Phasenwechselmaterialien
([phase
change material] PCM
- Latentwärmematerial) können zur Wärme-
und Kältespeicherung und zur Begrenzung
von Temperaturspitzen (Überhitzungsschutz)
eingesetzt werden. Durch die Nutzung des Phasenwechsels
(fest-flüssig oder flüssig-fest) verfügt das Material über ein
hohes Speichervolumen, da die Wärmekapazität
um ein vielfaches höher ist als herkömmliche
Materialien bzw. Medien. |
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| Wärmekapazität
verschiedener Materialien |
| Quelle:
Rubitherm
Technologies GmbH |
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| Die
PCM's werden aus Salzen
(z. B. Glaubersalz, Natriumacetat) oder organischen
Verbindungen (z.B. Paraffine, Fettsäuren)
hergestellt. |
| Die
thermische Energie kann bei
einer festgelegten Temperatur zeitversetzt
entnommen werden. Dadurch ergeben
sich viele verschiedene Einsatzmöglichkeiten: |
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| Abpufferung
der Raumtemperaturspitzen |
| Quelle:
ZAE Bayern |
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| Der
Vorteil des PCM's liegt in
der Nutzung der latenten
Wärme während des Phasenwechsels.
Aber es wird auch sensible
(fühlbare) Wärme gespeichert.
Hier liegt auch der Grund, dass sie in unterschiedlichen
Baumaterialien (Gipsplatten
und -putze, Porenbetonsteine, Kühldeckenelemente,
Estriche, Holzwerkstoffe, Spachtelmassen)
eingesetzt werden. Auch in Glasscheiben
kann das Material eingebracht werden. |
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Das
Micronal® PCM ist ein Phasenwechselmaterial,
das bei einer Raumtemperatur bei 21 °C, 23 °C oder 26 °C einen
Phasenwechsel von fest nach flüssig vollzieht. Dabei werden
sehr große Mengen an Wärme gespeichert. Das Material enthält
im Kern der Mikrokapsel (ca. 5 µm) ein Latentwärmespeichermaterial
aus einer speziellen Wachsmischung. Diese nimmt
bei einem Temperatur-anstieg über eine festgelegte Temperaturschwelle
(21 °C, 23 °C oder 26 °C) die überschüssige Wärmeenergie der
Raumluft auf und speichert diese im Phasenwandel. Wenn die Temperatur
unter die Temperaturschwelle absinkt gibt die Kapsel diese gespeicherte
Wärmeenergie wieder ab. |
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30
kg Micronal® PCM bieten etwa 1
kWh Speicherleistung. |
- 26
°C für den sommerlichen Überhitzungsschutz
(z.B. in Dachgeschossen oder für die passive
Anwendung in warmen Regionen)
- 23
°C für die Stabilisierung
der Raumtemperatur im Komfortbereich,
dadurch häufige Nutzung des PCM-Effektes.
Wichtigstes Produkt für aktive und passive
Anwendungsfälle.
- 21
°C für die Nutzung in Flächenkühlsystemen
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| Die Beladung
des Speichers findet eigenaktiv
statt. Die Entladung des Speichermaterials
kann durch die natürliche Luftbewegung, durch
eine mechanische Lüftung oder durch regenerative
oder konventionelle Kühlkonzepte
erfolgen. |
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Das
Micronal® PCM kann in unterschiedlicher Form
in die Baustoffe integriert werden. Die Mikrokapseln
(BASF Micronal® PCM-Dispersionen) können in
flüssiger
Form in Wasser dispergiert
oder in pulverförmiger
Form in Baustoffen (trockene
Fertigmischungen z. B. Gips- oder Zementmörtel)
gemischt werden. |
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| Wirkungsweise
der Latentwärmespeicherung |
Anwendung
als Putz |
| Quelle:
BASF SE |
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| Beispiel 1 |
| Das regenerative
Kühlkonzept mit Kühldecken des Gebäudes basiert auf
der regenerativen Kühlung durch Erdwärmesonden,
deren Kühlwasser im Kreis durch die Kühldeckensegel gepumpt
wird. Die Regeneration des PCM erfolgt somit durch Wasser als
Energietransportmedium und ist unabhängig von den nächtlichen
Temperaturen. Die Gebäudemasse wird durch Nachtauskühlung
mit automatischen Fensteröffnungen zusätzlich entladen. |
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| Regeneratives
Kühlkonzept mit Kühldecken |
| Quelle:
Dipl.-Ing. (FH) Marco Schmidt, BASF SE |
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| Tagsüber
erfolgt die Kühlung
des Gebäudes durch stille
Kühlung über die Kühlsegel.
Das PCM darin stellt im Bedarfsfall
(bei unzureichender “just-in-time”
Kühlleistung) weitere Kühlreserven
zur Verfügung und dämpft die Spitzenlast
ab. Die Lüftungsanlage ist im Sommerfall
nur für den hygienischen
Luftwechsel zuständig
und übernimmt im Winterfall
die Luftführung für die Wärmerückgewinnung.
Die Fußbodenheizung
wird betrieben mit Abwärme
aus der Produktionshalle, welche
sich an das Gebäude anschließt.
Alle konventionellen Kühlaggregate
konnten entfernt werden.
Quelle: BASF
SE |
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| Beispiel
2 |
| Micronal®
PCM stellt die Grundlage für viele intelligente
und energieeffizient Systemlösungen dar. Ein Beispiel
sind die fertig integrierten Kühldeckenelemente
der Firma Ilkazell aus Zwickau. Abgeleitet aus der Sandwichtechnologie
(Metalloberfläche / PURHartschaum-Dämmung / Metalloberfläche)
wurden hocheffiziente Kühldeckensegel entwickelt, die
im einfachen Plug-and-Play an bestehende Wasser-Kühlkreisläufe
angeschlossen werden können. Dabei wurde eine Metalloberfläche
durch eine PCM Gipsbauplatte ersetzt.
Kapillarrohrmatten befinden sich auf der Rückseite der
zum Raum hin orientierten PCM Schicht. Somit wird Wasser
als Wärmeträger verwendet. Man wird hierdurch unabhängig
von Lufttemperaturen und die Entladeleistung steigt
erheblich. Über Strahlungsaustausch
mit dem darunter befindlichen Raum wird überschüssige
Wärme entzogen – bei höchstem Komfort.
Die Kombination mit PCM in der Decke eröffnet die Möglichkeit
auf regenerative Kälte zurückzugreifen, die nicht immer
dann zur Verfügung steht, wenn die Kühlung gerade gebraucht
wird. Die zeitliche Entkopplung von Wärmeanfall und
Wärmebehandlung wird dabei vom PCM geleistet. |
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| Kühldeckenelement
mit PCM-Gipsbauplatte |
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| Frei
hängende Kühldecken-Segel / Wärmebild
der aktiven Kühldecke |
| Quelle:
Ilkazell Isoliertechnik GmbH |
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| Die
Kühlelemente sind relativ
leicht und können sowohl im Neubau als
auch in der Sanierung eingesetzt werden.
Dort können sie u. U. eine Betonkernaktivierung
ersetzen. Sie können deckenintegriert
oder frei hängend montiert werden. |
| Die
IR-Thermografie zeigt
die Funktion der Kühlflächen.
Ca. 50 W/m² werden dem Raum entzogen.
Dies ist ausreichend für die üblichen
Lastfälle in Büroanwendung. Gerade wenn
man in Betracht zieht, dass Energieeffizienz
auch Reduktion von thermischen Lasten
mit ins Konzept einschließen muss, sind
bisher übliche 70 W/m² - und mehr -
nicht mehr zeitgemäß. Der Anteil an
PCM in den raumseitigen PCM-Gipsbauplatten
reicht theoretisch für 2 Stunden Volllast
ohne Kühlungsunterstützung. Liegt nur
eine Teillast an, reicht die Wärmespeicherkapazität
der Kühldecke entsprechend länger. Damit
sind die Ilkazell-Kühldeckenelemente
herkömmlichen Metallkühldecken ohne
Speicherfähigkeit deutlich überlegen
– denn diese müssen immer “just-in-time”
kühlen. Selbst eine Art "Notlaufeigenschaft"
im Leichtbau lässt sich realisieren. |
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| An
vielen Tagen im Jahr kann die Kühlung damit komplett
entfallen, da das PCM die anfallende Wärme aufnimmt
und in die Nacht verschiebt. Die nächtliche
automatische Fensteröffnung sorgt dann
für eine Entladung des PCM und des
restlichen Gebäudekörpers. Jede kWh, die nicht mit Kühleinrichtungen
behandelt werden muss, ist reale Einsparung und CO2-Reduktion.
Im diesem Fall resultiert ein "vollklimatisiertes" Bürogebäude
mit einem Primärenergieverbrauch von nur 54 kWh/m²a.
Ein klarer Beweis, dass sich integrierte Konzepte schlussendlich
rechnen. Quelle:
BASF SE |
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| Der
PCM-Porenbeton
Dämmleistung und Masse |
| Quelle:
BASF SE |
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Höchste Wärmespeicherkapazität
im Porenbeton: Durch den
Einsatz eines latenten Wärmespeichers
wird mit gleichen Wandstärken doppelte Wärmespeicherkapazität
erreicht. Im realen Anwendungsfall wird darum
eine gleich bleibendere Oberflächentemperatur
erreicht, als es mit einem auf die Spitze
getriebenen Lambda-Wert alleine möglich wäre.
Außerdem steigt das Energieniveau der Wand,
was auch zu erheblichen Einsparungen an Heizenergie
führt. Dies wurde u. a. mit der dynamischen
Gebäudesimulation "PCMexpress“ nachgewiesen.
Quelle: BASF SE
Wassergestützte
Latentwärmespeicher in Putz- und Dünnestrichsystemen
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| National
Gypsum ThermalCORE mit Micronal PCM
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| Quelle:
BASF SE / National Gypsum |
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| National
Gypsum ThermalCORE
mit Micronal PCM
absorbiert und speichert die Wärme
während des Tages und kühlt dadurch
den Raum und gibt die Wärme in den
kühleren Abendstunden bei absinkender
Temperatur wieder ab. |
| Die
Platten werden wie normale Gipskartonplatten
verarbeitet und montiert und sorgen
für eine zusätzliche thermische
Masse, die in der Regel in
herkömmlichem Leichtbau nicht vorhanden
ist. Die Paneele erfordern eine Spachtelung
und Dekoration ähnlich der Standard-Gipskartonplatten.
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PCM
zur passiven Klimatisierung
Dieses PCM funktioniert wie
ein Wärmespeicher. Das Speichermaterial
besteht aus Salzhydrate,
die im Gegensatz zu Paraffinen nicht
brennbar sind. Sie sind somit ideal
für den Einsatz in Gebäuden mit höheren vorbeugenden
Brandschutzanforderungen.
Wenn dem Material (Deckenpaneele)
Wärme zugeführt wird, ändert sich bei Erreichen
der Schmelztemperatur der Aggregatzustand
von fest zu flüssig. Im umgekehrten Phasenwechsel
wird die gespeicherte Wärme wieder abgegeben.
So lassen sich Temperaturschwankungen
glätten und Wärmespitzen
verhindern, ohne dass Energie zum
Kühlen eingesetzt werden muss. |
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| DELTA®-COOL
Board |
| Quelle:
Dörken GmbH & Co. KG |
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| PCM - Warmluftspeicher |
Zunehmend werde Energiespeicher
(Latentspeicher) aus PCM Materialien hergestellt.
In diesem wird die thermische Energie verborgen,
verlustarm und mit vielen Wiederhohlzyklen über lange Zeit
gespeichert.
PCM Materialien haben festgelegte Temperaturgrenze
an denen Sie schmelzen. Die Nutzung eines
Phasenübergangs ist für die Energiespeicherung
dabei wesentlich effektiver als das bloße Erwärmen eines Mediums.
Die Zustandsänderung der Speichermaterials für die Energiespeicherung
sollte im Bereich zwischen 25 - 35 °C liegen. |
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Der Speicher
wird im Wohnraum (beheizte
Gebäudehülle) betrieben, um unnötige Wärmeverluste
so gering wie möglich zu halten. Wenn wir
uns nun unsere Wohnraumtemperatur ansehen,
liegt diese zwischen 18 und 22 °C. Wenn der
Speicher entladen wird, kühlt das geschmolzene
PCM ab und gibt die Wärme an die durch den
Speicher strömende Luft ab. Hierzu ist eine
Temperaturdifferenz von einigen Grad (Kelvin)
erforderlich. Wenn nun die Wohnraumtemperatur
auf ca. 17 °C absinkt, so soll diese abgekühlte
Raumluft automatisch durch den Speicher transportiert
und wieder auf ca. 22 °C erwärmt werden.
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| Hierbei
behält der Speicher solange seine Temperatur
von z. B. 27 °C (gewählte Schmelztemperatur
des PCM Materials) bis alle gespeicherte Energie
an die Luft abgegeben das PCM wieder vollständig
erstarrt ist – der Speicher ist entladen.
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| Eine
elektronische Regelung sorgt
dafür, dass der Speicherlüfter erst dann seinen
Betrieb startet, wenn die Raumtemperatur unter
eine voreingestellte Temperaturgrenze sinkt.
Zur Ladezyklenoptimierung werden
leise und leistungsfähige Walzenlüfter und eine
elektronische Steuerung aus dem Solarbereich
verbaut. |
| Bei
diesen geringen Wärmeunterschieden von 5 - 7
K spielt auch die Eigenabkühlung des PCM keine
wesentliche Rolle, zumal die Energie nicht verloren
geht, sondern auch zur Raumerwärmung mit beiträgt.
Die Eigenabkühlung ist aber so gering, dass
am nächsten Morgen der Speicher noch immer eine
Kapazität von ca. 80% hat, wenn die gespeicherte
Wärme nicht abgerufen wurde.
Quelle: Trubadu.de |
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