DE4120125C2 - 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. So ist aus der DE 35 29 970 A1 ein Dachbedeckungselement bekannt, welches zur Energierückgewinnung hin ausgestaltet ist. Das Dachbedeckungselement weist einen schichtenartigen Aufbau auf und besteht aus einer zur Führung eines Wärmeträgers dienenden Schicht, in deren eine Seite ein System von rinnenartigen Leitungen eingeformt ist, wobei diese Schicht beidseitig durch diffusionsfeste Schichten abgedeckt ist und wobei die, den genannten Leitungen zugekehrte diffusionsfeste Schicht durch eine Dachunterhaut überlagert ist. Der in dieser Druckschrift dargelegten Erfindung liegt das Problem zugrunde, Diffusionsverluste des Wärmeträgers zu vermeiden. Dieses Bauelement läßt jedoch weder baustatische noch wärmedämmende Schichten erkennen.

Aus dem DE 79 26 339 U1 ist ein Fassadenelement bekannt, welches zur Absorption auftreffender Wärmestrahlung bestimmt ist und demzufolge eine wärmeabsorbierende Schicht aufweist, in die ein flächendeckendes Leitungssystem eingeformt ist, das zur Führung eines Wärmeträgers bestimmt ist. Es ist dieses Bauelement in der Form von im wesentlichen zwei unterschiedlichen Varianten beschrieben. So kann dieses als Steinplatte ausgebildet sein, in deren eine Seite ein mäanderförmiges Leitungssystem eingefräst ist, welches mit einer Deckplatte abgedeckt ist. Innerhalb der Leitungen können Kunststoffrohre eingelegt und mittels Kunstharz fixiert sein. Das Bauelement kann auch derart ausgebildet sein, daß zwischen zwei Steinplatten, die im Montagezustand auf Distanz gehalten sind, ein zur Aufnahme eines Wärmeträgers bestimmtes Behältnis angeordnet ist, das mit einem Zulauf und mit einem Ablauf versehen ist. Wesensmerkmal dieses bekannten Bauelements ist somit, daß eine strukturelle Unterscheidung zwischen wärmedämmend wirkenden Schichten, wärmeabsorbierend wirkenden Schichten und baustatische Funktionen erfüllenden Schichten nicht gegeben ist.

Die aus den beiden vorstehend bezeichneten Druckschriften bekannten Bauelemente lassen ferner keinerlei Maßnahmen erkennen, die darauf gerichtet sind, eine Ausbreitung der Wärme innerhalb der absorbierend wirkenden Schichten zumindest in einer Richtung zu begrenzen. Dies wiederum ist entsprechend der Beschaffenheit der sonstigen Wandungen eines Gebäudes mit Verlusten verbunden, welche das Ausmaß der Wärmegewinnung beeinträchtigen.

Schließlich ist aus der US 4 069 809 ein Bauelement bekannt, welches zur Verwendung als Wandelement bestimmt ist und durch einen schichtenartigen Aufbau gekennzeichnet ist. Das Bauelement besteht im wesentlichen aus Beton ooder einem porösen, dunkel eingefärbten Material, in welches ein flächendeckendes Leitungsnetz eingeformt ist, das zur Führung eines Wärmeträgers bestimmt ist. Auf der, der Sonnenbestrahlungsseite zugekehrten Seite weist das Bauelement Kanäle auf, die zur Außenseite hin durch zwei mit Abstand voneinander angeordnete, aus einem transparenten Werkstoff bestehende Platten abgedeckt sind, wobei der Zwischenraum zwischen diesen Platten evakuiert ist. Das Bauelement weist auf seiner, der Sonneneinstrahlung abgekehrten Seite eine wärmedämmende Schicht auf. Das genannte Leitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, daß auf der, der Sonneneinstrahlung zugekehrten Seite der Wärmeträger über die, durch transparente Platten abgedeckten Leitungen aufwärts gepumpt wird, um anschließend über ebenfalls die aus Beton oder porösem Material bestehende Schicht durchdringende Leitungen abwärts zu strömen. Bei diesem bekannten Bauelement wird somit eine vergleichsweise große wärmeübertragende Fläche innerhalb der wärmeabsorbierend wirkenden Schicht angestrebt, die hier gleichzeitig baustatische Funktionen erfüllen soll. Somit entfällt eine strukturelle Trennung von baustatisch und wärmeabsorbierend wirkenden Schichten. Dies hat offensichtlich auch zur Folge, daß ein umfangreiches Leitungssystem innerhalb des aus Beton bestehenden Bauelements erforderlich ist, um die notwendige Oberfläche zur Rückgewinnung der absorbierten Wärme bereitzustellen, welches zu einer vergleichsweise schweren, massereichen Bauweise führt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Bauelement der eingangs bezeichneten Gattung zu entwerfen, welches wärmeabsorbierende, wärmedämmende und baustatische Funktionen vereinigt und somit als integraler Bestandteil von Gebäudeteilen multifunktional nutzbar ist, welches ein hohes Maß an Wärmeabsorption und Wärmegewinnung ermöglicht, welches einfach verarbeit- und herstellbar ist und welches strukturell unter besonderer Berücksichtigung von die Gewinnung von Solarenergie betreffenden Belangen ausgestaltet ist.

Gelöst ist diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen Bauelement durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Wesentlich ist hiernach zunächst einmal 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 bestimmten anorganischen und damit unbrennbaren Schaumwerkstoff, der naturgemäß innenseitig angeordnet ist und einen Wärmefluß in Richtung auf das Gebäudeinnere bzw. umgekehrt weitestgehend unterbindet. Die, in der Absorptionsschicht als Folge der auftreffenden Wärmestrahlung anfallende Wärme kann somit über den, in den genannten Leitungen fließenden Wärmeträger 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 Wärmeträgers ausgerüstet werden. Der Wärmeträger kann eine Flüssigkeit, jedoch auch Luft sein, wobei eine durch eine Pumpe oder ein Gebläse bewirkte Zwangsführung dieses Trägers, jedoch auch eine rein konvektive Strömungsführung in Betracht kommt. Erfindungswesentlich ist in jedem Fall die bauliche Zusammenfassung von Gestaltungselementen zur Solarenergiegewinnung mit rein bauphysikalischen bzw. baustatischen Zwecken dienenden Elementen, welches erhebliche Kostenvorteile bereits bei der Montage von Gebäuden aller Art bietet. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeabsorption sind die der Außenseite abgekehrten Rückseiten der Leitungen der wärmeabsorbierenden Schicht sowie die Klebstoffschicht schwarz eingefärbt. Die durch Strahlung übertragene Wärme wird somit unter geringstmöglicher Reflexion in den schwarz eingefärbten Bereichen der Absorptionsschicht gebunden und kann über den, in den Leitungen zirkulierenden Wärmeträger abgeführt werden. Nachdem entsprechend dem Grad der Aufheizung der wärmeabsorbierenden Schicht mit erheblichen Temperaturdifferenzen zwischen dieser und der baustatische Funktionen übernehmenden Schicht gerechnet werden muß, ist zwischen diesen beiden Schichten eine weitere wärmedämmend wirkende Schicht aus einem Schaumwerkstoff vorzusehen. Im Rahmen der wärmeabsorbierenden Schicht kann jeder Werkstoff eingesetzt werden, der ein hohes Wärmespeichervermögen sowie eine Durchlässigkeit für Sonnenstrahlung, insbesondere Wärmestrahlung aufweist, so daß ein möglichst hoher Anteil der durch Strahlung übertragenen Wärme in innere Energie der schwarz eingefärbten Bereiche umgesetzt wird. Der Schaumwerkstoff der zwischengeordneten wärmedämmend wirkenden Schicht ist vorzugsweise ein hochelastischer, insbesondere elastomerer Schaumwerkstoff, wodurch Spannungen als Folge unterschiedlicher, thermisch bedingter Dehnungszustände durch elastische Verformung dieser Zwischenschicht ausgeglichen werden und ohne Schadwirkungen für das Bauelement im übrigen aufnehmbar sind. Die baustatisch und bauphysikalisch wirksame Schicht besteht erfindungsgemäß aus einem Geopolymer-Schaumwerkstoff. Geopolymer-Werkstoffe sind allgemein beispielsweise aus "Report", 10/88, Seiten 48, 49 und "Ceram. Eng. Sci. Proc", Juli/ August 1988, Seiten 835 bis 841 bekannt. Es handelt sich um einen durch dreidimensionale polymere Vernetzung alkali- und siliziumhaltiger Aluminate gebildeten Werkstoff, 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 Feststoffgemisch aus SiO₂, Al₂O₃, kalziniertem Bauxit, amorpher Kieselsäure sowie Filterasche bestehen, wobei dieses Feststoffgemisch mit einem Härter aus Alkalisilikatlösung versetzt wird und wobei für den Schäumungsprozeß ein an sich bekanntes Sauerstoff abspaltendes Schäumungsmittel 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 Polykarbonat entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 3 hat sich insbesondere unter Berücksichtigung dessen Festigkeitseigenschaften als besonders vorteilhaft erwiesen. Es kann diese Schicht jedoch auch aus einem Polyacrylat oder aus Glas bestehen.

Eine Schwärzung sämtlicher, der Außenseite des Bauelements abgekehrten Seiten der Leitungen entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4, insbesondere deren Überziehung mit einer Schicht aus schwarzem Polyurethanlack entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 4 oder 5 hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen. In Ergänzung hierzu können auch wenigstens Teile der Absorptionsschicht im übrigen schwarz eingefärbt sein.

Durch die Verwendung eines Klebstoffs entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 7 ergibt sich eine weitgehende werkstoffliche Homogenität zu der bastatisch tragenden Schicht des Bauelements.

Die Verwendung eines elastomer eingestellten Polyurethans als Zwischenschicht entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 8 ist ebenfalls von besonderem Vorteil mit Hinblick auf die hohe Wärmedämmfähigkeit.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf den in der Zeichnung schematisch dargestellten Solarwärme­ tauscherbaustein erläutert.

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 5 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 5 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 5 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 Wärmeträgers bilden. Die zueinander parallelen Kanäle 5 sind an ihren Enden jeweils in Sammelleitungen zusammengefaßt, von denen die eine der Zufuhr und die andere der Abfuhr des Wärmeträgers 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 kommt eine Flüssigkeit in Betracht, die unter Verwendung einer Pumpe in einem geschlossenen Kreislauf geführt ist - es kommt jedoch auch Luft als Wärmeträger 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 (8)

1. Bauelement zur Gewinnung von Solarenergie, mit zumindest einer Wärmestrahlung absorbierende Schicht (3), in welche ein flächendeckendes System von Leitungen zur Führung eines zur Aufnahme und Abführung absorbierter Wärme bestimmten Wärmeträgers eingeformt ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Schicht (3) über eine wärmedämmend wirkende Schicht (10) mit baustatische und bauphysikalische Funktionen erfüllenden Schicht (12) in Verbindung steht,
• - daß die wärmedeämmende Schicht (10) aus einem elastomeren Schaumwerkstoff besteht,
• - daß die Schicht (12) aus einem Geopolymer-Schaumwerkstoff besteht,
• - daß die Schichten (3, 10, 12) jeweils über Klebstoffschichten miteinander in Verbindung stehen und
• - daß zumindest die, der Außenseite (2) des Bauelements abgekehrte Rückseite (7) der Leitungen der Schicht (3) sowie die zwischen der Schicht (3) und der Schicht (10) befindlichen Klebstoffschicht (11) schwarz eingefärbt sind.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmedämmende Schicht (10) schwarz eingefärbt ist.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmestrahlung absorbierende Schicht (3) aus einem Polykarbonat, einem Polyacrylat oder aus Glas besteht.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche, der Außenseite (2) des Bauelements abgekehrte Seiten der Leitungen schwarz eingefärbt sind.

5. Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche, der Außenseite (2) des Bauelements abgekehrte Seiten der Leitungen mit einer Schicht aus schwarzem Polyurethanlack überzogen sind.

6. Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebstoffschichten aus einem Zement-Polymer-Dispersionskleber bestehen.

7. Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebstoffschichten aus einem ungeschäumten Geopolyerm-Werkstoff bestehen.

8. Bauelement nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmedämmende Schicht (10) aus einem elastomer vernetzten Polyurethanschaum besteht, der schwarz eingefärbt ist oder auf seiner, der Außenseite (2) des Bauelements zugekehrten Grenzschicht eine schwarze Beschichtung, wie aus einem duromeren Polyurethanlack, trägt.