Der Heiz- und Kühlenergieverbrauch im expandierenden Baubestand trägt maßgeblich zum weltweiten Anstieg der anthropogenen CO2-Emissionen bei. Die effektive Steuerung der thermischen Energieflüsse und der Wärme- bzw. Kälteverluste über die Gebäudehülle eröffnet eine bedeutsame Gelegenheit zur Reduzierung des jährlichen Energieverbrauchs, indem die täglichen und saisonalen Temperaturschwankungen abgemildert werden. Ein vielversprechender Ansatz hierfür besteht in der Integration von Phasenwechselmaterialien (PCMs) in zementgebundene V erbundstoffe. Diese Verbundstoffe zeichnen sich durch eine adaptive poröse Mikrostruktur aus und bieten das Potenzial, Solar- und/oder Umgebungsenergie in Form von Wärme und Kälte zu speichern und freizusetzen. Im Gegensatz zu konventionellen Isolationsmaterialien weist der vorgeschlagene hochporöse thermische Energiespeicher (TES)-V erbundwerkstoff die Merkmale der Nichtbrennbarkeit und Recycelbarkeit auf, während er gleichzeitig die doppelte Funktion der Isolation und der effektiven Wärmespeicherung und -freisetzung verkörpert. Die Korrelation zwischen den mikrostrukturellen Parametern poröser zementgebundener Verbundstoffe und den zugehörigen thermophysikalischen Eigenschaften ist seit vielen Jahrzehnten Gegenstand umfangreicher Untersuchungen aufgrund ihrer breiten Anwendbarkeit in ingenieurtechnischen Problemen und Anwendungen. Forschungsbemühungen zur Charakterisierung thermischer Eigenschaften haben sich hauptsächlich auf die numerische und experimentelle Bewertung der homogenisierten Wärmeleitfähigkeit poröser zementgebundener Verbundstoffe konzentriert. Diese Bemühungen haben jedoch oft die Integration sensibler/latenten thermischen Energiespeichers vernachlässigt und die Betrachtung der geometrischen Kategorisierung der Porenstruktur ausgeklammert. Die Bedeutung letzterer wird deutlich, wenn das Porenvolumenverhältnis zunimmt und vorherrschend miteinander verbundene Poren auftreten. Diese Fragestellung erfordert eine gründliche thermo-physikalische Charakterisierung der einzelnen Bestandteile, einschließlich ihrer Wechselbeziehungen und deren Auswirkungen auf homogene thermische Parameter im Verbundmaterial– ein bedeutsamer Beitrag dieser Promotion, der darauf abzielt, ein optimales Gleichgewicht zwischen thermischer Isolierung und Wärmespeicherkapazität unter Verwendung kompatibler Materialien zu erreichen. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit ein vereinfachtes analytisches Vorhersagemodell auf Basis der Erkenntnisse aus dieser Forschung und anderer relevanter Quellen entwickelt. Das analytische Modell bezieht sich auf die stochastische Charakteristik der Porenstruktur und ermöglicht die Vorhersage der homogenisierten thermischen Leitfähigkeit von porösen zementgebundenen Verbundwerkstoffen mit oder ohne integrierte latente Wärmespeicherung (Latent Heat Thermal Energy Storage). Die mikrostrukturellen Kalibrierungsparameter A und Φm, die mit Luftanteil und Porengeometrie in Verbindung stehen, werden anhand des von Nielsen (1974) vorgeschlagenen Modells definiert. Die Modellparameter wurden anhand verschiedener experimenteller Daten kalibriert und erfassen effektiv den Einfluss der Mikrostruktur auf die thermische Leitfähigkeit für die Gestaltung von zweiphasigen zementgebundenen Verbundwerkstoffen.

Diese Methodik wird anschließend erweitert, um Energieübertragungsgleichungen in komplexen zementgebundenen Schaumstoffstrukturen zu lösen, einschließlich solcher mit LHTES-Komponenten. Dabei entfällt die Notwendigkeit für aufwendige experimentelle Aufbauten und komplexe Computeranalysen zur Bestimmung der effektiven thermischen Leitfähigkeit (keff). Das vorgeschlagene Funktionsmaterial (hochporöse, zementgebundene Verbundwerkstoffe mit oder ohne integrierte latente Wärmespeicherung) vereint fortschrittliche Isolationseigenschaften, die jene herkömmlicher Schichten übertreffen, mit erheblicher Energiespeicherkapazität und die Verbesserungen bei der thermischen Leistung um mehr als 59 % (Porosität höher als 74 %). Zudem wird eine effiziente Methodik zur Gestaltung dieses innovativen Funktionsmaterials entwickelt. Die ermittelten Kalibrierungsparameter und die etablierte Klassifizierung des porösen Verbundwerkstoffs tragen zur Entwicklung von Normen und Standards für die thermische Charakterisierung von porösen mineralischen Verbundwerkstoffen in verschiedenen Anwendungsszenarien bei. Diese Methode hat das Potenzial, ihre Anwendbarkeit auf andere poröse Verbundwerkstoffe auszuweiten.