DE102016123739A1

DE102016123739A1 - Granulat zur Speicherung von Wärme und ein Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102016123739A1
Application number: DE102016123739.6A
Authority: DE
Inventors: Eddie Koenders; Christoph Mankel
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2016-12-08
Filing date: 2016-12-08
Publication date: 2018-06-14

Abstract

Es ist ein Granulat zur Speicherung von Wärme in Wänden offenbart. Das Granulat umfasst: ein rezykliertes Bruchmaterial (110), das ein Komposite aus verschiedenen Baumaterialien (111, 112, 113) ist und eine poröse Struktur (115) aufweist; und ein Phasenwechselmaterial (120), das die poröse Struktur (115) zumindest teilweise füllt und ausgebildet ist, um einen Phasenübergang zwischen einer festen und einer flüssigen Phase auszuführen und um die Wärme als latente Wärme zu speichern, wobei eine Porengröße der porösen Struktur und das Phasenwechselmaterial (120) ausgebildet sind, um das Phasenwechselmaterial (120) auch in der flüssigen Phase in der porösen Struktur (115) zumindest teilweise zu halten.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Granulat zur Speicherung von Wärme und ein Verfahren zur Herstellung eines wärmespeichernden Granulats und insbesondere auf ein Wärmeenergiespeichergranulat aus rezyklierten Gesteinskörnungen.
Hintergrund
Jährlich fallen mehrere Millionen Tonnen Bauschutt an, der durch spezielle Aufbereitungsmaßnahmen in gebrochene Materialien umgewandelt und teilweise als rezyklierte Gesteinskörnungen (Bruchmaterial) in Form von Füllstoffen erneut in den Wertstoffkreislauf zurückgeführt werden kann. Als Teil des gesamten Bauschuttaufkommens fällt außerdem ein beträchtlicher Anteil an Brechsand an, der nach bisherigem Stand der Technik nahezu keine Anwendung findet und direkt deponiert wird. Nur geringe Mengen von beispielsweise maximal 2 Masse-% dürfen den Recyclingwertstoffen zugeführt werden. Aus diesem Grund wird das Material auf großen Flächen gelagert und kann derzeit nicht zufriedenstellend genutzt werden. Abgesehen davon fallen für die Lagerungen hohe Kosten als Deponiekosten an.
Zusätzlich zum Brechsand fallen jährlich auch viele Millionen Tonnen Porenbetonbruch an. Nur geringe Mengen davon können beispielsweise in Form von Katzenstreu oder Ölbinder wiederverwendet werden. Aufgrund der fehlenden Einsatzmöglichkeiten für rezyklierten Porenbeton nehmen Recyclingfirmen nur einen Bruchteil der anfallenden Mengen in ihr Sortiment auf. Produzierende Unternehmen behalten die größten Mengen selbst auf Deponien und sorgen somit zunehmend für eine Vergrößerung des Flächenanspruchs.
Der offene Porenraum führte außerdem im Rahmen des Einsatzes von Brechsand und insbesondere von Porenbetonbruch in Recyclingbaustoffen in der Vergangenheit regelmäßig zu Problemen. Der sehr große Porenraum veranlasst zum einen eine Festigkeitsreduktion und zum anderen verfügt Porenbeton über ein starkes kapillares Saugvermögen. Dies führt zu einer Verringerung der Dauerhaftigkeit und zu einer schlechteren Verarbeitbarkeit des entsprechenden Baustoffes.
Somit bleiben große Mengen auf Deponien verbrachten Bauschutts bisher ungenutzt und es besteht daher ein Bedarf, diesen Bauschutt sinnvoll einzusetzen.
Zusammenfassung
Zumindest ein Teil der oben genannten Probleme werden durch ein Granulat nach Anspruch 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte Weiterbildungen der beanspruchten Gegenstände.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Granulat zur Speicherung von Wärme in Wänden. Das Granulat umfasst ein rezykliertes Bruchmaterial und ein Phasenwechselmaterial (PCM). Das rezykliertes Bruchmaterial umfasst ein Komposit aus verschiedenen Baumaterialien und weist eine poröse Struktur auf. Das Phasenwechselmaterial füllt zumindest teilweise die poröse Struktur und ist ausgebildet, um einen Phasenübergang zwischen einer festen und einer flüssigen Phase auszuführen und so die Wärme als latente Wärme zu speichern. Eine Porengröße der porösen Struktur und das Phasenwechselmaterial sind ausgebildet, um das Phasenwechselmaterial auch in der flüssigen Phase in der porösen Struktur zumindest teilweise zu halten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll als Granulat oder rezykliertes Granulat jeder Feststoff verstanden werden, der geschüttet werden kann. Typischerweise wird das (rezyklierte) Granulat als ein Verbundwerkstoff mehrere Bereiche oder gesteinsförmige Teile verschiedener Größe und Form umfassen. Die poröse Struktur in dem Baumaterial ist beispielsweise ausgebildet, um ausreichend große Kapillarkräfte für das Phasenwechselmaterial zu erzeugen und so das Phasenwechselmaterial in der porösen Struktur möglichst vollständig zu halten. Es versteht sich, dass dies ebenfalls eine Einschränkung an das Phasenwechselmaterial ist, welches eine Viskosität in der flüssigen Phase aufweisen sollte, die ein Herausfließen des Phasenwechselmaterials aus der porösen Struktur verhindert oder zumindest weitestgehend abschwächt.
Daher lösen Ausführungsbeispiele zumindest einen Teil der oben genannten Probleme durch die Verwendung der porösen Struktur des Baumaterials zu Einbringung von Phasenwechselmaterial, wodurch eine verbesserte Wärmespeicherfähigkeit - nicht nur des Granulates - sondern auch von Wänden erreicht wird, die aus dem Granulat zumindest teilweise gefertigt sind.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das Komposit bzw. das rezyklierte Bruchmatetrial zumindest eine oder mehrere der folgenden Komponenten: Beton, Porenbeton, Ziegel, Zement, Mörtel, Gesteine, Verklebemasse, Brechsand. Das Komposit weist insbesondere mehr als zwei verschiedene Komponenten auf, die jeweils in einem Granulatstück vorhanden sein können. Außerdem können die Komponenten Bereiche im Komposit bilden, die verschiedene Größen und/oder unterschiedliche Strukturen aufweisen und inhomogen verteilt sind. Es ist nicht erforderlich, dass alle Komponenten des rezyklierten Bruchmaterials die poröse Struktur aufweisen, solange zumindest einige Komponenten porös sind.
Bei Ausführungsbeispielen umfasst die poröse Struktur beispielsweise eine Porosität von 40 bis 80 Vol-% (oder von 50 bis 70 Vol-%). Optional kann ein Anteil des Phasenwechselmaterials in der porösen Struktur in einem Bereich zwischen 8 und 60 Masse-% (oder zwischen 10 und 20 Masse-%) liegen.
Die Schmelztemperatur und/oder die Erstarrungstemperatur (Gefrierpunkt) des Phasenwechselmaterials können bei einer gleichen Temperatur liegen - müssen jedoch nicht zwingenderweise die gleiche Temperatur sein. Idealerweise ist jedoch die Hysterese beim Übergang zwischen der flüssigen und der festen Form möglichst klein, um Verluste gering zu halten. Daher liegen die Schmelztemperatur und die Erstarrungstemperatur beispielsweise in einem Bereich von 5°C bis 45°C. Optional kann eine Differenz zwischen beiden Temperaturen maximal 5°C oder 3° C betragen. Insbesondere können die Schmelztemperatur und die Erstarrungstemperatur zwischen 20°C und 25°C liegen, um eine typische Zimmertemperatur durch die stattfindenden Phasenübergänge möglichst konstant zu halten. Das Phasenwechselmaterial bewirkt, dass nur nach längerer Hitzeeinstrahlung eine gewünschte Zimmertemperatur überschritten wird, die aufgrund der gespeicherten latenten Wärme selbst dann aufrechterhalten wird, wenn die äußere Wärmeeinstrahlung sich verringert (z.B. während der Nacht).
Die genannten Eigenschaften können beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Phasenwechselmaterial ein organisches Material aufweist. Optional kann es Paraffin-basiert oder Fett-basiert sein.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Wand mit zumindest einem Bereich, der ein zuvor definiertes Granulat aufweist. Das Granulat kann beispielsweise in einem Oberflächenbereich der Wand gebunden sein (z.B. mittels eines Bindemittels), wobei der Granulat-enthaltende Wandbereich beispielsweise eine Dicke senkrecht zur Wand von zumindest 1 cm aufweisen kann und/oder sich senkrecht zur Wand über zumindest 10 % oder zumindest 30% oder über zumindest 60% der gesamten Wanddicke erstrecken kann und/oder eine variierende Granulatdichte aufweisen kann. So kann beispielsweise auf einer Wandoberfläche (außen oder innen) eine sehr hohe Konzentration von dem Granulat vorliegen, die langsam in Richtung zur Wandmitte abnimmt. Um die Wandmitte herum kann beispielsweise ein Bereich sein, der vor allem der Tragfähigkeit dient, wo kaum oder kein Granulat vorhanden ist. Es kann aber auch genauer der umgekehrte Fall ausgebildet sein, d.h. der Innenbereich dient der Wärmespeicherung (d.h. stellt den Granulat-enthaltene Wandbereich dar) und der Außerbereich stellt die Tragfähigkeit sicher.
Die Wand kann eine Außenwand oder eine Innenwand sein. Bei einer Verwendung des Granulats für eine Innenwand kann beispielsweise die Innenwand mehr oder weniger vollständig aus dem Granulat gefertigt sein (beispielsweise unter Nutzung des Bindemittels). Bei einer Außenwand kann das Granulat beispielsweise nur in einem Randbereich vorhanden sein. In einem zentralen Bereich kann ein Baustoff genutzt werden, der als tragender Bestandteil die nötige Tragfähigkeit der Wand gewährleistet. Es kann aber auch ein Hohlraumbereich in der Wand durch das Granulat befüllt werden, wobei die äußeren Wandbereiche die gewünschte Tragkraft der Wand bereitstellen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines wärmespeichernden Granulats. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines rezyklierten Bruchmaterials, das ein Komposit aus verschiedenen Baumaterialien ist und eine poröse Struktur aufweist, und Einbringen eines Phasenwechselmaterial in die poröse Struktur unter Nutzung von Kapillarkräften. Das Phasenwechselmaterial ist ausgebildet, um einen Phasenübergang zwischen einer festen und eine flüssigen Phase auszuführen und um die Wärme als latente Wärme zu speichern, wobei eine Porengröße der porösen Struktur und das Phasenwechselmaterial wieder derart angepasst sind, dass das Phasenwechselmaterial auch in der flüssigen Phase in der porösen Struktur zumindest teilweise gehalten wird.
Optional umfasst der Schritt des Einbringens folgende Schritte: Betropfen des rezyklierten Bruchmatetrials mit dem Phasenwechselmaterial und, daran anschließend, Eintauchen des rezyklierten Bruchmatetrials in das Phasenwechselmaterial. Außerdem umfasst das Verfahren ein Entfernen von Resten von Phasenwechselmaterial an einer Oberfläche des rezyklierten Bruchmatetrials. Optional kann dies durch ein Mahlen des Granulats bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials geschehen.
Das Betropfen des rezyklierten Bruchmaterials mit dem Phasenwechselmaterial bewirkt, dass das Bruchmaterial teilweise mit dem Phasenwechselmaterial benetzt wird, ohne dass die Hohlräume gefüllt oder verschlossen werden. Hierzu kann das Phasenwechselmaterial in die flüssige Phase gebracht werden. Das hat den Vorteil, dass das anschließende Eintauchen zu einer Befüllung der porösen Struktur führen kann. Wenn beispielsweise das Betropfen nicht durchgeführt wird, kann das sofortige Eintauchen dazu führen, dass der Randbereich der porösen Struktur vollständig mit dem Phasenwechselmaterial abgedichtet wird und die in der porösen Struktur vorhandene Luft nicht mehr entweichen kann, sodass sich nur eine unzureichende Auffüllung mit Phasenwechselmaterial ergibt.
Optional kann der Schritt des Einbringens auch ein Bespritzen des Bruchmaterials mit Phasenwechselmaterial umfassen, was zu einer fortschreitenden Durchtränkung des Bruchmaterials führt.
Optional umfasst der Schritt des Entfernens von Resten ein Vermischen des mit Phasenwechselmaterial befüllten rezyklierten Bruchmaterials mit einem Brechsand (z.B. in einer Mühle oder einem Mischer), sodass zumindest ein Oberflächenbereich des rezyklierten Bruchmaterials von dem Phasenwechselmaterial befreit wird und das freiwerdende Phasenwechselmaterials durch den Brechsand aufgenommen wird.
Optional wird das Einbringen des Phasenwechselmaterials zumindest teilweise bei einem Unterdruck ausgeführt. Hierdurch wird zunächst die Luftmenge in der porösen Struktur verringert, sodass auch potentielle Lufteinschlüsse kleiner sind (bei einem anschließenden Normaldruck). Außerdem führt der Unterdruck dazu, dass nach dem anschließenden Erhöhen des Druckes (z.B. auf normalen Luftdruck) das Phasenwechselmaterial durch den Druckanstieg in das Granulat hineingedrückt oder hineingesaugt wird. In jedem Fall können so die verbleibenden Lufteinschlüsse minimiert werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bieten die folgenden Vorteile:

1. Es ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten von Brechsand und Porenbetonbruch, die bisher weitestgehend auf Deponien gelagert werden. Versuche haben gezeigt, dass diese Kombination ein erhebliches Potenzial an Wärmespeicherfähigkeit aufweist. Bisher auf Deponien verbrachter Bauschutt kann daher sinnvoll eingesetzt werden, wobei entsprechend angepasste Brechtechniken, PCM-Befüllungen, Nachbehandlungen und Verpackungen der PCM-Rezyklate in abgestuften Gebindegrößen verwendet werden können.
2. Der offene Porenraum sorgte beim Einsatz im Betonbau in der Vergangenheit regelmäßig für Probleme, da der sehr große Porenraum zu einer Festigkeitsreduktion führt und andererseits ein starkes kapillares Saugvermögen in den konventionellen Rezyklaten verursachte, was die Dauerhaftigkeit verminderte und eine schlechte Verarbeitbarkeit des Frischbetons nach sich zog. Ausführungsbeispiele nutzen diese Nachteile in vorteilhafter Weise, indem der genannte Porenraum mit nicht verkapseltem PCM gefüllt wird.
3. Phasenwechselmaterialien sind in der Lage, durch den Wechsel ihres Aggregatzustandes (beispielsweise zwischen dem Festen zu dem Flüssigen) eine um ein Vielfaches größere Menge an Wärmeenergie zu speichern, als dies für klassische Baustoffe der Fall ist. Daher können Ausführungsbeispiele das Wärmespeichergranulat aus rezyklierter Gesteinskörnung als Zuschlagmaterial für Beton, Mörtel oder Putzsysteme zur Speicherung von Wärmeenergie nutzen.
4. Die Nutzung der Porenräume und deren Verschluss durch das PCM führt außer zu einer Erhöhung der Wärmespeicherkapazität auch zu einer Verringerung oder Verhinderung des starken Wassersaugens. Auf diese Weise wird ein anfänglicher Nachteil in einen großen Vorteil auf sehr effiziente Weise umgekehrt.

Die Vorteile betreffen jedoch nicht nur eine sinnvolle Nutzung von bisher deponierten Bauschutt, sondern auch eine effiziente und flexibel einsetzbare Wärmspeicherfähigkeit. So basieren bekannte Systeme zur Wärmespeicherung im Bauwesen beispielsweise auf Salzhydrat-Metallbeuteln, die beispielsweise an hinterlüfteten Zwischendecken einer Stahlbetonkonstruktion eingebracht werden können, um Wärmespeichereffekte zu erzielen. Dies sind passive Systeme, die vorwiegend zum Heizen, aber auch zum Kühlen eines Raumes dienen. Außerdem sind transparente Fassadenelemente zur Wärmespeicherung bekannt, die beispielsweise aus mehreren Schichten bestehen, wobei eine PCM-Schicht auf der dem Raum zugewandten Seite die Wärme der einfallenden Sonnenstrahlung speichert und eine Mehrfachverglasung der Fassade Wärmeverluste verhindert. Ein dazwischen befindliches Prismaglas lässt die Sonnenstrahlen nur bei flachem Einstrahlwinkel passieren (beispielsweise im Winter) und schützt somit den Raum im Sommer vor Überhitzung. Weitere Systeme sind bekannt, bei denen die aktive Kühlung auf die Nacht verschoben wird und überschüssige Energie in PCM-Speichern akkumuliert wird. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um eine spezielle Form einer Klimaanlage. Ebenso sind leichte Gesteinskörnungen mit PCM bekannt (z. B. Blähton, Bimsstein etc.). Diese bestehen jedoch nicht aus rezyklierter Gesteinskörnung und verbrauchen entweder Rohstoff oder benötigen einen hohen Energieaufwand während der Produktion.
Im Gegensatz zu diesen bekannten Wärmeregulierungssystemen, brauchen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung keinen zusätzlichen Bauraum zur Unterbringung der Wärmespeicher. Vielmehr werden Hohlräume genutzt, die der Baustoff, das rezyklierte Bruchmaterial, in ausreichender Menge aufweist. Auch die Bereitstellung in Form eines Granulats erlaubt eine weitestgehend freie Gestaltung bei der Nutzung.
Figurenliste
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Granulats gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt beispielhaft ein Granulatstück mit mehreren Materialien.
3 zeigt eine Wand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine weitere Wand gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.
5 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens zur Herstellung des Granulats.
6 veranschaulicht eine Tauchtechnik bei der Herstellung des Granulats.
7 veranschaulicht eine Spritztechnik bei der Herstellung des Granulats.

Detaillierte Beschreibung
1 zeigt ein Granulat, welches zur Speicherung von Wärme in Wänden geeignet ist und im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Wärmespeichergranulat bezeichnet wird. Das Granulat umfasst ein rezykliertes Bruchmaterial 110, das ein Komposit oder Verbundwerkstoff aus verschiedenen Baumaterialien 111, 112, 113 ist und eine poröse Struktur 115 aufweist. Außerdem umfasst das Granulat ein Phasenwechselmaterial 120, das die poröse Struktur 115 zumindest teilweise füllt und ausgebildet ist, um einen Phasenübergang zwischen einer festen und einer flüssigen Phase auszuführen. Die Wärme wird dann als latente Wärme gespeichert. Die poröse Struktur 115 weist eine Porengröße auf, die an das Phasenwechselmaterial 120 derart angepasst ist, dass das Phasenwechselmaterial 120 auch in der flüssigen Phase in der porösen Struktur 115 zumindest teilweise gehalten wird.
Beispielsweise können Paraffine als Phasenwechselmaterial 120 genutzt werden, um zumindest teilweise die Porenräume und/oder die Spalten der porösen Struktur 115 zu füllen und gleichzeitig zu versiegeln. Dadurch wird einerseits die unerwünschte Kapillarität verhindert und andererseits kommt es zu einer Erhöhung der Wärmespeicherkapazität. Daher führt das Nutzen der Porenräume zum Einbringen von Paraffinen dazu, dass die poröse Struktur weniger stark Wasser ansaugt und ein potenzieller Nachteil von porösen Baumaterialien in einen Vorteil umgekehrt wird.
2 zeigt beispielhaft ein einzelnes Granulatstück 110, welches das Granulat beispielhaft aufweisen kann. Das Granulatstück 110 umfasst ein erstes Gesteinsmaterial 111 (z.B. ein Stein), ein zweites Material 112 (beispielsweise Porenbeton) und ein drittes Material 113 (beispielsweise ein rissiger Mörtel). Das erste Material 111 braucht beispielsweise keine Porenstruktur aufzuweisen, sondern kann ein beliebig verfestigtes Gesteinsmaterial sein. Das zweite Material 112 weist beispielsweise eine Porenstruktur 115a und das dritte Material 113 eine Vielzahl von Rissen 115b auf. Die Risse 115b und die Porenstruktur 115a bilden die poröse Struktur 115 des Granulats, die mit dem Phasenwechselmaterial 120 bei der Herstellung des wärmespeichernden Granulats zu befüllen sind. Das Resultat ist beispielsweise in der 1 zu sehen. Die verschiedenen Materialien oder Komponenten können jedoch ebenso einzeln vorliegen und brauchen nicht notwendigerweise miteinander verbunden sein.
Der Porenraum in dem Gesteinsbruch kann sich daher aus Anteilen von anhaftendem Mörtel 113 an den natürlichen Gesteinskörnern 111 eines beispielhaften Betonbruches bzw. aus einem Anteil poröser Komponenten 112 innerhalb des beispielshaften Porenbeton (oder anderem Recyclingmaterials) ergeben.
Porenbetonbruch ist für die gewünschte Wärmspeicherung besonders geeignet. Es weist beispielsweise eine offene Porosität von ca. 50 Vol.-% bis 70 Vol.-% auf und hat eine Aufnahmefähigkeit von bis zu 60 Masse-% für das PCM 120 und bietet daher ein großes Potential zum Einbringen von PCM 120. Die Kombination des PCM 120 mit Bruchmaterial verschiedener Körnungen, wie beispielsweise feinkörnigem PCM-Brechsand und PCM-Porenbetonbruch in abgestufter Körnung, ermöglicht außerdem die Erzielung einer geeigneten Kornpackungsdichte mit maximaler Energiespeicherfähigkeit.
3 zeigt beispielhaft eine Anwendung des Granulats als Wärmespeichergranulat für eine Wand 200. Die Wand 200 weist beispielhaft einen ersten Bereich 210 und einen zweiten Bereich 220 auf. In dem ersten Bereich 210 (beispielsweise ein Außenbereich oder Innenbereich der Wand) ist das Granulat über ein Bindemittel 130 zu einer Schicht gebunden, die auf dem zweiten Bereich 220 der Wand 200 ausgebildet ist. Der erste Bereich 210 kann beispielsweise ein äußerer Putzbereich sein oder auch eine Wandoberfläche einer Innenwand darstellen. Der zweite Wandbereich 220 umfasst beispielsweise einen tragenden Wandbaustoff, um die notwendige Stabilität (Tragkraft) der Wand sicherzustellen. Daher kann das Granulat als ein PCM-Putzsystem, in welchem das Wärmespeichergranulat integriert ist, genutzt werden. So kann das Wärmespeichergranulat als Zuschlagmaterial in eine Bindemittelmatrix 130 mineralisch gebundener Baustoffsysteme integriert werden. Möglich sind hierbei beispielsweise Wärmespeicherfertigteilwände aus Beton, Wärmespeicherputzsysteme, Wärmespeichermauersteine und andere Baumaterialien.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Integration des Wärmespeichergranulats in Wärmespeicherfertigteilwänden, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Wand beidseitig Bereiche 210a, 210b umfasst, in denen das Wärmespeichergranulat integriert ist. Die Fertigteilwand 200 umfasst wiederrum einen tragenden Abschnitt 220, der zwischen den beiden Randbereichen 210a, 210b ausgebildet ist und den tragenden Wandbestandteil darstellt. Der tragende Wandbestandteil 220 umfasst beispielsweise eine normale Gesteinskörnung 221, die aus vielen Gesteinen verschiedener Größe bestehen kann, die über ein Bindemittel 130 miteinander verbunden sind. Das Bindemittel 130 zur Verbindung der normalen Gesteinskörner 221 kann beispielsweise das gleiche Bindemittel sein, welches das Wärmespeichergranulat bindet. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass das Wärmespeichergranulat mit einem anderen Bindemittel (z.B. als Putzmittel) zunächst gebunden wird und anschließend beidseitig auf dem tragendenden Abschnitt 220 aufgebracht wird.
Es versteht sich, dass das Granulat aber auch in einem Hohlraumbereich innerhalb der Wand 200 eingebracht werden kann und die äußeren Wandbereiche dann die gewünschte Tragkraft der Wand bereitstellen.
Aufgrund der transienten Randbedingungen und des Temperaturverlaufes innerhalb des Bauteilquerschnitts (z.B. der Wand 200) können vorteilhafterweise die Schmelztemperaturen der genutzten PCMs 120 an den Temperaturgradienten angepasst werden, um so eine optimale Ausnutzung der Randzonen in Abhängigkeit der Bauteiltemperatur der Recyclingenergiespeicherwand zu erreichen. So kann beispielsweise der eine Randbereich 210a ein anderes PCM aufweisen als der andere Randbereich 210b.
5 zeigt ein Flussdiagram für ein Verfahren zum Herstellen des Granulats zur Speicherung von Wärme (Wärmespeichergranulat). Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Bereitstellen S110 eines rezyklierten Bruchmaterials 110, das ein Komposite aus verschiedenen Baumaterialien ist und eine poröse Struktur 115 aufweist, und
- Einbringen S120 eines Phasenwechselmaterial 120 in die poröse Struktur 115 unter Nutzung von Kapillarkräften.

Die Porengröße der porösen Struktur 115 und das Phasenwechselmaterial 120 werden derart angepasst, dass das Phasenwechselmaterial 120 auch in der flüssigen Phase in der porösen Struktur 115 zumindest teilweise gehalten wird.
Bei dem Einbringen S120 des Phasenwechselmaterial 120 sollte eine vollständige Verkapselung des Granulats vorteilhafterweise verhindert werden. Dies hätte nämlich zur Folge, dass die Mobilität des Phasenwechselmaterials 120 in der flüssigen Phase innerhalb der Porenstruktur 115 eine Volumenänderung während des Phasenwechsels bewirkt. Außerdem ist die Reaktivität mit der Umgebung durch atmosphärische Einflüsse nachteilig.
6 und 7 veranschaulichen beispielhaft weitere Details von zwei möglichen Herstellungsverfahren des Granulats: unter Nutzung einer Tauchtechnik (6) oder unter Nutzung einer Spritztechnik (7).
Bei der Nutzung der Tauchtechnik erfolgt beispielsweise zunächst (siehe 6A) eine Tränkung des rezyklierten Bruchmaterials 110 mit dem Phasenwechselmaterial 120, welches sich dazu in der flüssigen Phase befindet. Nach der Tränkung kann optional ein Abtropfschritt ausgeführt werden (siehe 6B), wodurch anhaftendes Phasenwechselmaterial 120 abtropft. Die 6C zeigt einen optionalen Transportschritt zur Oberflächenbehandlung des getränkten rezyklierten Bruchmaterials 110, die in der 6D beispielhaft gezeigt ist. Während des Transportes kann es zu einer Abkühlung und Erstarrung des Phasenwechselmaterials 120 kommen. Es muss aber nicht dazu kommen (siehe unten). Bei der Oberflächenbehandlung erfolgt in dem gezeigten Beispiel eine Reinigung des getränkten rezyklierten Bruchmaterials 110 in einer Reinigungsmühle 400. Aufgrund einer (wechselseitigen oder einseitigen) Drehbewegung der Reinigungsmühle 400 kommt es zu einem Abschleifprozess von überschüssigem PCM 120 von der Oberfläche des Bruchmaterials 110. Dies hat den Vorteil, dass die Gesteinsoberfläche des Bruchmaterials 110 nicht durch Phasenwechselmaterial 120 bedeckt ist und so keine Verkapselung des Bruchmaterials 110 erfolgt. Daher kann Wärme leicht in das Bruchmaterial 110 eindringen und das Phasenwechselmaterial 120 im Innern des Bruchmaterials 110 kann ohne größere Verzögerung schmelzen bzw. erstarren.
Abschließend wird, wie in der 6E gezeigt, das gereinigte, getränkte, rezyklierte Bruchmaterial 110 als das Granulat abtransportiert.
Bei dem zur Intrusion von PCM 120 in den Porenraum 115 der rezyklierten Gesteinskörnung 110 genutzten Tränkverfahren wird das Phasenwechselmaterial 120 zunächst bis auf seine Schmelztemperatur erhitzt, um den Schmelzvorgang zu aktivieren und das PCM 120 in die flüssige Phase zu bringen. Anschließend können die getrockneten Rezyklate 110 langsam mit dem flüssigen PCM 120 betropft werden, um Lufteinschlüsse in dem Porensystem 115 zu verhindern. Im Anschluss daran kann eine vollständige Tauchung des Bruchmaterials 110 in einem PCM-Bad 120 geschehen (siehe 6A). Über die Kapillarkräfte werden die Poren 115 der rezyklierten Gesteinskörnung 110 befüllt. Die Temperatur kann dabei über den gesamten Befüllprozess hinweg über der Schmelztemperatur des PCM 120 gehalten werden.
Die Nachbehandlung der Rezyklatoberflächen (siehe 6D) kann wie folgt vorteilhaft ausgeführt werden. Bei dem oben beschriebenen Befüllverfahren bleibt überschüssiges PCM 120 an der Oberfläche des Rezyklats haften. Um Trennflächenversagen an der Schnittstelle zwischen Rezyklat und Bindemittelmatrix 130 zu vermeiden, werden PCM-Reste von dem Rezyklat schonend entfernt, ohne notwendigerweise PCM 120 aus der Porenstruktur 115 zu lösen. Die mit PCM 120 befüllten Rezyklate 110 werden nach der Intrusion zusammen mit einer kleineren ungefüllten Rezyklatfraktion (z.B. Brechsand) in die Reinigungsmühle 400 gefüllt. Durch Rotationsbewegungen der Mühle 400 kann das überschüssige PCM 120 von den größeren Rezyklaten durch die kleineren ungefüllten Gesteinskörner (von dem beispielhaften Brechsand) abgeschliffen, respektive abgewaschen werden. Das überschüssige PCM 120 bindet sich nun an den kleinen, unbefüllten Gesteinskörnern des beispielhaften Brechsandes. Durch das gezielte Aufrechterhalten der Schmelztemperatur wird das restliche PCM 120 durch Kapillarwirkungen direkt in den Brechsand intrudiert. Mit dieser Technik kann ein kontinuierlicher Produktionsprozess zur Intrusion von PCM 120 in grobe und feine Gesteinskörnungsfraktionen erreicht werden.
Diese Nachbehandlung bietet Vorteile für die Aktivierung des PCM-Systems. Die Wärmeenergie zur Veränderung des Aggregatzustandes des PCM wird durch die Wärmeenergieübertragung von der Umgebung auf ein Bauteil und dann über die PCM-Trägermatrix 130 des Baustoffes (wie beispielsweise eine Zementsteinmatrix) auf das integrierte PCM stattfinden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sowohl die Baustoffe als auch eine PCM-Trägermatrix 130 über eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit verfügen. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des PCM 120 und des Füllmaterials ermöglichen insbesondere mikroverkapselte Systemlösungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, nur eine mäßige thermische Aktivierung (d.h. das PCM wird nur teilweise in den flüssigen Aggregatzustand überführt). Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindungen stellt bei diesen Systemen der Phasenwechsel von fest zu flüssig häufig ein besonderes Problem dar. Temperaturdifferenzen innerhalb eines Tag-/Nachtintervalls reichen dann häufig nicht aus, um das PCM 120 wieder zu einem Phasenwechsel in den festen Zustand zu bringen. Das hat zur Folge, dass das PCM 120 im nächsten Warm-Kalt-Zyklus keine Energie speichern kann.
Bei der Nutzung der Sprühtechnik erfolgt beispielsweise zunächst (siehe 7A) ein Besprühen des rezyklierten Bruchmaterials 110 mit dem Phasenwechselmaterial 120, welches sich wiederum in der flüssigen Phase befindet. Das Besprühen kann durch eine Sprüheinrichtung 410 erfolgen, die beispielsweise flüssiges Phasenwechselmaterial 120 zerstäubt und so tropfenweise auf das Bruchmaterial 110 bringt. Optional kann kontinuierlich während des Besprühens oder danach eine Rütteleinrichtung 420 das Bruchmaterials 110 vor- und zurückbewegen oder auch Durchschütteln, um eine vollständige Benetzung des Bruchmaterials 110 mit dem flüssigen Phasenwechselmaterial 120 zu erreichen. Das flüssigen Phasenwechselmaterial 120 dringt wiederum über die Kapillarkräfte ins Innere des Bruchmaterials 110 ein und das Besprühen kann solange erfolgen, bis eine vollständige oder ausreichende Befüllung oder ein gewünschter Füllgrad erreicht ist.
Nach dem Besprühen kann optional wieder ein Transportschritt (siehe 7B) zur Oberflächenbehandlung des besprühten rezyklierten Bruchmaterials 110 erfolgen, der in der 7C beispielhaft gezeigt ist. Während des Transportes kann das Phasenwechselmaterial 120 wieder erstarren oder es verbleibt flüssig. Bei der Oberflächenbehandlung erfolgt in dem gezeigten Beispiel eine Reinigung des getränkten rezyklierten Bruchmaterials 110 in einer Reinigungsmühle 400. Wie auch in der 6 kann aufgrund der Drehbewegung (z.B. mit wechselseitigen Drehsinn) der Reinigungsmühle 400 es zu einem Abschleifprozess von überschüssigem PCM 120 von der Oberfläche des Bruchmaterials 110 kommen. Dies bietet wieder den Vorteil, dass die Gesteinsoberfläche des Bruchmaterials 110 nicht durch Phasenwechselmaterial 120 bedeckt ist und so keine Verkapselung des Bruchmaterials 110 erfolgt.
Beispielhaft werden für das Wärmespeichergranulat PCMs 120 auf Paraffinbasis verwendet. Diese Materialien weisen gut kontrollierbare physikalische Eigenschaften auf. Hierzu zählen beispielsweise eine hohe Kristallinität, Zyklenstabilität, keine Unterkühlung, nahezu keine Volumenzunahme während des Phasenwechsels und ein chemisch inertes Verhalten. Durch Paraffine mit individuell steuerbaren Kettenlängen und anschließender Homogenisierung der Mischung können Enthalpie-Spitzen des PCMs 120 kontrolliert werden. Beispielsweise weist das Paraffinmaterial RT25HC (der Firma Rubitherm) eine Wärmespeicherfähigkeit von ca. 230 kJ/kg in einem Temperaturbereich von 16°C bis 31°C auf. Das Enthalpie-Maximum befindet sich bei 25°C.
Um das Eindringen des PCM 120 in das Bruchmaterial 110 zu erleichtern, kann auch eine geeignete Gesteinskörnung genutzt werden. Beispielsweise können vier typische Rezyklathauptgruppen verwendet werden: Recycling 0/32 (d.h. von 0 bis 32 mm Korngröße), Recyclingbrechsand 0/4, Ziegelbruch 0/32 und Porenbeton, welcher in Korngröße von 0 mm bis 16 mm gebrochen wird. Hierbei können beispielsweise zunächst unterschiedliche Korngrößen abgesiebt werden. Im Anschluss werden selektierte Rezyklatgruppen in Form von Rezyklatmischungen erzeugt, um die zu erwartenden starken Streuungen der Eigenschaften der einzelnen Rezyklate zu relativieren und eine optimierte Funktionalität zu gewährleisten.
Ausführungsbeispiele zur Herstellung des Wärmespeichergranulats umfassen somit insbesondere die folgenden Schritte:

1. Auswahl einer geeigneten Gesteinskörnung und einer optionalen Aufbereitung,
2. Intrusion der offenen Porenräume der Rezyklate 110 mit Phasenwechselmaterialien 120 (z. B. durch ein Tränkverfahren oder Sprühverfahren), und Nachbehandlung der Rezyklatoberfläche (z. B. unter Nutzung von Brechsand innerhalb einer Mühle 400).

Im Gegensatz zu den bekannten Systemlösungen weisen Ausführungsbeispiele die folgenden Vorteile auf:

- Es ist keine Mikroverkapselung nötigt, wodurch sich der Energieaufwand senken lässt.
- Außerdem wird der gerätetechnologische Standard bei Ausführungsbeispielen verringert und somit können die Kosten zur Herstellung weiter gesenkt werden.
- Das Tauchverfahren und das Sprühverfahren sind weitaus günstigere Produktionstechniken als die Mikroverkapselungsverfahren aus dem Stand der Technik.
- Für Hersteller von rezyklierten Gesteinskörnungen öffnen sich neue Möglichkeiten der Nutzung des Bruchmaterials.
- Mittels neu zu entwickelnder Brechtechnik, PCM-Befüllung, Nachbehandlung und Verpackung der PCM-Rezyklate in abgestufte Gebindegrößen können Rezyklate weiter verarbeitet werden.
- Das Produktportfolio von Recyclingherstellern wird durch Energiespeichergesteinskörnungen deutlich erweitert und eine Umsatzsteigerung und personelle Vergrößerung bei erfolgreichem Projektverlauf ist allein schon durch die wegfallende Deponierung und die neuen Arbeitsschritte zu erwarten.
- Das Wärmespeichergranulat kann beispielsweise in Form von Sackwaren und Großgebinden an Transportbetonwerke und Fertigteilwerke zur Herstellung eines Energiespeicherbetons oder einer monolithischen Energiespeicherwand geliefert werden.

Ausführungsbeispiele überwinden außerdem die folgenden Nachteile bekannter Systeme: Die verkapselten Systeme benötigen einen relativ hohen Energieaufwand für die Verkapselung bzw. der Einbringung in Metallbeutelsysteme (z.B. Salzhydrate) und führen somit zu hohen Kosten in der Produktion. Dies trifft auch für Mikroverkapselungen zu, beispielsweise in gipsgebundenen Plattensystemen, die im Trockenbau eingesetzt werden, oder für Innenputzsysteme, bei welchen das Putzgefüge als Trägermaterial für PCM-Mikrokapseln verwendet wird. Außerdem werden bei der Kunststoffverkapselung fossile Rohstoffe verbraucht. PCM-Kapseln werden nur in relativ geringen Mengen im Baustoff verteilt, um die Eigenschaft des Baustoffes nicht negativ zu beeinflussen. Ferner ist die thermische Aktivierung der PCM-Kapseln nur sehr schwer zu erreichen, da diese Materialien über eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit verfügen. Aufgrund der genannten Nachteile einer Verkapselung erreichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die Integration der PCM 120 in rezyklierte, hochporöse Gesteinskörnungen als Trägermaterial und als Energiespeicherzuschlag.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

110: ein rezykliertes Bruchmaterial
111, 112,...: verschiedenen Baumaterialien
115: poröse Struktur
120: Phasenwechselmaterial
130: Bindemittel
200: Wand
210: Wandbereich
211, 212: gegenüberliegende Wandbereiche
220: tragender Bereich der Wand
221: Gesteinskörnung

Claims

Granulat zur Speicherung von Wärme in Wänden (200), mit folgenden Merkmalen: ein rezykliertes Bruchmaterial (110), das ein Komposit aus verschiedenen Baumaterialien (111, 112, 113) ist und eine gebrochene oder gerissene oder poröse Struktur (115) aufweist; und ein Phasenwechselmaterial (120), das die poröse Struktur (115) zumindest teilweise füllt und ausgebildet ist, um einen Phasenübergang zwischen einer festen und einer flüssigen Phase auszuführen und um die Wärme als latente Wärme zu speichern, wobei eine Porengröße der porösen Struktur (115) und das Phasenwechselmaterial (120) ausgebildet sind, um das Phasenwechselmaterial (120) auch in der flüssigen Phase in der porösen Struktur (115) zumindest teilweise zu halten.
Granulat nach Anspruch 1, wobei das rezyklierte Bruchmatetrial (110) zumindest eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweist: Beton, Porenbeton, Ziegel, Zement, Mörtel, Gesteine, Verklebemasse, Brechsand.
Granulat nach Anspruch 2, wobei die Komponenten Bereiche im Komposite bilden, die verschiedene Größen und/oder unterschiedliche Strukturen aufweisen und inhomogen verteilt sind.
Granulat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die poröse Struktur (115) eine Porosität von 20 bis 80 Vol-% aufweist.
Granulat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Anteil des Phasenwechselmaterials (120) in der porösen Struktur (115) in einem Bereich zwischen 3 und 60 Masse-% liegt.
Granulat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial (120) eine Schmelztemperatur und eine Erstarrungstemperatur in einem Bereich von 5°C bis 45°C aufweist.
Granulat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial (120) ein organisches Material aufweist und insbesondere Paraffin-basiert oder Fett-basiert ist.
Wand (200) mit zumindest einem Oberflächenbereich, der ein Granulat nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Wand (200) nach Anspruch 8, wobei das Granulat in zumindest einem Bereich der Wand (200) gebunden ist, der zumindest eine der folgenden Bedingungen erfüllt: - hat ein Dicke senkrecht zur Wand von zumindest 1 cm, - erstreckt sich senkrecht zur Wand über zumindest 10 % oder zumindest 30% oder über zumindest 60% der Wanddicke, - eine Dichte des Granulats steigt zu einer Oberfläche der Wand an.
Wand (200) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Wand (200) eine Außenwand oder eine Innenwand ist.
Verfahren zum Herstellen eines wärmespeichernden Granulats, mit folgenden Schritten: Bereitstellen (S110) eines rezyklierten Bruchmaterials (110), das ein Komposit aus verschiedenen Baumaterialien (111, 112, 113) ist und eine poröse Struktur (115) aufweist; und Einbringen (S120) eines Phasenwechselmaterial (120) in die poröse Struktur (115) unter Nutzung von Kapillarkräften, wobei das Phasenwechselmaterial (120) ausgebildet ist, um einen Phasenübergang zwischen einer festen und eine flüssigen Phase auszuführen und um die Wärme als latente Wärme zu speichern, wobei eine Porengröße der porösen Struktur (115) und das Phasenwechselmaterial (120) derart angepasst sind, dass das Phasenwechselmaterial (120) auch in der flüssigen Phase in der porösen Struktur (115) zumindest teilweise gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Einbringens (S120) folgende Schritte umfasst: Betropfen des rezyklierten Bruchmatetrials (110) mit dem Phasenwechselmaterial (120); daran anschließend Eintauchen des rezyklierten Bruchmatetrials (110) in das Phasenwechselmaterial (120); und Entfernen von Resten von Phasenwechselmaterial (120) an einer Oberfläche des rezyklierten Bruchmaterials, insbesondere durch ein Mahlen des Granulats bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials (120).
Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei der Schritt des Einbringens (120) folgenden Schritte umfasst: Besprühen des rezyklierten Bruchmatetrials (110) in das Phasenwechselmaterial (120); und Entfernen von Resten von Phasenwechselmaterial (120) an einer Oberfläche des rezyklierten Bruchmatetrials, insbesondere durch ein Mahlen des Granulats bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Schritt des Entfernens von Resten folgenden Schritt umfasst: Vermischen des mit Phasenwechselmaterial (120) befüllten rezyklierten Bruchmaterials (110) mit einem Brechsand, sodass zumindest ein Oberflächenbereich des rezyklierten Bruchmaterials (110) von dem Phasenwechselmaterial (120) befreit wird und das freiwerdende Phasenwechselmaterials durch den Brechsand aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Einbringen des Phasenwechselmaterials (120) zumindest teilweise bei einem Unterdruck ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Bereitstellen (S110) des rezyklierten Bruchmaterials (110) ein Auswählen von verschiedenen Gesteinskörnungen aus verschiedenen Rezyklatgruppen umfasst.