DE4120125A1 - Bauelement zur gewinnung von solarenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauelement entspre­ chend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bauelemente zur Gewinnung von Solarenergie sind in mannigfacher Form bekannt. Charakteristisch für alle diese Elemente ist jedoch, daß sie stets ein Zusatzteil zu einer vorhandenen Gebäudestruktur bilden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Bauelement zur Gewinnung von Solarenergie zu entwerfen, welches als integraler Bestandteil von Gebäudeteilen und somit multifunktional nutzbar ist. Gelöst ist diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Bauelement durch die Merkmals­ kombination des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Wesentlich ist hiernach die bauteilmäßig unmittelbare Zusammenfassung einer baustatische und bauphysikalische Funktionen erfüllenden Schicht und einer zur Absorption von Wärmestrahlung bestimmten Schicht, welche Schichten über eine aus einem geeigneten Klebstoff bestehende Schicht miteinander in Verbindung stehen. Es kann dieses Bauelement unmittelbar als Teil von Außenwandungen jedoch auch von Dachstrukturen eingesetzt werden, da es in sich die Funktionen von Wandungen bzw. Dächern und der Solarenergiegewinnung vereinigt. Die baustatisch wirksame Schicht besteht aus einem anorganischen und damit unbrennbaren Schaumwerkstoff, der naturgemäß innenseitig angeordnet ist und einen Wärmefluß in Rich­ tung auf das Gebäudeinnere bzw. umgekehrt weitestgehend unterbindet. Die, in der Absorptionsschicht als Folge der auftreffenden Wärmestrahlung anfallende Wärme kann somit über das in den genannten Leitungen fließende Wärmeträgermedium abgeführt und in üblicher Weise, beispielsweise in Verbindung mit Wärmepumpenanlagen, Wärmespeichern oder dergleichen verwendet werden. Zur Bildung einer zur Solarenergiegewinnung eingerichteten Gebäudefläche werden diese Bauelemente stirnseitig derart zusammengesetzt, daß die genannten Leitungen ein Netzwerk bilden und beispielsweise mit Sammelleitungen für Zufluß und Abfluß des Wärmeträgermediums ausgerüstet werden. Das Wärmeträgermedium kann eine Flüssigkeit, jedoch auch Luft sein, wobei eine durch eine Pumpe oder ein Gebläse bewirkte Zwangsführung dieses Mediums, jedoch auch eine rein konvektive Strömungsführung in Betracht kommt. Erfindungswesentlich ist in jedem Fall die bauli­ che Zusammenfassung von Gestaltungselementen zur Solar­ energiegewinnung mit rein bauphysikalischen bzw. bausta­ tischen Zwecken dienenden Elementen, welches erhebliche Kostenvorteile bereits bei der Montage von Gebäuden aller Art bietet.

Zur Verbesserung der Wärmeabsorption sind gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 die der Außenseite abgekehrten Rückseiten der Leitungen der wärmeabsorbierenden Schicht sowie die Klebstoffschicht schwarz eingefärbt. Die durch Strahlung übertragene Wärme wird somit unter geringst­ möglicher Reflexion in den schwarz eingefärbten Berei­ chen der Absorptionsschicht gebunden und kann über das in den Leitungen zirkulierende Wärmeträgermedium abge­ führt werden.

Nachdem entsprechend dem Grad der Aufheizung der wärme­ absorbierenden Schicht mit erheblichen Temperaturdiffe­ renzen zwischen dieser und der baustatische Funktionen übernehmenden Schicht gerechnet werden muß, wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 vorgeschlagen, zwischen diesen beiden Schichten eine weitere wärmedämmend wir­ kende Schicht aus einem Schaumwerkstoff vorzusehen. Im Rahmen der wärmeabsorbierenden Schicht kann jeder Werk­ stoff benutzt werden, der ein hohes Wärmespeichervermö­ gen sowie eine hohe Durchlässigkeit für Sonnenstrahlung, insbesondere Wärmestrahlung aufweist, so daß ein mög­ lichst hoher Anteil der durch Strahlung übertragenen Wärme in innere Energie der schwarz eingefärbten Berei­ che umgesetzt wird. Der Schaumwerkstoff der zwischenge­ ordneten wärmedämmend wirkenden Schicht ist vorzugsweise ein hochelastischer, insbesondere elastomerer Schaum­ werkstoff, wodurch Spannungen als Folge unterschiedli­ cher, thermisch bedingter Dehnungszustände durch elasti­ sche Verformung dieser Zwischenschicht leicht und ohne Schadwirkungen für das Bauelement aufnehmbar sind.

Alle Schichten stehen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 über Zwischenanordnung entsprechender Klebstoffschich­ ten miteinander in Verbindung.

Es ist gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5 die bausta­ tisch und bauphysikalisch wirksame Schicht aus einem Geopolymer-Schaumwerkstoff ausgebildet. Geopolymer-Werk­ stoffe sind allgemein beispielsweise aus "Report", 10/88, Seiten 48, 49 und "Ceram. Eng. Sci. Proc", Juli/ August 1988, Seiten 835 bis 842 bekannt. Es handelt sich um einen durch dreidimensionale polymere Vernetzung alkali- und siliziumhaltiger Aluminate gebildeten Werk­ stoff, der eine hohe thermische Stabilität aufweist, bei Temperaturen zwischen 20°C und 120°C aushärtet, exakt formbar ist und im übrigen Eigenschaften keramischer Werkstoffe aufweist. Sein Vorteil besteht jedoch insbe­ sondere darin, daß der bei keramischen Werkstoffen charakteristische, durch den Brennprozeß bedingte hohe energetische und anlagentechnische Aufwand entfällt. Es kann dieser Werkstoff beispielsweise aus einem Fest­ stoffgemisch aus SiO₂, Al₂O₃, kalziniertem Bauxit, amor­ pher Kieselsäure sowie Filterasche bestehen, wobei dieses Feststoffgemisch mit einem Härter aus Alkalisili­ katlösung versetzt wird und wobei für den Schäumungspro­ zeß ein an sich bekanntes Sauerstoff abspaltendes Schäu­ mungsmittel benutzt wird. Über die Wahl der Dichte des die Stützstruktur bildenden Schaumwerkstoffs kann deren statische Tragfähigkeit in weiten Grenzen variiert werden. Darüber hinaus können zur weiteren Verbesserung der baustatischen Eigenschaften der Geopolymerschicht übliche Armierungen in diese eingebunden werden. Die Ausbildung der Wärmeabsorptionsschicht aus einem Poly­ karbonat hat sich insbesondere unter Berücksichtigung dessen Festigkeitseigenschaften als besonders vorteil­ haft erwiesen.

Eine Schwärzung der Rückseiten der genannten Leitungen durch Beschichtung mittels eines duromeren Polyurethan­ lackes hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen. In Ergänzung hierzu können auch wenigstens Teile der Ab­ sorptionsschicht im übrigen schwarz eingefärbt sein.

Durch die Verwendung eines Klebstoffs entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 8 ergibt sich eine weitgehende werkstoffliche Homogenität zu der bastatisch tragenden Schicht des Bauelements.

Die Verwendung eines elastomer eingestellten Polyure­ thans als Zwischenschicht ist von besonderem Vorteil mit Hinblick auf die hohe Wärmedämmfähigkeit.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in der Zeichnung schematisch anhand eines Solarwärme­ tauscherbausteins erläutert werden.

Dieser Baustein kann sowohl im Rahmen von Dächern, jedoch auch sonstigen Außenwandungen Verwendung finden. Der in der Zeichnung global mit 1 bezeichnete Baustein ist auf seiner, der Außenseite 2 zugekehrten Seite durch eine, der Wärmeabsorption dienende Schicht 3 gekenn­ zeichnet, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel im wesentlichen aus zwei Komponenten besteht. Es handelt sich um eine Basisplatte 4, in welche - in gleichmäßiger Folge - zueinander parallele, im Querschnitt quadrati­ sche Kanäle S eingeformt sind, die außenseitig durch eine Deckplatte 6 verschlossen werden. Die Verbindung der Deckplatte 6 mit der Basisplatte 4 im Bereich der zwischen den Kanälen 5 verbleibenden Stege erfolgt unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffs, wobei die Ver­ bindung derart beschaffen sein muß, daß die Kanäle S flüssigkeits- bzw. gasdichte Leitungen bilden.

Alternativ zu der dargestellten, aus zwei Komponenten bestehenden Ausbildung der Wärmeabsorptionsschicht 3 kann diese auch einstückig ausgebildet sein, wobei innerhalb deren Volumens sich wiederum - in gleichmäßi­ ger Folge - zueinander parallel verlaufende Leitungen entsprechend dem Muster der Kanäle 5 erstrecken.

Die Wärmeabsorptionsschicht 3 ist aus einem für Wärme­ strahlung durchlässigen Werkstoff ausgebildet und kann aus einem Polykarbonat, einem Glaswerkstoff oder der­ gleichen bestehen. Es dient diese Schicht im wesentli­ chen der Wärmeübertragung und keinesfalls baustatischen Zwecken. Ihre Dicke, senkrecht zur Ebene des Bausteins 1 gesehen - ist unter Berücksichtigung der Abmessungen des durch die Kanäle 5 gebildeten Leitungsnetzes mit Hin­ blick auf eine ausreichende Wärmegewinnung durch Absorp­ tion derselben in den schwarz eingefärbten Bereichen dimensioniert.

Die einzelnen Kanäle 5 sind zumindest auf ihrer Rücksei­ te 7 mit einer schwarzen Beschichtung überzogen, die beispielsweises aus einem duromer vernetzten Polyure­ thanlack bestehen kann. In gleicher Weise können auch die Seitenflächen 8 der Kanäle beschichtet sein.

An die Wärmeabsorptionsschicht 3 schließt sich - zur Innenseite 9 des Bausteins 1 hin - eine Wärmedämmschicht 10 an, welche aus einem elastomer vernetzten Polyure­ thanschaum besteht und welche mit der Wärmeabsorptions­ schicht über eine Schicht 11 aus einem geeigneten Kleb­ stoff in Verbindung steht. Als Klebstoff kann beispiels­ weise ein an sich bekannter Zement-Polymer-Dispersions­ kleber Verwendung finden. Der Polyurethanschaum der Wärmedämmschicht 10 ist vorzugsweise schwarz eingefärbt. Gleiches kann auch bei dem Klebstoff der Schicht 11 vorgenommen werden.

An die Wärmedämmschicht 10 schließt sich wiederum eine Schicht 12 aus einem anorganischen Schaumwerkstoff an, hier einem Geopolymer-Schaum. Die Schicht 12 wirkt aufgrund ihrer werkstofflichen Beschaffenheit sowohl wärme- und schalldämmend und kann außerdem entsprechend ihrer Dimensionierung baustatische Anforderungen erfül­ len. Sie kann offenzellig, jedoch auch geschlossenzellig ausgebildet sein und auf ihrer der Innenseite 9 zuge­ kehrten Grenzfläche in beliebiger Weise beschichtet, beispielsweise glasiert sein. Schließlich können zur weiteren Festigkeitserhöhung entsprechend den jeweiligen baustatischen Anforderungen in die Schicht 12 auch übliche Armierungselemente eingebunden sein, auf deren zeichnerische Darstellung jedoch verzichtet worden ist. Die Verbindung der Schicht 12 mit der Wärmedämmschicht 10 erfolgt wiederum unter Zwischenanordnung eines geeig­ neten Klebstoffs, beispielsweise eines Zement-Polymer- Dispersionsklebers oder auch eines ungeschäumten Geopo­ lymer-Werkstoffs. Letztere Maßnahme erhöht die werk­ stoffliche Homogenität des Bausteins.

In manchen Fällen kann die mittlere Wärmedämmschicht 10 auch entfallen, so daß der Geopolymer-Schaumwerkstoff unmittelbar an die Schicht 3 angebunden ist.

Die Bausteine 1 werden zweckmäßigerweise in einer sol­ chen Größe hergestellt, daß eine bauseitige manuelle Handhabbarkeit ohne die Notwendigkeit eines schweren Hebezeugs gerade noch möglich ist. Wesentlich ist, daß die Aneinandersetzung der Bausteine derart erfolgt, daß die Kanäle 5 gas- bzw. flüssigkeitsdichtend aneinander­ gesetzt werden und auf diese Weise ein eine Wand- oder Dachfläche lückenlos überdeckendes flächenhaftes Netz­ werk von Leitungen zur Führung eines Wärmeträgermediums bilden. Die zueinander parallelen Leitungen 5 sind an ihren Enden jeweils in Sammelleitungen zusammengefaßt, von denen die eine der Zufuhr und die andere der Abfuhr des Wärmeträgermediums dient. Die Nutzung der auf diese Weise gewonnenen Wärme kann in an sich bekannter Weise beispielsweise im Rahmen einer Wärmepumpenanlage, eines Wärmespeichers usw. vorgenommen werden. Als Wärmeträger­ medium kommt eine Flüssigkeit in Betracht, die unter Verwendung einer Pumpe in einem geschlossenen Kreislauf geführt ist - es kommt jedoch auch Luft als Wärmeträger­ medium in Betracht. Alternativ zu einer zwangsgeführten Kreislaufführung mittels einer Pumpe bzw. eines Gebläses kann bei entsprechender Dimensionierung der Leitungen auch eine rein konvektive Strömungsführung in Betracht kommen.

Man erkennt, daß insbesondere aufgrund der elastomer eingestellten Wärmedämmschicht 10 temperaturbedingte unterschiedliche innen- und außenseitige Dehnungen des Bausteins elastisch aufnehmbar sind, wobei eine gewisse Elastizität auch bereits durch die vorzugsweise einge­ setzten Klebstoffschichten aus einem Zement-Polymer-Dis­ persionskleber gegeben ist. Die tiefschwarze Einfär­ bung der Rückseiten 7 der Kanäle 5 sowie deren Seiten­ flächen 8 in Verbindung mit der in gleicher Weise erfol­ genden Einfärbung der Wärmedämmschicht 10 sowie der Klebstoffschichten bringt - nachdem im Rahmen der Schicht 3 ein für Wärmestrahlung durchlässiger Werkstoff eingesetzt ist, ein hohes Maß an Wärmeabsorption und damit eine optimale Wärmegewinnung mit sich. Der Bau­ stein 1 ist somit ein sämtliche Funktionen einer Wandung bzw. eines Daches erfüllender Baustein, in den gleich­ zeitig ein System zur Gewinnung von Umgebungswärme integriert ist. Er bietet gleichzeitig ein hohes Maß an Brandsicherheit, nachdem zumindest die baustatisch wirksame Schicht 12 aus einem unbrennbaren Werkstoff, einem Geopolymer-Schaum hergestellt ist, so daß auch im Brandfall die Struktur des Gebäudes erhalten bleibt. Gleichzeitig ist sichergestellt, daß die von außen auftreffende Wärmestrahlung aufgrund der zur Innenseite 9 hin wärmedämmend wirkenden Schichten nicht weiterge­ leitet wird, sondern praktisch ausschließlich im Rahmen der Schicht 3 umgesetzt wird.

Claims (9)

1. Bauelement zur Gewinnung von Solarenergie, gekenn­ zeichnet zumindest durch eine Wärmestrahlung absor­ bierende Schicht (3) und eine baustatische und bau­ physikalische Funktionen erfüllende Schicht (12), welche Schichten (3, 12) über eine Klebstoffschicht (11) miteinander in Verbindung stehen, wobei die Schicht (12) aus einem anorganischen Schaumwerkstoff besteht und wobei in die Schicht (3) ein flächen­ deckendes System von Leitungen zur Führung eines Wärmeträgermediums eingeformt ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die der Außenseite (2) abgekehrte Rückseite (7) der Leitungen der Schicht (3) sowie die Klebstoffschicht (11) schwarz eingefärbt sind.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schicht (3) aus einem Werkstoff hoher Wärmespeicherfähigkeit sowie Durchlässigkeit für Wärmestrahlung besteht, daß zwischen der Schicht (12) und der Schicht (3) eine weitere, wärmedämmend wirkende Schicht (10) aus einem Schaumwerkstoff angeordnet ist, daß der Schaumwerkstoff vorzugsweise ein elastischer, insbesondere ein elastomerer Schaum­ werkstoff ist und daß dieser Schaumwerkstoff schwarz eingefärbt ist.

4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Schichten (3, 10, 12) jeweils Klebstoffschichten vorgesehen sind.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (12) aus einem Geopo­ lymer-Schaumwerkstoff besteht, daß die Schicht (3) aus einem Polykarbonat, -acrylat, Glas oder derglei­ chen besteht und daß zumindest die Rückseite (7) der Leitungen mit einer Schicht aus schwarzem duromerem Polyurethanlack überzogen ist.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche, der Außenseite (2) abgekehrte Seiten der Leitungen schwarz eingefärbt, insbesondere mit einer Schicht aus schwarzem durome­ rem Polyurethanlack überzogen sind.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen der Klebstoffschichten ein Zement-Polymer-Dispersionskleber eingesetzt ist.

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen der Klebstoffschichten ein ungeschäumter Geopolymer-Werkstoff eingesetzt ist.

9. Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen der Schicht (10) ein elastomer vernetzter Polyurethanschaum eingesetzt ist, der schwarz eingefärbt ist oder auf seiner, der Außenseite (2) zugekehrten Grenzschicht eine schwarze Beschichtung, vorzugsweise aus einem duromeren Poly­ urethanlack trägt.