Neue Baustoffe, wechselnde Eigenschaften

Selbstanpassende Baustoffe zur Wärme- und Feuchteoptimierung.
Drei Beispiele für neu erforschte Baustoffe, die sich von selbst an unterschiedliche Rahmenbedingungen anpassen können.

Gebäude, die sich wie Tiere oder Pflanzen in unseren Breiten an die veränderten Klimabedingungen bei Wärme und Kälte anpassen können, hätten viele Vorteile. Komponenten, aus der Forschung am ZAE Bayern (Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung), die derartige Gebäude möglich machten, wurden vom Physiker Dr. Hans-Peter Ebert (ZAE Bayern) auf dem ENOB Symposium (Forschung für Energieoptimiertes Bauen) 2014 aus in Essen vorgestellt.

Passive Solarenergienutzung mittels schaltbarer Wärmedämmung (SWD)

Die erste Komponente ist eine selbstschaltende Wärmedämmung, die bei Sonnenschein und Heizwärmebedarf Strahlung durchlässt und so das dahinter liegende Mauerwerk erwärmt. Bei fehlender Einstrahlung, z.B. nachts oder im Sommer wird das System im hochdämmenden Zustand gehalten. (Abb.1)
Damit nutzt man den hohen Wärmewiderstand, um einerseits die winterlichen Wärmeverluste effizient zu vermindern, gleichzeitig aber auch den sommerlichen Überhitzungsschutz sicherzustellen. Das Umschalten auf den nicht dämmenden Zustand beruht auf dem Freisetzen einer geringen Menge an Wasserstoffgas durch Aufheizen eines Metallhydrids (MeH2), das in das Dämmmaterial eingebracht ist. An das Metallhydrid lagert sich das Wasserstoffgas bei Abkühlung wieder reversibel an. Durch den freigesetzten Wasserstoff wird die Wärmeleitfähigkeit in der Komponente bis zu einem Faktor 50 erhöht. (Abb. 2)
Der Wärmedurchgangskoeffizient steigt dabei von z.B. rund 0,2 W/(m2•K) im dämmenden Zustand auf eine Wert von 10 W/(m2•K) im nichtdämmenden Zustand an.
Für den Transport der Sonnenenergie ins Gebäude stellt der Dämmstoff dann keine Begrenzung mehr dar. Somit kann, wenn Heizbedarf besteht und die Sonne scheint, in der dahinter liegenden Wand, Wärmeenergie gespeichert und zeitverzögert wieder an den Innenraum abgegeben werden.

Passive Nutzung von Tageslicht und Sonnenenergie über den Einsatz optisch schaltender Materialien (OSM)

Beim zweiten entwickelten Material handelt es sich um schaltbare Sonnenschutzvorrichtungen von transparenten Flächen. Die Fassadenmaterialien können je nach Intensität der Sonneneinstrahlung zwischen transparent und lichtstreuend wechseln. Die Variabilität des g-Wertes entsteht durch Anpassung des Brechungsindexes über die Einbringung eines kondensierenden Dampfes oder die Veränderung der lichtbrechenden Eigenschaften durch Einbringung einer Flüssigkeit.
Ohne Flüssigkeit wird das Licht in dem exemplarisch gezeigten System an den Fasern oder Pulverkörnern gestreut - vergleichbar der Streuung des Sonnenlichtes an den Wolken. Bringt man eine Flüssigkeit mit gleichem oder nahezu gleichem Brechungsindex wie der streuenden Objekte in die Luftgefüllten Zwischenräume, so verschwinden die für die Reflexion verantwortlichen Brechungsindexunterschiede und das System wird transparent. (Abb. 3)

Feuchteregulierung der Raumluft mittels Feuchtespeichermaterialien(FSM)

Die dritte Baustoffentwicklung befasst sich mit Speicherung von Wasserdampf in Gebäuden ohne massive Bauteile, da heute viele Gebäude in Leichtbauweise erstellt oder mit Leichtbauelementen saniert werden. Die Verkürzung der Bauzeiten durch einen hohen Vorfertigungsgrad, geringere Bauteilkosten und der sparsame Umgang mit Materialien, wie z.B. Holz sind die Gründe für diese Bauweise. Nachteile des Leichtbaus sind fehlende Wärmespeicherkapazität und die stark reduzierte Feuchtespeicherfähigkeit der Bauteile.
Die Speicherung von Wasserdampf in den Bauteilen spielt aber eine wichtige Rolle für ein angenehmes Raumklima. Im Sommer führt die feuchte Außenluft und die Emission von Wasserdampf durch Personen, Pflanzen, etc. schnell zu einem deutlichen Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit im Gebäude.
Um die Aufnahmefähigkeit konventioneller mineralischer Baumaterialien zu erhöhen, können hoch sorptive Stoffe wie z.B. Aluminiumoxid verwendet werden. In Abb. 4 ist die Sorptionsisotherme von Aluminiumoxid dargestellt.
Idealerweise sollte die Steigung der Sorptionsisothermen im Bereich der angestrebten relativen Raumluftfeuchtezwischen 35 und 65 % besonders hoch sein. Dadurch wird sichergestellt, dass die Feuchtigkeit während Zeiten mit niedriger relativer Feuchte, wie nachts oder während Trockenperioden, ohne zusätzlichen energetischen Aufwand wieder abgegeben werden kann.
Selbstregulierende Baustoffe sind ein spannendes Forschungsziel und erfüllen Träume von Bauphysikern, weil sie ohne zusätzliche Technik und ohne Bedienung durch Menschen auf verändernde Bedingungen reagieren. Dadurch lassen sich Gebäudetechnik und Energie einsparen, die ansonsten zur Entfeuchtung, z.B. über Klimaanlagen erforderlich wäre.

Abbildungserläuterung

• Abb. 1: Funktionsprinzip der schaltbaren Wärmedämmung im Winter- und Sommerfall.
• Abb. 2: Varianten der Wärmeleitfähigkeit eines Vakuumpaneels in Abhängigkeit vom Druck im Paneel.
• Abb. 3: Schalten eines Faser- bzw. Pulversystems von dem lichtstreuenden in den transparenten Zustand durch Einbringung einer Flüssigkeit.
• Abb. 4: Beispiel für die Feuchteaufnahme eines Speichermaterials (zwei unterschiedliche Al2O3 Materialien). Quelle: Kast, Adsorption aus der Gasphase, VCH 1988