  • Eine erhebliche Kostenersparnis entsteht durch die sehr einfache Montage der Platten im Bau, die sich nahezu in nichts von der bekannten Montage von Wandbauplatten aus Gips oder Gipskarton unterscheidet. Ein zusätzlicher Aufwand entsteht dadurch, dass ein Elektromonteur die elektrischen Anschlüsse zu den Kupferbändern herstellen muss. Im Gegenzug entfallen jedoch alle Arbeiten, die mit der üblichen Montage von Heizanlagen in Räumen verbunden sind. Kostensenkend ist auch der sehr geringe Platzbedarf für die Hauptversorgungsleitungen.
  • Ein großer Vorteil ist auch darin zu sehen, dass die Messung des Heizenergieverbrauchs sehr einfach und extrem genau mit handelsüblichen Stromzählern durchgeführt werden kann.
  • Diese Vorteile werden dazu führen, dass sich diese neuartige Heiztechnik sehr rasch am Markt etablieren wird.
  • Zu rechnen ist zumindest in der Startphase mit einer beachtlichen Förderung dieser Technik durch die öffentliche Hand, da inzwischen bekannt ist, dass es inzwischen ein Absatzproblem für Elektroenergie gibt und bereits erhebliche Überkapazitäten durch den rasanten Ausbau der Windkraftenergie vorhanden sind. Aus den gleichen Gründen kann erwartet werden, dass die Elektroversorgungsunternehmen die neue Technologie durch eine günstige Tarifgestaltung unterstützen werden.
  • Die Neuartigkeit der Erfindung besteht unter anderem darin, dass reflektierende Beschichtungen wegen des verminderten Abstrahlungsvermögens bisher in der Bautechnik nicht zur Reduzierung von Energieverlagerungen eingesetzt worden sind. In den einschlägigen Baunormen, z. B. DIN 4108 oder DIN EN ISO 6946 und ebenso nicht in der Energieeinsparverordnung (EnEV) werden Strahlungsprozesse auf der Grundlage des Stefan-Boltzmann-Gesetzes nicht behandelt und bei der Berechnung des U-Werts auch nicht berücksichtigt. Infolgedessen Haben sich entsprechende Konstruktionen bei der Errichtung von Bauwerken noch nicht eingebürgert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN 4108 [0032]
    • DIN EN ISO 6946 [0032]

Claims (6)

  1. Bauelement (1) zum Bau von Wandheizungen, gekennzeichnet durch eine 9,5 mm dicke Fasergipsplatte (1) oder eine Gipskartonplatte, die an der Baustelle mit einer carbonfaserhaltigen Beschichtung (2) versehen wird und auf deren Rückseite eine hochglänzende Aluminiumfolie (4) aufgeklebt ist, das auf einer Unterkonstruktion aus Holzlatten (5) auf Wände (7) montiert wird. Die Montage ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Platte (1) und Wand (7) ein Luftspalt (8) in der Stärke der Holzlatten entsteht. Weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Verschraubungsstellen in der Platte markiert sind. Die Befestigung der Platten an der Unterkonstruktion erfolgt wahlweise durch Antackern, Anschrauben oder durch Verklebung. Zwischen Holzlatte und Mauerwerk sollte ein 5 mm dicker Dämmstreifen, z. B. COMPRIBAND (6) eingelegt werden. Der Stromeintrag erfolgt durch Kupferfolienbänder, die beidseitig der Beschichtung in die carbonfaserhaltige Beschichtung eingebettet werden.
  2. Bauelement (2), im Prinzip wie bei (1) das jedoch im Klebeverfahren montiert wird. Hierzu werden Linsenkopfschrauben mittels Kunststoffdübeln (6) im Abstand von 62,5 cm so in die Wand geschraubt, dass sie eine einheitliche Oberfläche bilden. Diese Schrauben sind Abstandshalter zwischen Mauerwerk und Plattenhinterfläche. Die Befestigung der Platten erfolgt sodann mit klebefähigem Montageschaum (5) oder einem anderen hierfür geeigneten aufschäumendem Klebstoff. Durch Andrücken gegen die Abstandshalter ist die Ausbildung von ebenen Flächen gewährleistet. Der Klebeschaum kann alternativ auch nachträglich über kleinere Löcher eingebracht werden, die später mit Gips verschlossen werden.
  3. Bauelemente wie 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus anderen Plattenmaterialien bestehen, z. B. vorzugsweise zementgebundene Wandbauplatten, Holzspanplatten und Platten aus Kunststoffen.
  4. Bauelemente wie 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf anderen Unterkonstruktionen montiert werden, z. B. Kunststoffprofilschienen, Aluminiumschienen, auch mit punktweiser Montage mittels Klettbandtechnik oder mit geeigneten Abstandshaltern unter Verzicht auf eine Unterkonstruktion aus Latten und dergleichen. Hierbei soll die Mindeststärke des Luftspalts vorzugsweise 15 mm betragen.
  5. Bauelemente wie 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Beschichtung aufgedampft wird. Hierbei kann die Bedampfung auch aus Gold hergestellt werden.
  6. Bauelement wie 1 und 2, jedoch ohne carbonfaserhaltige Beschichtung, (3) das nur als Innendämmung verwendet wird.
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DE102017011019A1 (de) 2017-11-28 2019-05-29 ZKS Effektiv Heizung GmbH Baustoffgemisch zur Verwendung als elektrisches Heizungswerkstoffgemisch sowie Heizkörper mit einem solchen Baustoffgemisch
WO2020108724A1 (de) * 2018-11-26 2020-06-04 Michael Plasch Modulares plattenelement zum erstellen einer wandheizung und system zum modularen erstellen einer wand aus wandheizungselementen

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DIN 4108
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