Teilvorhaben 3.2.: Leichtbauelemente zur Integration von Technikkomponenten. Teilvorhaben 3.5: Feldtest und datenbasierte Auswertung des Gesamtsystems

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1 Projekt-Zwischenbericht Wachstumskern autartec Verbundprojekt : autartec Technologieplattform Teilvorhaben 3.2.: Leichtbauelemente zur Integration von Technikkomponenten Teilvorhaben 3.5: Feldtest und datenbasierte Auswertung des Gesamtsystems Zuwendungsgeber: Förderkennzeichen: Bundesministerium für Bildung und Forschung 03WKCH03B Projektlaufzeit: bis Berichtslaufzeit: bis Berichtspflichtiger: Projektleitung: ifn Anwenderzentrum GmbH Prof. Dr. Hubertus Domschke Bitte Papier sparen und doppelseitig ausdrucken

2 Teil I: Zusammenfassung 1) Aufzählung der wichtigsten wissenschaftlich-technischen Ergebnisse und anderer wesentlicher Ereignisse (maximal 1/2 Seite!). Handbuch für Plattenproduktion angepasst (Qualitätssicherungssystem) UV- Beständigkeit wird untersucht Die Vorversuche zur Plattenherstellung sind erfolgt Kleinserie angelaufen Herstellung von Probekörpern nach Versuchsprogramm ist abgeschlossen Realisierung des Versuchsstandes gemäß geplantem Gesamtkonzept Datenbankanbindung an Automatisierungssystem 2) Vergleich des Stands des Vorhabens mit der ursprünglichen (bzw. mit Zustimmung des ZG geänderten) Arbeits-, Zeit- und Kostenplanung. * Das Vorhaben liegt im Wesentlichen innerhalb der ursprünglichen bzw. mit Zustimmung des ZG geänderten Arbeits-, Zeit- und Kostenplanung (Erläuterungen erforderlich, wenn Meilensteine im Berichtszeitraum). * Eine Anpassung des Arbeitsplans wird erforderlich (Erläuterung erforderlich). * Es sind zeitliche Verzögerungen aufgetreten (Erläuterung erforderlich). * Es sind Mehr- oder Minderausgaben aufgetreten (Erläuterung erforderlich). 3) Haben sich die Aussichten für das Erreichen der Ziele des Vorhabens innerhalb des angegebenen Berichtszeitraums gegenüber dem ursprünglichen Antrag geändert (Begründung)? * Die Aussichten für das Erreichen der Ziele des Vorhabens haben sich gegenüber dem Zeitpunkt der Antragstellung nicht verändert. * Die Aussichten für das Erreichen der Ziele des Vorhabens haben sich geändert (Erläuterung erforderlich). 4) Sind inzwischen von dritter Seite FuE-Ergebnisse bekannt geworden, die für die Durchführung des Vorhabens relevant sind? * Nein * Ja (Erläuterung erforderlich) * Bitte ggf. per Doppelklick aktivieren. 1

3 5) Sind oder werden Änderungen in der Zielsetzung notwendig? * Nein * Ja (Erläuterung erforderlich) 6) Fortschreibung des Verwertungsplans. Diese soll, soweit im Einzelfall zutreffend, Angaben zu folgenden Punkten enthalten: * Im Berichtszeitraum wurden auf Basis der Ergebnisse des Vorhabens Schutzrechte angemeldet, erteilt, in Anspruch genommen oder eine Anmeldung vorbereitet (Erläuterung erforderlich). * Im Berichtszeitraum sind Änderungen der wirtschaftlichen Erfolgsaussichten nach Projektende gegenüber der Darstellung im Antrag aufgetreten (Erläuterung erforderlich). * Im Berichtszeitraum sind Änderungen der wissenschaftlichen und/oder technischen Erfolgsaussichten nach Projektende gegenüber der Darstellung im Antrag aufgetreten (Erläuterung erforderlich). * Im Berichtszeitraum sind Änderungen der wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Anschlussfähigkeit gegenüber der Darstellung im Antrag aufgetreten (Erläuterung erforderlich). 2

4 Teil II: Ausführlicher Sachbericht Im Fortschritt der Projektbearbeitung steigt die Zahl der Schnittstellen zwischen einzelnen, thematisch eng beieinanderliegenden Arbeitspaketen. Aus diesem Grund liegt der Schwerpunkt im Berichtszeitraum in der Beschreibung der Resultate wichtiger Arbeitsabschnitte zu den folgenden Arbeitspaketen VP3 Arbeitsstand abgeschlossen laufend n.n. bearbeitet Anzahl Anteil 68% 18% 14% Meilenstein Funktionsfähiges Leichtbausandwich liegt als Probekörper vor Wurde in Meetings bei VP1 und VP3 vorgestellt War Bestandteil der Veranstaltung am Geierswalder- See am Wurde am nochmal modifiziert und am geprüft 3

5 Inhalt Abbildungsverzeichnis... 6 Tabellenverzeichnis AP Erprobung Trocknungsverfahren AP Aufbau eines Qualitätssicherungssystems Situation Qualitätssicherung AP Herstellung von Platten, Formteilen und Schüttungen Situation Aufbau/Anpassung der notwendigen Technik und Formteilen Herstellung von Platten Ausblick AP Analyse und Untersuchung der UV- Beständigkeit Situation Sonnensimulator Bestrahlungsversuche Ausblick AP Herstellen von Probekörpern und Versuchssystem Situation Arbeitsstand Anforderungskatalog Versuchsprogramm Proben und Ergebnisse Besondere Aufgaben Probleme Zusammenfassung

6 6. AP Monitoring und Langzeittest Situation Langzeituntersuchungen Ausblick Ausblick VP AP Anpassung Messkonzept und Aufbau ergänzender Messtechnik elektrisches und thermisches Energieversorgungssystem Situation Arbeitsstand - abgeschlossen Übersicht BHKW Trocknung Solarthermie Heizung Heizpatrone / Brennstoffzelle / Laderegler PV-Anlage Systemeinstellung Datenbankanbindung Datenpunkte AP Aufbau Messtechnik und Durchführung von Langzeittests elektrisches und thermisches Energieversorgungssystem Arbeitsstand

7 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Form Innenwand... 9 Abbildung 2: Form Außenwand... 9 Abbildung 3: Versuch 1 gegossene Platten Abbildung 4: Versuch 1 Platten getrocknet Abbildung 5: Kantenschutz Abbildung 6: Versuch 2 gegossene Platten Abbildung 7: Versuch 2 Platten getrocknet & Kantenschutz Abbildung 8: Sonnensimulator Abbildung 9: Wandaufbau autartec Abbildung 10: Schalungsöl Abbildung 11: Eigenbauformen Abbildung: 12 Edelstahlformen Abbildung 13: Schaumgenerator (Eigenbau) Abbildung 14: Schaumgenerator Sika SG Abbildung 15: Probe ungleichmäßige Verteilung Abbildung 16: Zerfall des Schaumes Abbildung 17: Absetzen des Betons Abbildung 18: Biofoam Abbildung 19: ifn commodo (Innenwandschicht, Außenwandschicht) Abbildung 20: Startseite Abbildung 21: BHKW Abbildung 22: Trocknung Abbildung 23: Solarthermie Abbildung 24: Heizung Abbildung 25: Heizpatrone / Brennstoffzelle / Laderegler

8 Abbildung 26: PV-Anlage Abbildung 27: Trendabbildung der PV-Stromproduktion Abbildung 28: Systemeinstellung Abbildung 29: Datenbankanbindung Abbildung 30: Datenbank-Konfigurationseditor Abbildung 31: Datenpunktliste Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Bestrahlungsversuche Tabelle 2: Zusammenfassung Versuchsprogramm

9 1. AP Erprobung Trocknungsverfahren Eine thermische Trocknung erwies sich als nicht vorteilhaft. Trocknet Beton aus, so verringert sich sein Volumen, er schwindet. Wird diese Verformung behindert, so entstehen Gefüge und Eigenspannungen, die zu Rissen führen können. Schwindrisse beginnen an der Oberfläche des Betons und können sich nach innen fortsetzen. Es muss dafür gesorgt werden, dass der Beton nur langsam austrocknet. Das Austrocknen sollte erst dann beginnen, wenn der Beton eine Zugfestigkeit erreicht hat, bei der er die Schwindspannungen ohne Rissbildung aufnehmen kann. Diese Beobachtungen konnten auch in der improvisierten Trockenkammer gemacht werden. Aus diesem Grund wird das herkömmliche Trocknungsverfahren der Trockenlagerung angewendet, auch um Verwerfungen zu minimieren. 2. AP Aufbau eines Qualitätssicherungssystems 2.1. Situation Für den Hybridbaustoff werden zur Sicherung der Funktionalität definierte Ansprüche umgesetzt. Hierzu ist ein Qualitätssicherungssystem notwendig. Dieses bildet die Basis für die industrielle und gewerbliche Herstellung. Für alle Parameter, Materialien und technologischen Schritte ist deshalb das Handbuch >>ifn commodo<< angefertigt worden. Für die Plattenherstellung wurde das Handbuch angepasst (siehe Anlage 1) Qualitätssicherung Die Qualitätssicherung umfasst hier als Bestandteil des Qualitätsmanagements alle organisatorischen und technischen Maßnahmen, die vorbereitend, begleitend und prüfend der Schaffung und Erhalt der vorher definierten Qualität dieses Produkts dienen. Hierzu werden alle Ressourcen während der Plattenherstellung geplant und gesteuert, um die Produkt- und Prozessqualität zu erhalten, oder sogar zu verbessern. Hierfür wurde ein Qualitätssicherungshandbuch angefertigt, in dem Daten während des Fertigungs- und Trocknungsprozess gesammelt werden. 8

10 3. AP Herstellung von Platten, Formteilen und Schüttungen 3.1. Situation Entsprechend der Vorgaben aus dem Verbundprojekt 1 wurden Platten und Formteile in den Abmaßen und der Transport- sowie Montagefähigkeit definiert. Probeversuche wurden durchgeführt und die Parameter angepasst Aufbau/Anpassung der notwendigen Technik und Formteilen Für die Herstellung der Platten wurde von der Firma Bendl Hoch und Tiefbau GmbH & Co. KG Sebnitz (VP 1) Formen angefertigt. Die Mischtechnik sowie alle weiteren Werkzeuge wurden ebenfalls zur Verfügung gestellt. Abbildung 1: Form Innenwand Abbildung 2: Form Außenwand 9

11 3.3. Herstellung von Platten 1. Versuch In einem ersten Versuchsdurchlauf wurden die Platten mit definierten Maßen gefertigt. Maße Innenwandplatte: Maße Außenwandplatte: 125x40x20 125x40x30 Abbildung 3: Versuch 1 gegossene Platten Abbildung 4: Versuch 1 Platten getrocknet Auswertung Herstellung der Platten nach Vorgabe Innenwandplatte ohne Probleme kann in Serienproduktion gehen Außenwandplatte Parameter Anpassung notwendig da brüchige Kanten und Dämmschicht 2. Versuch für die Außenwandplatte war notwendig 10

12 2. Versuch Außenwandplatte wurde mit veränderten Parametern hergestellt. Für verbesserte Transport und Montageeigenschaften wurde zusätzlich ein Kantenschutz in die Platte eingebunden. Abbildung 5: Kantenschutz Abbildung 6: Versuch 2 gegossene Platten Abbildung 7: Versuch 2 Platten getrocknet & Kantenschutz 11

13 Auswertung Herstellung der Platten mit veränderten Parametereinschätzungen Parameterveränderungen erfolgreich Außenwandplatte kann nun in Serienproduktion gehen 3.4. Ausblick Entsprechend der Vorgaben müssen nun geeignete Montagetechnologien gefunden und erprobt werden. Zudem müssen Logistik- und Transportkonzepte erstellt und umgesetzt werden. 4. AP Analyse und Untersuchung der UV- Beständigkeit 4.1. Situation Qualitätssicherung und Alterungsbeständigkeit sind für viele Materialien und Systeme unverzichtbar. Auch für den verwendeten Betonbaustoff ist dies sicherzustellen. Eine Freibewitterung unter natürlicher Sonneneinstrahlung dauert jedoch oft zu lange. Für eine deutliche Zeitraffung werden daher Sonnensimulatoren verwendet, die ein der natürlichen Sonne sehr ähnliches Strahlspektrum besitzen Sonnensimulator Im Sonnensimulator steht ein Metallhalogenid- Strahler mit einem guten AM 0 (Airmass) Sonnenspektrum zur Verfügung. Dabei können Proben mit Abmessungen von bis zu 1m² kontinuierlich mit einer Strahlungsintensität von bis zu 100 W/m² belastet. Abbildung 8: Sonnensimulator 12

14 4.3. Bestrahlungsversuche Anhand von Berechnungen wurden die Dauer und die Intensität der Versuche dargestellt. Bestrahlungsversuche - Alterung gesamt: 21 d * 24 h= 504 h --> 1000 W/m² --> Wh/m² Gesamtbestrahlung Fenster - Prüfung in der selben Zeit für 30a --> 30 a --> = Wh/m²a 30 für 1 a = Wh/m² für 5 a = Wh/m² für 10 a = Wh/m² Tage Jahre Jahre Wh/m²a esamtstunde Tage Stunden Minuten 1 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Tabelle 1: Bestrahlungsversuche 13

15 4.4. Ausblick Die Ergebnisse aus den Versuchen stehen noch aus. Diese müssen analysiert und bewertet werden, was im Juli/August 2016 erfolgt. 5. AP Herstellen von Probekörpern und Versuchssystem 5.1. Situation Der Leichtbaustoff >>ifn-commodo<< ist eine homogene Wandkonstruktion welche im autartec Projekt eine geordnete Schichtung aufweist. Er soll als Außenwandverkleidung sowie als Innenwandverkleidung dienen. Die beiden Varianten sind folgender maßen geplant. - Außenwand als Sandwich-Platte mit ca. 10 cm Leichtbeton und 20 cm Dämmmaterial zementgebunden aus recycelten EPS, Blähton oder Milchsäuregranulat - Innenwand als intelligente Wärmeausgleichplatte mit Leichtbeton und PCM in ca. 3 cm Stärke Abbildung 9: Wandaufbau autartec 14

16 5.2. Arbeitsstand Anforderungskatalog Die gewünschten Anforderungen wurden in einem Anforderungskatalog zusammengefasst und beschrieben. 1) Wärmespeicherfunktion Mit Hilfe von PCM soll die Innenwandlösung das passive Wärmemanagement unterstützen 2) Spezifisches Gewicht Da es sich um einen Leichtbeton handelt, dürfen 2000 kg/m³ Rohdichte nicht überschritten werden. Eine Rohdichte zwischen 500 und 1200 kg/m³ wir angestrebt 3) Wärmeleitfähigkeit Für den >>ifn-commodo<< wird ein U-Wert von 0,17 gefordert 4) Brandschutzklasse Der Baustoff muss mindestens die Brandschutzklasse A2, s1, d0 erfüllen 5) Wasserdampfdiffusionswiderstand Da im Außenbereich der Baustoff mit einer Dampfsperre hinterlegt wird, kann der Wasserdiffusionswiderstand vernachlässigt werden. Es wird jedoch ein Widerstand von 8-10 µ gefordert 6) Druckfestigkeit Der Baustoff wird größtenteils nur sich und evtl. andere Platten halten müssen. Er ist statisch nur gering belastet. Es wird eine Druckfestigkeit von 150 kpa angestrebt 15

17 Versuchsprogramm In diesem Kapitel werden Vorgehensweise, eingesetzte Materialien, durchgeführte Berechnungen und Ergebnisse zu 25 Probesätzen präsentiert. Von jeder Mischung wurden mindestens 3 Probekörper hergestellt. Vorgehensweise: 1. Ausgangsdaten wurden gesammelt und Berechnungen durchgeführt 2. Formen wurden vorbereitet 3. Ausgangsstoffe wurden abgemessen bzw. abgewogen 4. Ausgangsstoffe wurden in richtiger Reihenfolge miteinander vermischt 5. Gemisch wurde in die Formen gegeben und verdichtet 6. Das Gemisch musste vor der Ausschalung mind. 28 Tage bei gleicher Raumtemperatur und Luftfeuchte getrocknet werden (Vorschrift) 7. Nach 28 Tagen wurde der fertige Probekörper Ausgeschalt und einer Sichtprüfung unterzogen 8. Alle Auffälligkeiten wurden dokumentiert und ausgewertet Zu 1. Berechnungen Nach Berechnungsgrundlagen wurden Mischungsverhältnisse berechnet und angepasst Bis zur Probe 14 konnten Berechnungen anhand der Vorlagen realisiert werde, danach war dies nicht mehr möglich da sich zu viele Parameter verändert haben Ab Probe 15 waren nur noch empirische Ermittlungen möglich In der Anlage 2 (Proben, Berechnungen und Protokolle) sind die Berechnungen Dokumentiert. Zu 2. Formen vorbereiten Bevor die fertige Mischung in die Formen gegeben werden konnte, mussten die Formen vorbereitet werden. Die Zylindrischen Probeformen mussten an einem Ende abgeklebt werden, damit die fertige Mischung nicht auslaufen kann. Die Eigenbauformen mussten auf eine glatte Oberfläche gestellt und an den Seiten belastet werden, sodass die fertige Mischung nicht auslaufen kann. Bei den genormten Formen mussten keine Schutzmaßnahmen vor Auslaufen getroffen werden, da diese über einen festen Boden verfügen. 16

18 Alle Probeformen mussten vor der Befüllung gereinigt und mit einem dünnen Film Schalungsöl bestrichen werden, um ein sicheres Ausschalen zu gewährleisten. Abbildung 10: Schalungsöl Zu 3. Ausgangsstoffe abmessen und abwiegen Alle Ausgangsstoffe wurden mit den dafür bereitgestellten Messbechern- gläsern und Waagen abgemessen bzw. abgewogen. Dabei war drauf zu achten das die Waagen in den richtigen Bereichen eingesetzt wurde. Zu 4. Ausgangsstoffe miteinander vermischen Alle trockenen Ausgangsstoffe mussten anfangs miteinander vermischt werden. Erst dann wurden Wasser und alle weiteren Zusatzstoffe dazu gegeben. Die Mischzeit in dem Zwangsmischer wurde auf mindestens drei Minuten festgelegt. Es musste darauf geachtet werden, dass alle Ausgangsstoffe vollständig miteinander vermischt sind. Zu 5. Gemisch wird in die Formen gegeben und verdichtet Der fertige Frischbeton wurde in die entsprechenden Formen gegeben und mit dem dafür vorgesehenen Werkzeug verdichtet. Bei den Zylindrischen Formen wurde das Verdichten durch aufstoßen der Formen erreicht. Schon beim einfüllen in die Formen wurden Beobachtungen über die Konsistenz des Frischbetons dokumentiert. Zu Und 8. Ausschalung und Trocknung Nach 7 Tagen konnte die Probe vorsichtig aus ihrer Form gelöst werden. Es war darauf zu achten die Proben dabei nicht zu beschädigen. Jetzt konnten weitere Beobachtungen angestellt und dokumentiert werden. Bei Raumtemperatur mussten die Proben weitere 21 Tagen getrocknet werden. Anschließend wurden weitere Beobachtungen und Daten dokumentiert. 17

19 Proben und Ergebnisse In Anlage 1 werden die durchgeführten Versuche beschrieben und ausgewertet. Es wurden insgesamt 25 Probegruppen angefertigt und bewertet. In der Tabelle 1 erfolgt eine Zusammenfassung aller durchgeführten Versuche. In einem Variantenvergleich, der für die Anforderungen geeigneten Varianten, werden fünf ausgewählte Probegruppen miteinander verglichen. Die Anforderungen für diesen Vergleich sind dem Anforderungskatalog aus Punkt entnommen. 18

20 Probe Zusammensetzung Ergebnis Prüfergenis Druckprüfung Anmerkung 1 Zement, Wasser, Quarzkies Festigkeit unzureichend Zement, Wasser, Quarzkies Festigkeit unzureichend - - 2_1 Zement, Wasser, Quarzkies Beim Ausschalen zerstört - Schalungsöl verwenden 2_2 Zement, Wasser, Quarzkies Festigkeit unzureichend Zement, Wasser, Quarzkies, Fließmittel Beim Ausschalen zerstört - 7 Tage Trocknungszeit zu wenig 3_1 Zement, Wasser, Quarzkies, Fließmittel Gutes Ergebnis aber lange trocknungszeit - 3_2 Zement, Wasser, Quarzkies, Fließmittel Gutes Ergebnis aber lange trocknungszeit - 4 Zement, Wasser, Quarzkies Gutes Ergebnis - 4_1 Zement, Wasser, Quarzkies Gutes Ergebnis - 4_2 Zement, Wasser, Quarzkies Gutes Ergebnis - 5 Zement, Wasser, Quarzkies Beim Ausschalen zerstört - Gröbere Sandkörnung verwendet 5_1 Zement, Wasser, Quarzkies zu grobe Oberflächen - Gröbere Sandkörnung verwendet 5_2 Zement, Wasser, Quarzkies zu grobe Oberflächen - Gröbere Sandkörnung verwendet 6 Zement, Wasser, Quarzkies, Blähton Beim Ausschalen zerstört - 6_1 Zement, Wasser, Quarzkies, Blähton Raue Oberfläche, sehr Porös, unbrauchbar - 6_2 Zement, Wasser, Quarzkies, Blähton Raue Oberfläche, sehr Porös, unbrauchbar - 7 Zement, Wasser, Quarzkies, EPS, Fließmittel sehr Porös, schlecht verdichtet - 7_1 Zement, Wasser, Quarzkies, EPS, Fließmittel sehr Porös, schlecht verdichtet - 7_2 Zement, Wasser, Quarzkies, EPS, Fließmittel sehr Porös, schlecht verdichtet - 8 Zement, Wasser, Quarzkies, EPS, Stabilisierer Gutese Ergebins - 8_1 Zement, Wasser, Quarzkies, EPS, Stabilisierer Gutese Ergebins - 8_2 Zement, Wasser, Quarzkies, EPS, Stabilisierer Beim Ausschalen zerstört - 9 Zement, Wasser, Quarzkies, EPS, Stabilisierer,PCM Gutes Ergebnis - 9_1 Zement, Wasser, Quarzkies, EPS, Stabilisierer,PCM Gutes Ergebnis - 9_2 Zement, Wasser, Quarzkies, EPS, Stabilisierer,PCM Beim Ausschalen zerstört - 10 Schicnt 1: Zement, Wasser, Quarzkies, Stabilisierer, PCM Schicnt2: Zement, Wasser, Quarzkies,Stablilisierer,EPS Schicht 3: Zement Wasser, Quarzkies, Stabilisierer, PCM 11 Schicnt 1: Zement, Wasser, Quarzkies, Stabilisierer, PCM Schichten halten gut zusammen, Schicht 1 schlecht verdichtet, poröse Oberflächen - Schicnt2: Zement, Wasser, Quarzkies,Stablilisierer,EPS keine Veränderung zu Probenummer 10 - Schicht 3: Zement Wasser, Quarzkies, Stabilisierer, PCM 12 Zement, Wasser Quarzkies, EPS sehr Porös, zu hohe Dichte - 50% EPS 12_1 Zement, Wasser Quarzkies, EPS sehr Porös, zu hohe Dichte - 70% EPS 12_2 Zement, Wasser Quarzkies, EPS sehr Porös, Festigkeit nicht gegeben - 90% EPS 13 Zement, Wasser Quarzkies, EPS, Stabilisierer sehr Porös, schelchte Verteilung des Betons - Gröbere Sandkörnung verwendet 13_1 Zement, Wasser Quarzkies, EPS sehr Porös, schelchte Verteilung des Betons - erhöhter Wasseranteil 13_2 Zement, Wasser Quarzkies, EPS, Schaumkonzentrat sehr Porös - 13_3 Zement, Wasser Quarzkies, EPS, Porenbildner sehr Porös, schelchte Verteilung des Betons - 14 Zement, Wassr, Quarzkies, Schaum Schaum hat keine einwirkung - 15 Zement, Wassr, Quarzkies, Schaum,EPS sehr Porös - 16 Zement, Wassr, Quarzkies, Schaum,EPS Rezeptur unbrauchbar - 17 Zement, Wasser, Schaum, EPS Gutes Ergebnis - 18 Schicnt 1: Zement, Wasser, Quarzkies, PCM Schicnt2: Zement, Wasser, EPS Schicht 3: Zement Wasser, Quarzkies, PCM 19_1 Zement, Wasser, Quarzkies; Schaum Festigkeit unzureichend - 19_2 Zement, Wasser, Quarzkies; Schaum Schaum beim mischen zerstört - 19_3 Zement, Wasser, Quarzkies; Schaum Beim Ausschalen zerstört - 20 Schicht 1: Zement, Wasser, Quarzkies, PCM, Schaum Schicht 2: Zement, Wasser, EPS, Schaum Poröse Oberflächen - 21 Zement, Wasser, Schaum, EPS Gutes Ergebnis 670 kpa entspricht Probe 17 22_1 Texton, Wasser, Schaum Gutes Ergebnis 1160 kpa 22_2 Texton, Wasser, Schaum, EPS Festigkeit unzureichend 60 kpa 23 Texton, Wasser, Schaum, Blähton Schlechtes Ergebnis 24 Texton, Wasser, Schaum, BioFoam Zementleim und BioFoam gehen keine BioFoam als ersatz Bindung ein vorerst verworfen 25 Schicht 1: Texton, Wasser, Schaum Schicht 2: Texton, Wasser, EPS Schichten halten gut zusammen, Schicht 1 schlecht verdichtet Gutes Ergebnis 1070 kpa 26 Texton, Wasser, Schaum, PCM Gutes Ergebnis 7600 kpa - wird als Außenwandlösung verwendet wird als Innenwandlösung verwendet Tabelle 2: Zusammenfassung Versuchsprogramm 19

21 Probe Spezifisches Gewicht Druckfestigkeit Anforderung Ergebnis Anforderung Ergebnis 21/2 433 kg/m³ 670 kpa 22/1 574 kg/m³ 1160 kpa 22/ kg/m³ 104 kg/m³ 150 kpa 60 kpa 25/2 560 kg/m³ 1070 kpa kg/m³ Tabelle 3 Auswahl relevanter Proben 7600 kpa Auswertung relevanter Proben Die Probe 22/3 entspricht, hinsichtlich der Druckfestigkeit, nicht den geforderten Anforderungen. Deshalb kann diese nicht weiter betrachtet werden. Als Außenwandvariante wird vorläufig die Probenummer 25/2 ausgewählt, da diese eine höhere Druckfestigkeit im Vergleich zu der Probe 21/2 aufweist. Als Innenwandvariante wird die Probe 26 ausgewählt. Auch diese hat im Vergleich zu Probe 22/1 eine erheblich höhere Druckfestigkeit. Das höhere spezifische Gewicht wird in diesem Fall akzeptiert Besondere Aufgaben Formen: Um den Anforderungen an genormte Prüfkörper gerecht zu werden wurden Probekörper Angefertigt die ein Norm- Maß von 150x150x150mm haben. Zum späteren wurden Edelstahlformen eingesetzt um die Genauigkeit zu erhöhen. Abbildung 11: Eigenbauformen 20

22 Abbildung: 12 Edelstahlformen Schaumgenerator: Schaumgenerator (Eigenbau) Nach einer langen, erfolglosen Suche nach Schaumgeneratoren im Labormaßstab, wurde nach Überlegungen und Internetrecherchen ein eigener Schaumgenerator angefertigt. Dieser produziert einen Schaum der sich optimal unter den Zementleim mischen lässt. Der Nachteil ist die Einstellung der Schaumkonsistenz. Je nach Füllgrad des Behälters werden unterschiedliche Schaumkonsistenzen erzeugt. Abbildung 13: Schaumgenerator (Eigenbau) Funktionsweise: In den Behälter des Generators wird ein Wasser- Schaumbildnergemisch (siehe Seite 34) im Verhältnis 1:50 gefüllt. Durch den im Deckel befindlichen Schlauch, der bis zum Grund des Behälters führt, wird Druckluft gegeben. Dadurch wird im inneren des Behälters Schaum erzeugt. Dieser wird nun durch ein feines Metallsieb am oberen Ende des Behälters gedrückt und es entsteht ein feinporiger Schaum, welcher sich zur Verarbeitung im Zementleim eignet. 21

23 Schaumgenerator Sika SG 70 Nach langer Suche ist es gelungen, einen Schaumgenerator im Labormaßstab zu besorgen, mit dem gleichmäßiger Schaum erzeugt werden kann. Das Sika Schaumgerät SG 70 ist ein tragbares Schaumgerät zur Vorfertigung von Schaum unter Verwendung von Schaumbildner Centripor SK 120. Abbildung 14: Schaumgenerator Sika SG70 Funktionsweise: Am hinteren Teil des Generators befindet sich der Wasseranschluss. Dort wird mit drei bar Wasserdruck das Wasser eingeleitet. Im mittleren Teil befindet sich eine Einstellschraube, mit der die Schaumkonsistenz eingestellt werden kann. Durch einen Unterdruck, wird über einen Schlauch der Schaumbildner automatisch in den Generator geleitet. Im Inneren des Generators entsteht das Gemisch. Dieses wird am Generatorausgang durch viele kleine Röhrchen und Siebe gedrückt, wobei ein homogener und gleichmäßiger Schaum entsteht, der sich optimal mit dem Zementleim vermischen lässt. 22

24 Probleme Im Laufe der Untersuchungen musste diverse Probleme bewältigt werden. 1. Gleichmäßige Verteilung der Gesteinsmischung Abbildung 15: Probe ungleichmäßige Verteilung Lösung: - Mischvorgang verlängert - Zementleimanteil erhöht 2. Schaumeinbringung Abbildung 16: Zerfall des Schaumes 23

25 Abbildung 17: Absetzen des Betons Lösung: - Schaummenge musste richtig eingestellt werden - Schaumkonsistenz wurde optimiert - Das Einbringen des Schaumes in den Zementleim wurde durch ein ruhiges Unterheben verbessert 3. PLA als EPS Ersatz Als EPS Ersatz wurden geschäumte Polylactide (kurz PLA, vom englischen Wort polylactic acid) erprobt. Die Schwierigkeit besteht darin eine Bindung zwischen dem PLA und dem Betonbestandteil zu schaffen. Zum heutigen Stand ist dies noch nicht erreicht worden. Als PLA wird das Produkt BIOFOAM der Firma Synprodo verwendet. Abbildung 18: Biofoam 24

26 5.3. Zusammenfassung Abbildung 19: ifn commodo (Innenwandschicht, Außenwandschicht) Nach Auswertung der Proben wurde entschieden, dass die Innenwandschicht ein Leichtbeton mit Zusatz von PCM bildet, die Dämmschicht eine Mischung aus EPS und Beton, sowie für die Außenschicht ein Leichtbeton. Die richtigen Zusammensetzungen und Mischungsberechnungen wurden in den 25 Versuchen durchgeführt und weiterentwickelt. Die Zusammenfassung aller Proben in Tabelle 1 dargestellt. Am Ende ist es gelungen einen Baustoff zu entwickeln, der den Anforderungen des Anforderungskatalogs entspricht. Er hat eine Rohdichte zwischen kg/m³. Die Druckfestigkeit entspricht der Vorgegebenen Rohdichte von 150 kpa. Die Ergebnisse der Wärmedurchgangsprüfung entsprechen dem Vorgegebenen Wert von λ 0,3 W/(m K). Das Ergebnis wurde in einem Handbuch zusammengefasst, welches in Anlage 2 zu finden ist. Mit diesem Handbuch können nun Platten für den autartec Demonstrator oder für verschiedene andere Vorhaben angefertigt werden. 6. AP Monitoring und Langzeittest 6.1. Situation Für die Beurteilung der Gebrauchsfähigkeit eines Bauwerks aus Beton ist der Widerstand gegen die Beanspruchungen, denen es ausgesetzt ist, von großer Bedeutung. Im Gegensatz zu den mechanischen Kenngrößen ist die sogenannte Dauerhaftigkeit allerdings nur schwer zu fassen. Auch bei bekannten Umweltbedingungen und Betoneigenschaften ist sie keine absolute Größe, die über die Zeit konstant bleibt, denn Struktur und Eigenschaften des Baustoffs unterliegen einem kontinuierlichen Wandel. Aus diesem Grund werden verschiedene Langzeituntersuchungen vorgenommen. 25

27 6.2. Langzeituntersuchungen Prüfung der Wassereindringtiefe: Wasser wird nach DIN EN unter Druck (500 kpa) auf die Oberfläche des Prüfkörpers aufgebracht. Nach Einwirken des Drucks über 72 Stunden wird der Probekörper gespalten, die größte Eindringtiefe gemessen und auf 1 mm genau angegeben. Das Mindestalter der Proben zu Prüfbeginn beträgt 28 Tage. Prüfung des Frost- und Frost-Tausalz-Widerstands: Für Beton mit hohem Frost-und Frost-Tausalz-Widerstand wurden bisher Grenzwerte für die Zusammensetzung vorgeschrieben (description concept). Durch den vermehrten Einsatz neuer Ausgangsstoffe, nicht erprobter Zusammensetzungen und geänderter HersteIlverfahren wird es notwendig, den Frost-und den Frost-Tau-salz-Widerstand des Betons unmittelbar anhand einer Prüfung zu beurteilen (performance Gancept). Zur Bestimmung des Frost- und Frost-Tausalz-Widerstands gegen Abwitterung der Betonoberfläche sind nach DIN CEN/TS (Vornorm) drei Prüfverfahren definiert (siehe folgende Tabelle): - Plattenprüfverfahren (Referenzverfahren) - Würfelprüfverfahren (Alternativprüfverfahren) - CF- und CDF-Prüfverfahren (Alternativprüfverfahren) In Deutschland wird, sofern eine Prüfung des Frost- bzw. Frost-Tausalzwiderstands von Beton gefordert wird, in der Regel das CF- bzw. CDF-Verfahren (Capillary suction of Deicing chemicals and Freeze-thaw test) angewendet. Bestimmung des relativen Karbonatisierungswiderstandes: Nach DIN CEN/TS (Vornorm) wird in einer Langzeitprüfung von mindestens 2 Jahren der Karbonatisierungswiderstand eines Betons mit bekannter Festigkeit und bekanntem Verhalten am Verwendungsort (Umgebung, Umwelt) mit einem Beton gleicher Festigkeit aber unbekanntem Karbonatisierungswiderstand verglichen (Prüfbeton). Die Prüfungen erfolgen bei CO 2-Konzentrationen von ca. 0,035 % oder regengeschützt unter natürlichen Witterungsbedingungen. Das Vergleichsergebnis dient der Beurteilung des Karbonatisierungswiderstandes des Prüfbetons bei gleichartigen Verwendungsbedingungen. 26

28 Bestimmung des Chloridwiderstandes von Beton: Die Durchlässigkeit von Beton für Chloride wird nach DIN SPEC )/DIN CEN/TS (Vornorm) bestimmt und durch einen Chloriddiffusionskoeffzienten in m²/s ausgedrückt. Damit soll die Voraussage des Zeitpunkts des Erreichens kritischer Chloridwerte in bestimmten Bauteiltiefen ermöglicht werden. - Probekörper: Würfel oder Zylinder mit 100 mm Kantenlänge bzw. Durchmesser - Dauer: 4 Monate; Chlorideinwirkung mit 3 %iger NaCl-Lösung über 90 Tage - Der Chloriddiffusionskoeffzient wird über das Konzentrationsgefälle der eingedrungenen Chloridmengen in den verschiedenen Probetiefen bestimmt. Die Chloridmenge wird durch schichtweises Abschleifen und Analyse des Schleifmehls ermittelt Ausblick Für die weiteren Arbeitsschritte werden im VP3 die ermittelten Langzeituntersuchungen besprochen, spezifiziert und erweitert. Die Auswahl der Langzeituntersuchungen werden im 3. Quartal 2016 getroffen. 7. Ausblick VP 3 Die Kleinserienproduktion der Wandelemente erfolgt nach Abstimmung am im Rahmen VP1 entsprechend Handbuch (Anlage 1) Gleichzeitig wird das QM- Handbuch auf Umsetzbarkeit getestet Damit wird die Arbeit am AP und AP fortgesetzt Am AP wird permanent gearbeitet Eine Herausforderung stellt u.a. die Simulierung der Dauerhaltbarkeit/Langzeittest dar 27

29 8. AP Anpassung Messkonzept und Aufbau ergänzender Messtechnik elektrisches und thermisches Energieversorgungssystem 8.1. Situation Genau, wie später auf der Technologieplattform erfolgt die Energieerzeugung am Versuchstand durch unterschiedlichste Systeme. Entsprechend wurde ein Messkonzept entwickelt, welches die Bedarfe angemessen genau erfasst, sodass die Energie der unterschiedlichsten Erzeuger, wie PV-Anlage, Mikro-BHKW oder Brennstoffzelle auf unterschiedliche Verbräuche abgestimmt, bereitgestellt werden kann. Zur Unterstützung der iterativen Anpassung von Erzeugerseite und der Bedarfe auf der Nutzerseite werden die Messdaten zur Auswertung in einer Datenbank aufgezeichnet, ausgewertet und je nach Anforderung u.a. für Steueralgorithmen aufbereitet. Das Ziel des Arbeitspaketes, ein zentrales Monitoring-Werkzeug und ein Messkonzept zu entwickeln, welches die unterschiedlichen Energieerzeugungen an di e Verbräuche anpasst wurde erreicht. Die schrittweise Anpassung des Messkonzeptes an eine spezifische Software wird während der ausführlichen Tests und Versuchsläufe im Rahmen des AP weiter qualifiziert. Im Ergebnis wird es dem Nutzer möglich sein, den Energiefluss des Gebäudes abzufragen und seinen Wünschen entsprechend zu regeln Arbeitsstand - abgeschlossen Realisierung des Versuchsstandes gemäß geplantem Gesamtkonzepts Anbindung einer Datenbank an das Automatisierungssystem Verifizierung der Algorithmen des Automatikbetriebes Aufstellung einer detaillierten Elementliste als Grundlage für Tests Auf den folgenden Seiten sind Grafiken der Monitoring- und Steuersoftware des Versuchstands mit jeweils kurzer Beschreibung abgebildet. Elemente zur Steuerung: Die einzelnen steuerbaren Elemente (mess- und steuerungstechnische Basiseinheiten), wie Regelventile, Pumpen, Schalter oder Messstellen, sind einheitlich strukturierten Software-Ressourcen zugeordnet. Diese sind z.b. Soll- und Istwerte, Statusinformationen oder Ein- und Ausgänge. 28

30 8.3. Übersicht Abbildung 20: Startseite Auf der Startseite sind zentral Tastfelder für mögliche Modi abgebildet, in welchen die Anlage betrieben werden kann. Handsteuerung: Steuerung der Anlage ausschließlich durch Bediener Automatik Ein: Die Anlage wird durch die Software und programmierte Algorithmen gesteuert. Es ist dem Nutzer aber jederzeit möglich die Elemente einzeln in den Hand- Modus zu versetzen und den Algorithmen der automatischen Regelung zu entziehen. Anlage Aus: Selbstsprechend wird die Anlage unmittelbar abgeschaltet. Auf der rechten Seite sind Tastfelder für die einzelnen Anlagenteile aufgelistet. Mit Betätigung gelangt der Nutzer zur Übersicht der jeweiligen Teilanlage, sowie zur Systemeinstellung. Das Aufzeichnen in die Datenbank kann auf der Startseite ebenfalls gestartet oder gestoppt werden. 29

31 Farben kennzeichnen Status Den Elementen ist für den jeweiligen Status eine entsprechende Animationsfarbe zugeordnet: grau: Element ist aus / geschlossen grün: Element ist eingeschaltet/ geöffnet gelb: Element ist verriegelt, d.h. kann aufgrund bestimmter technologischer Zustände nicht eingeschaltet oder geöffnet werden (gegenseitiger Abhängigkeiten) rot: Element ist gestört/ defekt blau hinterlegt: Element ist im Hand-Modus 8.4. BHKW Abbildung 21: BHKW 30

32 Über die Steuerparameter (siehe Bildmitte, unterer Teil) eines jeden Anlagenteils können die Steuerparameter für den Automatik-Modus per Hand verändert werden. Der Parameter Schalthysterese gilt nur innerhalb des jeweiligen Anlagenteils. Hierdurch werden getrennte Ein- und Ausschaltschwellen gebildet, um ein Schalt-Prellen zu vermeiden: AS = SW * (1+SHy) und ES = SW * (1-SHy) AS: ES: SW: SHy: Ausschaltschwelle Einschaltschwelle Schwellwert (jeweiliger Steuerparameter im Bild) Steuerparameter 'Schalthysterese...' Bsp. mit den oben eingestellten Parametern: Wäre P2 nicht im Hand-Modus (blau hinterlegt), würde P2 - einschalten, wenn T6 > 42 C und T1 < 33,25 C - ausschalten, wenn T6 < 38 C oder T1 > 36,75 C 31

33 8.5. Trocknung Abbildung 22: Trocknung Der Anlagenteil Trocknung kann mittels des zentralen Tastfelds Trocknung E/A, unabhängig vom Anlagenmodus und von den Steuerparametern, ein- und ausgeschaltet werden. Die Pumpen, sowie die Heizpatronen, X4 und X5 befinden sich im Handmodus (blau hinterlegt). 32

34 8.6. Solarthermie Abbildung 23: Solarthermie In diesem Bild ist die Anlage im Hand-Modus. Demzufolge wird in allen Anlagenteil- Übersichtsbildern unten links Steuertasten eingeblendet. Mit Berührung eines Element-Symbols (z.b. P5)wird dessen Bezeichnung eingeblendet. Nun kann dieses Element in den Hand-Modus gesetzt werden und mit den gelben Tasten bedient werden. In Hand gesetzte Elemente bleiben, unabhängig von der Automation auch dann noch im Hand-Modus, wenn die Gesamtanlage in Automatik geschaltet wird. 33

35 8.7. Heizung Abbildung 24: Heizung Kernelemente der Heizungssteuerung sind die 3-Wege-Ventile V1 und V2. Durch V2 wird das Temperaturniveau des Heizkreisrücklaufs mittels Warmwasser aus dem Pufferspeicher angehoben. V1 kann ebenfalls automatisch oder per Hand auf (St.1) und zugefahren (St.2) werden. Zudem ist für das Ventil eine Zwischenstellung (St.3) möglich. Bei dieser Stellung werden parallel Heizkreis Technikum und der Vorlauf von Haus 1 durch BHKW-Wärme beliefert. Im Automatik-Mode wird dazu der im Steuerparameter vorgegebene Öffnungsgrad angefahren. Im Hand-Modus kann V1 referenziert, d.h. durch maximale Fahrtdauer sicher auf Stellung aus gefahren werden. 34

36 8.8. Heizpatrone / Brennstoffzelle / Laderegler Abbildung 25: Heizpatrone / Brennstoffzelle / Laderegler Die Messstellen M M5.8 sind derzeit noch rot markiert, da die Datenpunkte der Brennstoffzelle(BSZ), welche mittels Mikroinverter an das System übermittelt werden, noch nicht eingebunden sind. Der Schalter X11 ist gelb hinterlegt, da dieser momentan gegen X13 verriegelt ist. Das bedeutet, dass der PV-Akku aktuell mit Strom aus den PV-Modulen geladen wird (X13 ist Ein) die angeschlossenen Strom- Verbraucher direkt mit PV-Strom betrieben werden und die gleichzeitige Entladung des Akku nicht aktiviert werden kann. 35

37 8.9. PV-Anlage Abbildung 26: PV-Anlage Die Mikroinverter der PV-Anlage werden mit Hilfe des Datenprotokolls AESGI (Hersteller AE Conversion) über RS485 seriell ausgelesen. Für die übermittelten Werte wurden spezielle Datenstrukturen angelegt. In der unten stehenden Grafik ist der Trend mit den Werten der Generatorspannung, der vier Mikroinverter abgebildet. In den Trends sind die jeweils gleichen Messwerte der Mikroinverter abgebildet. In der Beispielgrafik die Gleichspannung von M1.1, M2.1, M3.1 und M4.1 36

38 Abbildung 27: Trendabbildung der PV-Stromproduktion 37

39 8.10. Systemeinstellung Abbildung 28: Systemeinstellung In der Systemeinstellung sind alle Eingabefenster zusammengefasst, die der Skalierung von Analogwerten dienen. In der Regel sind die Temperatursensoren an PT1000- Eingänge der Steuerung angeschlossen, bei denen keine Skalierung notwendig ist. 38

40 8.11. Datenbankanbindung Abbildung 29: Datenbankanbindung Die Anbindung an eine im internen Netz des ıfn befindliche MySQL-Datenbank erfolgte mittels TwinCAT Database Server. Die Beckhoff-Software Database Server, sowie die MYSQL-Datenbank selbst laufen auf einem, von der Steuerung räumlich getrennten Server. Der DB-Server arbeitet zyklisch oder per Anweisung bidirektional. Das heißt, dass Daten aus der Steuerung an die Datenbank vermitteln werden und auch aus der Datenbank in die Steuerung geschrieben werden können. Die Datenbank selbst ist Passwortgeschützt. Ähnlich der Teilanlagen im Versuchsstand sind die Daten der Messpunkte in logisch zusammenhängenden Gruppen in Tabellen der Datenbank zusammengefasst, damit auch bei eventuellen Problemen die Daten der nicht betroffenen Teilsysteme weitergeschrieben werden. 39

41 Abbildung 30: Datenbank-Konfigurationseditor Mit Hilfe des Konfigurationseditors (MySQL-Workbench 6.3) können in der Datenbank die Tabellen und Datensätze bearbeitet oder Anweisungen programmiert werden. Die Datenbankaufzeichnung kann mit dem Tastfeld auf der Startseite Daten loggen E/A gestartet oder gestoppt werden (siehe 3.1). Nach geplantem oder unvorhergesehenen Neustart des Systems wird das Daten loggen, so wie zuvor eingestellt wieder gestartet oder bleibt ausgeschaltet. Mit Hilfe der Datenbank wurden bereits erste automatisierte Steueranweisungen realisiert. So werden im Anlagenteil Solarthermie die Einschaltparameter der Pumpen P5 und P6 anhand von Datenbankeinträgen berechnet. 40

42 8.12. Datenpunkte In der Liste sind alle Elemente aufgeführt und die Verknüpfung mit der Datenbank dokumentiert. Abbildung 31: Datenpunktliste Ausblick Mit dem Aufbau des Versuchstandes und der schrittweisen Umsetzung des Steuerkonzeptes können im Rahmen von AP Langzeittests durchgeführt werden. 9. AP Aufbau Messtechnik und Durchführung von Langzeittests elektrisches und thermisches Energieversorgungssystem 9.1. Arbeitsstand Nachdem im AP das Messkonzept entwickelt wurde, soll in diesem AP der Aufbau erfolgen, um Langzeittests durchführen zu können. Mit dem Aufbau der Messtechnik ist eine Reihe von Arbeitsschritten verbunden. Dabei muss der ungehinderte Zugang zu den Datenpunkten gewährleistet sein. Zudem müssen die Datenpunkte so integriert werden, dass sie die entsprechenden Größen weitgehend unbeeinflusst aufzeichnen können. Neben der Festlegung von Anzahl und Verortung der Datenpunkte müssen Festlegungen für Messintervalle und Messgenauigkeit in entsprechenden Langzeittests überprüft werden. In den Tests werden zudem Betrieb und Wartung der Messpunkte ebenso untersucht, wie die Praktikabilität von Bezeichnung und Systematik der Datenpunkte. Die Datenkonvertierung sowie Datentransfer über das Monitoring-Werkzeug bis an die Datenbank wird ebenfalls in den Tests untersucht. 41