Bodendämmplatten aus biogenen Reststoffen

Hintergrund

In Deutschland werden etwa 20 % der Endenergie zur Wärmeversorgung von Privatwohnungen verwendet [1]. Etwa 80 % dieser Energie wird zur Wärmeversorgung von älteren Bestandsgebäuden (Baujahre 1980 und früher) benötigt [2]. Diese unsanierten Gebäude haben etwa den 5-fachen Heizwärmebedarf von modernen Wohngebäuden, die konform zur Energieeinsparverordnung (EnEV) sind. Folglich besteht der dringende Bedarf zur energetischen Sanierung von Gebäuden.

Zurzeit werden Gebäude hauptsächlich mit Polystyrol- oder Mineralwolle-basierten Dämmstoffen wärmegedämmt. Diese Stoffe besitzen zwar sehr gute Dämmeigenschaften (λ ≤ 0,04 W/mK), beinhalten aber große Energiemengen. Nach [3] wird zur Herstellung eines Quadratmeters einer klassischen (gemauerten) und gut gedämmten Wohnhauswand der Energiegehalt von ca. 40 l Öl benötigt. Eine Wand auf Holz-Stroh-Lehm-Kalk-Basis benötigt nach [3] nur etwa 15 % dieser Energie. Bei der Herstellung können also etwa 85 % der Energie durch die Verwendung von biologischen Materialien eingespart werden.

Derzeit verfügbare Bodenelemente aus biologischen Materialien weisen in der Regel entweder eine hohe mechanische Belastbarkeit bei relativ schlechten Dämmeigenschaften (Platten auf Holzbasis, OSB-Platten) auf oder verfügen über relativ gute Dämmeigenschaften bei geringer mechanischer Belastbarkeit, sodass eine aufwendige Unterkonstruktion notwendig wird. Zudem handelt es sich bei dem Großteil der genutzten biologischen Materialien nicht um Reststoffe, sondern um Materialien wie zum Beispiel Hanf und Schilf, die extra zum Zweck der Wärmedämmung produziert werden.

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Abb. 1: Test-Platte aus einem studentischen Vorprojekt

Ziel und Vorgehensweise des Projekts

In diesem Projekt sollen Bodendämmplatten entwickelt werden, die sowohl eine geringe Wärmeleitfähigkeit als auch eine hohe mechanische Belastbarkeit aufweisen. Basis der Bodendämmplatten sind Getreidespelzen, die in großen Mengen als Nebenprodukt in der Lebensmittelproduktion anfallen und nur vereinzelt weiterverwendet werden können. Die Entwicklung der Dämmplatten erfolgt in Zusammenarbeit mit der Holz-Lehmhaus GmbH. An die Bodendämmplatten werden folgende Anforderungen gestellt:

  • geringe Wärmeleitfähigkeit
  • hohe mechanische Belastbarkeit
  • Brandschutz (schwer entflammbar, B1 nach DIN 4102)
  • hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit / geringes Aufquellen bei Kontakt mit Wasser

Um eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, wird zunächst ein mathematisches Modell der Dämmplatte erstellt. Auf Basis des theoretischen Modells können variable Parameter wie zum Beispiel Spelzengröße und -dicke angepasst und hinsichtlich der thermodynamischen Eigenschaften und damit der Wärmeleitfähigkeit optimiert werden. Mit den Erkenntnissen des theoretischen Modells werden Dämmplatten dann zunächst im Labormaßstab hergestellt und deren Wärmeleitfähigkeit nach ISO 8302, ASTM C177, EN 1946-2, EN 12664, EN 12667, EN 12939 vermessen und überprüft.

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Abb 2a+b: Plattenanalysegerät Taurus TLP 500 - X

Die hergestellten Dämmplatten werden anschließend in einem Druckmessstand auf mechanische Festigkeit geprüft. Entsprechend der Ergebnisse werden Herstellungsverfahren, Zusammensetzung der Platten sowie das Bindemittel der Spelzen angepasst, sodass die Platten eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um ohne zusätzliche Unterkonstruktion als Bodendämmung eingesetzt werden zu können.
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Abb. 3: Vermessung der Dämmplatten im Druckmesstand

Neben der Wärmeleitfähigkeit und der mechanischen Festigkeit untersuchen die Forscherinnen und Forscher das Brandschutzverhalten der Dämmplatten. Ziel ist es, die Spelzen so zu behandeln, dass die Dämmplatten in die Brandschutzklasse B1 eingeordnet werden können und somit schwer entflammbar sind. Dazu ist die Zugabe eines Flammschutzmittels erforderlich, das auf Basis natürlicher Rohstoffe und unter Verzicht auf Brom-Verbindungen entwickelt werden soll, um ein durchgängig umweltfreundliches Produkt zu erhalten. Damit diese zur Bodendämmung in Innenräumen geeignet sind, darf das Quellverhalten der Dämmplatten bei eindringender Feuchtigkeit nicht zu Bauschäden führen. Deshalb wird auch das Feuchteverhalten der Spelzen bzw. der Dämmplatten untersucht. Gegebenenfalls müssen die Spelzen mit geeigneten Zusätzen versehen werden. Alle Ergebnisse und Erkenntnisse der Untersuchungen im Labormaßstab werden dann im Herstellungsverfahren unter Realbedingungen umgesetzt. Für die Produktion der Dämmplatten wird außerdem ein besonders energieeffizientes Verfahren entwickelt.

Quellen

[1] „Energiedaten“; Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie; 2018 https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Artikel/Energie/energiedaten-gesamtausgabe.html; heruntergeladen am 31.01.2018

[2] „EnEV 2006“; Sahner; Tagungsbeitrag; Augsburg 2006

[3] „Strohgedämmte Gebäude“; D. Schrammer; Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.; Gülzow-Prüzen; 2013

Publikationen

Model Based Optimization of an Insulating Panel Made from Biogenic Residues

Ratka, A.; Hofmann, J.; Ernst, W. (2021)

Construction and Building Materials Volume 318, 125807 (2022).
DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.125807

 

Within the scope of this article is the development of a mathematical model of an insulating panel made from grain husks and the optimization of the panel regarding the thermal characteristics by using this self-developed thermodynamically model. The model comprises one husk as the smallest unit of the insulating panel. In order to solve the model analytically, the following relevant parameters have been determined:

  • husk geometry
  • density of the pure husk material
  • thermal conductivity of the pure husk material
  • emission coefficient of the husk's surface
  • convection coefficient inside the husks
  • density of the binder
  • thickness of the binder
  • thermal conductivity of the binder

The solved model is validated with produced insulating panels out of grain husks. The optimization of the effective thermal conductivity λeff is done regarding the following parameters:

  • the filling gas
  • the edge length of the husks

According to the results of the simulation, by using Xenon as filling gas instead of air, the effective thermal conductivity λeff can be reduced by 21.6%. The optimal value of the husk’s edge length a depends on the filling gas und therefore varies between 4 and 6 mm. The optimization of the edge length leads to a reduction of the effective thermal conductivity λeff of 7.5 %, according to the model. When implementing individual calculated optimizations in real insulation boards, the thermal conductivity could be improved by up to 32 %. The project is funded by BMWi, the German ministry of economy and energy, and supervised by AiF, the working group of industrial research associations.

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Verbundprojektleitung

Maximilian Josef Jehle
Holz-Lehmhaus GmbH

Teilprojektleitung

Projektbearbeitung


Projektdauer

01.07.2019 - 31.12.2022

Projektpartner

Projektträger

Projektförderung

Förderprogramm

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