Potenzialanalyse der plasmabasierten, strukturierten Metallisierung thermoaktiver Oberflächen im industriellen Hausbau
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Diss. Reihe Maschinenbau, Band 424
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Abstract
The industrial production of buildings offers a high potential for the creation of comparatively low-cost housing due to the high degree of automation and the resulting advantages, such as shorter construction times, lower demand for personnel and an increase in quality. However, currently the installation of the heating system is mainly carried out by manual methods, like in the construction of solid houses. In addition, the demand for material resources is partly very high. The main subject of the research work was to develop a wall panel heating system that can be automatically integrated into the wall modules during the prefabrication process. The technical implementation of the requirements is an electrically operated wall panel heating system mounted directly on the surface of the building material. This was carried out using Cold Active Plasma Coating technology (CAPM), which allows the automated deposition of an electrically conductive structure on a variety of materials. In a parameter study, a successful configuration was found for the production of electrically conductive structures using the CAPM process. The characterisation of the layered composite showed on the one hand that the copper particles form a permanent bond with the plasterboard surface, while on the other hand the functionality of the surface heating system could be proven on the basis of thermal tests. By investigating the electrical, thermal and mechanical properties of the panel heating system under defined environmental conditions, the long-term reliability of the wall panel heating system was successfully demonstrated. Using a comfort measurement method, an ideal thermal comfort of the heating system was objectively proven in a specially built demonstration house. Furthermore, the integration of the coating process into existing production lines for the manufacture of prefabricated houses could be confirmed within a theoretical investigation. The cost-effectiveness analysis shows the competitiveness of plasma-generated wall panel heating in relation to systems currently used on the market.
Abstract
Die industrielle Gebäudefertigung bietet aufgrund des hohen Automatisierungsgrades und der damit einhergehenden Vorteile, wie beispielsweise kürzere Bauzeiten, geringeren Arbeitskräftebedarf sowie Steigerung der Qualität, ein hohes Potenzial zur Schaffung von vergleichsweise kostengünstigem Wohnraum. Allerdings erfolgt auch hier, wie derzeit im Massivhausbau, der Einbau des Gewerkes Heizung überwiegend manuell, begleitet durch einen teilweise sehr hohen Einsatz materieller Ressourcen. Das Gesamtziel der Arbeit war die Entwicklung eines Wandflächenheizsystems, welches während der Fertighausherstellung automatisiert in die Wandmodule integriert werden kann. Die Lösung zur Umsetzung der Anforderungen ist eine direkt auf die Oberfläche des Baustoffes integrierte, elektrisch betriebenen Wandflächenheizung. Die Durchführung erfolgte mit der kaltaktiven Plasmabeschichtungstechnik (CAPM), welche den automatisierten Auftrag einer elektrisch leitenden Struktur auf Oberflächen einer Vielzahl an Materialien erlaubt. In einer Parameterstudie konnte ein geeignetes Setup gefunden werden, um elektrisch leitende Strukturen mittels CAPM-Prozess fertigen zu können. Die Charakterisierung des Schichtverbundes zeigte einerseits, dass die Kupferpartikel eine dauerhafte Verbindung mit der Gipskartonoberfläche eingehen, während andererseits die Funktionsfähigkeit des Flächenheizsystems anhand von thermischen Untersuchungen nachgewiesen werden konnte. Durch die Untersuchung der elektrischen, thermischen sowie mechanischen Eigenschaften des Flächenheizsystems unter definierten Umwelteinflüssen konnte die Langzeitzuverlässigkeit, der mittels CAPM hergestellter Wandflächenheizungen, erfolgreich dargelegt werden. Mit Hilfe von Behaglichkeitsmessungen wurde in einem eigens errichteten Demonstrationshaus eine ideale thermische Behaglichkeit des Heizsystems objektiv belegt. Ebenso konnte die Integration des Beschichtungsprozesses in bestehende Fertigungslinien zur Herstellung von Fertighäusern innerhalb einer theoretischen Analyse bestätigt werden. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigt die Konkurrenzfähigkeit der plasmagenerierten Wandflächenheizung zu derzeit am Markt verbauten Systemen auf.