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.
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:
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.
[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
Ratka, A.; Hofmann, J.; Ernst, W. (2021): Model Based Optimization of an Insulating Panel Made from Biogenic Residues. 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: 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: 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.
Abstract
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