INNOVATIONEN AUS DER NATUR Energieeffizientes Textiles Bauen mit transparenter Wärmedämmung für die solarthermische Energiegewinnung nach dem Vorbild des Eisbärfells Eisbärbauten (EFRE UT 50) Denkendorf, 21. Oktober 2010 Konsortium Projektpartner 1. Labor Blum, Stuttgart 2. Wagner Tragwerke, Stuttgart 3. Arnold Isolierungen, Filderstadt 4. TAO Technologies GmbH, Stuttgart 5. Tinnit Technologies GmbH, Karlsruhe 6. Institut für Textil- und Verfahrenstechnik, Denkendorf 1
Ausgangssituation Ziel Textile Membranbauten besitzen folgende typische Eigenschaften: Materialeffizienz Leichtbaufähigkeit Transluzenz Transportfähigkeit aber unzureichende Wärmedämmung. Wird auf die Isolation verzichtet, verlieren die textilen Bauten ihre Vorteile gegenüber konventionellen Lösungen. Leichtes, textiles Gebäude für konditionierte Innenräume mit allen typischen Vorteilen in Kombination mit solarthermischer Energiegewinnung. Eisbär (ursus maritimus) Natürliches Vorbild: Lebensbereich: Fell und Haut des Eisbärs Eis im arktischen Ozean und umgebende Regionen Technisch relevante Charakteristiken: Dichtes isolierendes Fell mit farblosen Haaren Schwarze Epidermis mit Absorberfunktion Ursus maritimus Schwarze Haut des Eisbären 2
Eisbär, Infrarot-Emission Wärmeverlust durch Augen und Rachen Thermogramm des Polarbären Temperaturskala: -1 C (weiß) bis 34.9 C (schwarz) Eisbär, Solarfunktionen Farbloses Fell Schwarze Haut Fettschicht Sonnenstrahlung: Transfer zur Haut Wärmeisolation Infrarot Sperre 3
Bionisch inspirierte Transparente Wärmedämmung auf textiler Basis Beschichtetes Abstandstextil: flexibel Beschichtung transparent oder schwarz pigmentiert extrem lichtbeständige Fasern und Beschichtung UV Blocker belastbar bis 1 bar Innendruck Anwendungsbeispiele Flachkollektor Mit selektiver Beschichtung (IR Reflektion) Transparente Wärmeisolation Absorber für Luft Isolierung 4
Prinzip des Energiekonzepts im Falle einer Traglufthalle Solarstrahlung + 40 C Reflektor und Isolation - 10 C + 20 C Gastransport Absorber und Isolation + 20 C Wärmespeicher Wärmespeicher Prinzip des Energiekonzepts Aktiv, Sonnenstrahlung Außenhaut Strahlungsdurchlässige Isolation Wärmetransportschicht Gas z.b CO 2 oder Argon Absorber wird durch Strahlung erwärmt Innere Isolation Gebäudeisolation Gaspumpe Thermochemischer Speicher 5
Funktionsweise der Dachhaut Einfallende Solarstrahlung Äußere Isolation, strahlungsdurchlässige, transparente Isolation Spektrum der Solarstrahlung Fluidströmung Wärmeübergang vom Absorber zum Wärmeträger, Aufheizen des Fluids Innere Isolation, strahlungsdurchlässige Isolation Absorber, schaltbarer Reflektor Funktionsweise des Energiespeichers a) Konzept Latentwärmespeicher Schmelz -wärme Durch den Phasenübergang flüssig-fest kann mehr Energie bei niedriger Temperatur gespeichert werden. Höhere Energiedichte kleineres Volumen Niedrigere Temperatur weniger Verluste Ladung Speichermaterial schmilzt Entladung Speichermaterial erstarrt 6
Funktionsweise des Energiespeichers b) Konzept Sorptionsspeicher Ladung: Vorteil: Beliebige Speicherdauer Kalter Wärmeträger Heißer Wärmeträger trockene Luft Entladung feuchte Luft, Feuchtigkeitsabgabe des Speichermaterials Kein Wärmeträgerstrom Trockene, heiße Luft Feuchte kalte Luft (Erdwärmetauscher), Feuchtigkeitsaufnahme des Speichermaterials, Erwärmung der Luft durch Föhneffekt Ergebnisse der Berechnungen und Überlegungen Berechnungen / Annahmen für das Dach mit einer Fläche 10x10m Solare Einstrahlung 800 W/m² (Spitzenwert für Europa an Sonnentagen) Massenstrom 2g/s Inertgas Kanal 1 Eindimensionale Wärmeübergang in Kanälen (z.b. 20cm Breite, 5mLänge, 2cm Höhe), Inertgastemperatur von 110 C bei 20 Umgebungstemperatur nach einer Lauflänge von 5 m. Wirkungsgrad der Dachheizung angenommen mit ca. 12%. Dachleistung = 9,4 kw. 7
Ergebnisse der Berechnungen und Überlegungen Berechnungen für den Speicher Speichermaterial: Sorptionsspeicher (geeignet für 110 Desorptionstemperatur) Daraus ergibt sich: Maximal 25% Gewichtsprozent Beladung Kanal 1 Maximale Adsoprtionsenthalpie beträgt 625kJ/kg = 0,174 kwh/kg Raumluft mit 40% Luftfeuchtigkeit Daraus ergibt sich ein Temperaturhub von 20 C am Speicherausgang zur Heizung der Raumluft Ergebnisse der Berechnungen und Überlegungen Berechnungen für den Energieverbrauch Qualitätsstufe Standard Solarpassivhaus 15 kwh/m²jahr. Mit Wohnfläche von 100 m² : Energiebedarf von 125kWh / Monat. Kanal 1 Ein Thermospeicher von 720 kg Speichermasse reicht dafür aus. Ladungszeitraum des Speichers Bei Schönwetter im Hochsommer ( 4h mit 800W/m² Einstrahlung): Speicher lädt sich in ca. 4 Tagen voll auf. 8
Ergebnisse der Berechnungen und Überlegungen Folgerung für die technische Realisierung Das Eisbärhaus ist bestmöglichst für Wärme zu dämmen. Alle Gasleitungen zum Speicher sind extrem Kanal gut 1 zu dämmen. Eisbärdach: mit transparenter Oberfläche und schwarzem Absorber. Materialanforderung: mindestens 120 C dauerhaft. Qualitätsstufe: Standard Solarpassivhaus 15 kwh/m²jahr. Eisbärbauten Prüfstand: CFD Modell Kanal 1 Kanal 2 9
Eisbärbauten Prüfstand: CFD Modell Instrumentierung Kanal 1 Kanal 2 Eisbärbauten Prüfstand: CFD Modell Instrumentierung Kanal 1 Kanal 2 Volumenstrommessung: Druckmessung: Hitzdrahtanemometer oder Staudrucksonde Drucksensoren; direkt vor und nach der Membran 10
Eisbärbauten Prüfstand: Thermoboxen Kanal 1 Kanal 2 Labor Blum / Tinnit Nutzen, Erfolgserwartungen Gesellschaftlicher Nutzen Umweltfreundlich Stärkung der solarthermischen Energienutzung Stärkung der Region Wirtschaftlicher Nutzen Erschließung eines Marktes für energiegewinnende flexible Dachund Fassadenflächen weltweit Marktführerschaft in Ingenieurplanung in BW Herstellung und Produktion der Dach- und Wandflächen in BW Konfektionierung und Montage in BW Innovationen Membran mit Wärmetransportschicht Flexible Aerogelschichten als Membranen Einsatz von Sorptionsspeicher für diese Anwendung 11
Förderung Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Projektleitung: Dr. Thomas Stegmaier thomas.stegmaier@itv-denkendorf.de Tel.: +49 (0)7 11/93 40-219 Fax: +49 (0)7 11/93 40-297 www.itv-denkendorf.de Körschtalstrasse 26 D-73770 Denkendorf 12