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„Technologietransfer zur Entwicklung innovativer ultraleichter großflächiger Konstruktionsbauelemente am Beispiel einer Decke“

Das Gesamtziel des Vorhabens besteht auf der Grundlage des Schutzrechts und Know-Hows des Technologiegebers in der Entwicklung eines funktionalen Prototyps einer leichten thermisch schweren multifunktionalen abgehängten Decke mit hohem Energiespeichervermögen insbesondere für den Einsatz in Leichtbaugebäuden.

Für die Erzielung der angestrebten thermischen Eigenschaften werden nachstehende drei wesentliche Komponenten eingesetzt: Stützkern aus offenzelligem Metallschaum (bspw. Aluminium), Deckschichten aus dünnen Aluminiumblechen und Einlagerung von Phase Change Material (PCM) zur Wärmespeicherung. Im Kern der Konstruktion ist der offenzellige Metallschaum, mit hoher Porosität und geringer Dichte angeordnet (vgl. Abbildung 1).

Abbildung 1: Offenzelliger Metallschaum [1]

Dieser Schaumkern dient als schubsteifer Kern des Sandwiches und bietet zahlreiche Vorteile. Er minimiert das Gesamtgewicht der Deckenplatten erheblich, ohne dabei die notwendige Tragfähigkeit zu beeinträchtigen. Die Porosität des Schaums ermöglicht es, ihn mit Phase Change Material (PCM) zu befüllen, wodurch die Funktionalität einer leichten thermisch schweren Deckenplatte gewährleistet wird. Der offenporige Metallschaum sorgt nicht nur für die mechanische Stabilität, sondern auch für eine effektive Verteilung der thermischen Lasten innerhalb der Platte.

Die obere und untere Schicht der Sandwichplatte bestehen aus Metallblechen, vorzugsweise Aluminium für die Leichtbaueigenschaften. Diese metallischen Deckschichten erfüllen mehrere wichtige Funktionen. Sie bieten der Platte die notwendige Tragfähigkeit und Steifigkeit zur Aufnahme der Eigenlast inklusive des PCM zur Wärmespeicherung sowie eventuell weiterer Lasten aus funktionalen Bauelementen wie Leuchtmitteln. Darüber hinaus dienen die Deckschichten als hydraulisch dichte Ummantelung, die das Eindringen von Feuchtigkeit und das Austreten des PCM aus dem Schaumkern verhindert.

Eine wesentliche Komponente der zu entwickelnden Deckenelemente ist die Einlagerung von Phase Change Material (PCM) in die Hohlräume des Aluminiumschaums. PCM ist ein Material, das bei einer bestimmten Temperatur Wärme aufnimmt und speichert, um sie bei Abkühlung der Umgebung wieder freizusetzen. In nachstehender Abbildung 2 wird die Wirkweise dieses Materials gezeigt. PCM wie bspw. ein Salzhydrat als Speichermedium verhält sich bezüglich seiner Erwärmung gemäß der mit roter Linie dargestellten Kurve. Bis zur Schmelztemperatur des Materials (einstellbar zwischen 20 und 40 °C) bleibt es fest und die Temperatur steigt ebenfalls linear an. Sobald der Schmelzpunkt erreicht ist, bleibt die Temperatur weitgehend konstant, bis das gesamte Material geschmolzen ist. Erst danach beginnt die Temperatur wieder zu steigen (rote Linie). [2] Diese Eigenschaft macht PCM zu einem idealen Material für die Verbesserung der thermischen Leistung der Deckenelemente.

Abbildung 2: Vergleich von sensibler und latenter Wärmespeicherung [2]

Indem das PCM in die Poren des Metallschaums eingebracht wird, erhöht es die thermische Speicherkapazität der Platte erheblich. Dies ermöglicht eine effektive Wärmespeicherung und -freisetzung, was zu einer Regulierung der Raumtemperatur beiträgt. Durch diese thermische Optimierung trägt die Deckenplatte zur Energieeinsparung und Verbesserung des Raumklimas bei.

Die angestrebten Entwicklungsziele des vorliegenden Projekts bestehen in der Realisierung eines Prototypen einer Deckenplatte bestehend aus einem Sandwichelement mit dem schubsteifen Kern auf Basis zellularer Metalle gefüllt mit PCM (Phase-Change-Material, Latentwärmespeicher) sowie der dazu gehörigen Unterkonstruktion und Montagetechnologie. Damit sind folgende Vorteile gegenüber Lösungen Stand der Technik gewährleistet:

Gewicht:

• Die zu entwickelnde Lösung erreicht eine ähnliche Wärmespeicherkapazität wie eine 50 mm starke Betonplatte, jedoch bei einem deutlich geringeren Gewicht

Wärmespeicherung:

• Durch die Einbringung von PCM (Phase Change Material) in die Hohlräume des zellularen Metalls wird eine hohe Wärmespeicherkapazität erreicht, die mit einer mehr als doppelt so dicken Betonplatte bei erheblich effizienteren Be- und Entladezyklen vergleichbar ist.

Thermische Leistungsfähigkeit:

• Die Sandwichplatte bietet aufgrund der besseren Wärmeleitfähigkeit eine schnellere Be- und Entladung. Dies ermöglicht eine vollständige nächtliche Entladung und Rückkühlung der Platten, was bei Betondecken nicht möglich ist.
• Akustische und elektromagnetische Eigenschaften:
• Der eingesetzte offenporige Metallschaum weist unter speziellen Bedingungen des Sandwichsaufbaus (punktuelle Befestigung der Deckenschichten) eine gute Schallabsorption und elektromagnetische Abschirmung auf, was ihn vielseitig einsetzbar macht

Für die Erreichung der multifunktionalen Eigenschaften soll die Sandwich-Entwicklung so erfolgen, dass zusätzliche Einbauten wie vor allem Lichtelemente integriert werden können. Dazu sind fügetechnologische, montagetechnologische Lösungen sowie Medienver- und -Entsorgungskonzepte im Rahmen des Transfers zu erarbeiten.

Für die erforderliche Entkopplung der Wärme aus dem Speicher ist eine aktive Belüftung erforderlich. Dies soll mittels einer Zwangsbelüftung auf Basis der Nachtkühlung erfolgen (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3: Konstruktives Konzept Deckenaufbau

Hinsichtlich des vorteilhaften Leichtbaucharakters kann folgende Vergleichsebene zu Grunde gelegt werden: So wird gestützt auf das vorhandene Know-how des Technologiegebers in dem für eine Beeinflussung des Raumklimas entscheidenden Temperaturbereich für eine 25mm dicke Platte bestehend aus o.g. Sandwichlösung die gleiche Wärmespeicherkapazität wie eine ca. 90 mm starke Betonplatte erreicht. Durch den Einsatz hochporöser auf dem Markt verfügbarer Schäume mit einer Porosität von ca. 95 % (vgl. [3]) erhöht sich durch die Erhöhung des Anteils befüllbaren PCM die Gesamtspeicherkapazität des Sandwich-Elements so, dass diese vergleichbar ist mit der Kapazität einer  im Stahlbetonbau üblichen 20cm starken Stahlbetondecke mit einem Eigengewicht von ca. 480 kg/m².

Das angestrebte Eigengewicht der mit dem Transfer zu entwickelnde Leichtbaulösung beträgt bei gleicher Wärmespeicherkapazität ca. 36 kg/m² inklusive des Eigengewichtes für die Unterkonstruktion, d.h. ca. 25 %.

Das Vorhaben wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung durch den Projektträger Sächsische Aufbaubank - Förderbank gefördert (16.08.2024 bis 31.01.2025).