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Graphitbaustoffe können Wärme schnell und gleichmäßig verteilen. Besonders vorteilhaft ist ihr Einsatz in Flächentemperiersystemen und in Latentwärmespeichern. Graphitbaustoffe erhöhen die Energieeffizienz der Systeme.
Schärfere umweltpolitische Vorschriften und steigende Energiekosten verlangen nach energieeffizienten Lösungen für die Raumklimatisierung. Zunehmend rücken dabei die Flächentemperierung und die Wärmespeicherung in das Blickfeld von Architekten und Haustechnik-Planern. Flächenheiz- und -kühlsysteme sind in Büro- und Gewerbegebäuden weit verbreitet und werden immer häufiger auch in Wohnhäusern eingesetzt. Sie bieten einen hohen thermischen Komfort, arbeiten energieeffizienter als klassische Klimaanlagen, erleichtern die Nutzung regenerativer Energiequellen und eröffnen einen großen architektonischen Gestaltungsspielraum.
Die Wärmespeicherung wird dagegen noch wenig genutzt. Sie erschließt einen Weg, das Wärme- bzw. Kälteangebot zeitlich und hinsichtlich der Leistung dem Bedarf anzupassen. Dies gelingt beispielsweise mit Latentwärmespeichermaterialien (Phasenwechselmaterialien, phase change materials, PCM). Diese Materialien sind in der Lage, große Wärmemengen in Form von Schmelzwärme auf einem bestimmten Temperaturniveau aufzunehmen und abzugeben. Als PCM werden derzeit vor allem Paraffine und Salzhydrate eingesetzt.
Sowohl bei der Flächentemperierung als auch in Latentwärmespeichern wirkt sich die schlechte Wärmeleitfähigkeit der gebräuchlichen Materialien nachteilig auf die Leistungsfähigkeit des Systems aus.
In Flächentemperiersystemen etwa führt die niedrige Wärmeleitfähigkeit der eingesetzten Baustoffe zu einer inhomogenen Verteilung der Oberflächentemperatur und begrenzt daher die spezifische Wärmeleistung. Auch ergibt sich eine niedrige Dynamik – das System reagiert relativ langsam auf Änderungen der Heiz- oder Kühlwassertemperaturen, was zu einem deutlich schlechteren Raumkomfort führt. Mit herkömmlichen Werkstoffen lässt sich das Energie-Sparpotenzial, das eine Flächentemperierung im Grunde bietet, nicht vollständig ausschöpfen. Ähnlich ist die Situation bei den Phasenwechselmaterialien: Sämtliche bekannten PCM sind schlechte Wärmeleiter und erschweren daher einen hinreichend schnellen Wärmeübergang zwischen Speichermedium und Wärmeträger. Ohne besondere Maßnahmen erreichen PCM-Wärmespeicher somit nur niedrige Wärmeleistungen.
Baustoffe aus expandiertem Graphit, die seit kurzem unter dem Namen ECOPHIT® (SGL Group) kommerziell zur Verfügung stehen, unterstützen eine schnelle und gleichmäßige Verteilung der Wärme. Ihr Einsatz steigert die Heiz- und Kühlleistung von Flächentemperiersystemen erheblich. Darüber hinaus ermöglichen sie den Bau von praxistauglichen Latentwärmespeichern.
Wärmeleitende Leichtbauplatten
Ausgangsmaterial der Graphitbaustoffe ist ein hochwertiger Naturgraphit, aus dem zunächst expandierter Graphit hergestellt wird. Das in voluminöser, flockiger Form anfallende Material wird ohne Bindemittelzusatz zu selbsttragenden Platten verdichtet. Dabei ordnen sich die Kohlenstoff-Schichtebenen bevorzugt parallel zur Plattenebene an.
Dies führt dazu, dass die Wärmeleitfähigkeit der Platten parallel zur Plattenebene deutlich höher ist als senkrecht zur Ebene – je nach Verdichtung um einen Faktor zwischen 3 und 40. Durch die Verdichtung lässt sich die Wärmeleitfähigkeit des Materials einstellen.
Als Baustoff zum Einsatz in Flächentemperiersystemen eignen sich 10 bis 35 mm dicke Graphitplatten mit Rohdichten zwischen 0,05 und 0,25 g/cm³. Diese Leichtbauplatten sind sehr gute Wärmeleiter. So wird bei einer Rohdichte von nur 0,1 g/cm³ eine Wärmeleitfähigkeit von 13 W/(m·K) parallel zur Plattenfläche erreicht. Die Leichtbauplatte leitet also Wärme so gut wie ein hochlegierter Stahl. Zudem ist der Graphitwerkstoff kompressibel. Rohrmäander können ohne mechanische Nacharbeit problemlos und vollständig in die Graphitplatten einpresst werden, wobei Rohr und Graphit einen formschlüssigen und dauerhaften Verbund bilden. In diesem Verbund ist der Wärmeübergangswiderstand zwischen beiden Komponenten sehr gering.
In enger Zusammenarbeit mit der SGL Group haben mehrere führende Anbieter leistungsfähige Deckenheiz- und -kühlsysteme entwickelt und auf den Markt gebracht. Im Vergleich zu herkömmlichen Temperiersystemen ohne Graphit-Leichtbauplatten können dabei die Abstände im Rohrmäander um etwa 30 % vergrößert werden, ohne dass die Leistung verringert wird. Lässt man den Rohrabstand unverändert, erhält man eine deutlich höhere spezifische Leistung. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Flächentemperiersysteme bei signifikant niedrigeren Vorlauftemperaturen zu betreiben, was den Energieverbrauch senkt und die Nutzung erneuerbarer Energien erleichtert. Darüber hinaus erreichen die Systeme eine hohe Dynamik.
Graphitmodifizierte Gipskartonplatten
Der neue Graphitbaustoff steht auch als Mahlgut bzw. Granulat in unterschiedlichen Körnungen zur Verfügung. In dieser Form kann expandierter Graphit anderen Materialien als Additiv zugesetzt werden. So fertigt die Saint-Gobain Rigips GmbH Gipskartonplatten, deren Gipskern Graphitgranulat enthält. Dieser Zusatz verschlechtert die bekannt guten Grundeigenschaften der Gipskartonplatten nicht, verbessert die Wärmeleitfähigkeit der Platten aber um den Faktor 3. Mit 0,52 W/(m·K) erreichen die graphitmodifizierten Gipsplatten (Climafit™ Prothermo) in etwa die Wärmeleitfähigkeit von Wasser. Somit eignen sie sich hervorragend für eine thermisch leistungsfähige Beplankung von Kühldecken und anderen Flächentemperiersystemen.
Latentwärmespeicher für die Klimatisierung
Für gebäudetechnische Anwendungen sind PCM/Graphit-Verbundmaterialien in Form von Compounds oder als Platten, in die das PCM infiltriert wurde, erhältlich. Die Graphitkomponente sorgt für eine hohe Lade- und Entladegeschwindigkeit von Wärme oder Kälte, wodurch die Leistung und die Dynamik von Latentwärmespeicherapparaten praxistaugliche Werte erreichen. Zudem arbeiten PCM auf einem bestimmten, einstellbaren Temperaturniveau, so dass bereits geringe Temperaturunterschiede zwischen der Raum- und der Außenluft zum Entladen des thermischen Speichers genutzt werden können. Umgekehrt genügen niedrige Vorlauftemperaturen, um den Wärmespeicher aufzuladen.
PCM/Graphit-Platten werden bereits in dezentralen Lüftungsgeräten und Kühldecken eingesetzt.
Im Sommer nehmen diese Systeme tagsüber Wärmelasten auf und geben sie in den kühlen Nachtstunden an die Außenluft ab, nutzen also die kostenlos zur Verfügung stehende Nachtkälte. Sollte einmal nicht genügend Kälte während der Nachtstunden vorhanden sein, so kann diese – anders als bei konventionellen Systemen – mittels einer nun wesentlich kleiner dimensionierten Kältemaschine erzeugt werden. Im Winter wird es möglich, den günstigen Nachtstrom zum Laden des PCM-Speichers zu nutzen, um tagsüber die Raumluft zu erwärmen.
