PCM - Phasenwechselmaterialien

 Latentwärmespeicher

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
Abkürzungen im SHK-Handwerk
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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.
Wärmekapazität verschiedener Materialien
Quelle: Rubitherm Technologies GmbH
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:

Abpufferung der Raumtemperaturspitzen
Quelle: ZAE Bayern
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.
Berechnungstool - PCM express - Valentin Software GmbH
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.
Quelle: BASF SE
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

 

Quelle: BASF SE
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.
Quelle: BASF SE
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.
Wirkungsweise der Latentwärmespeicherung
Anwendung als Putz
Quelle: BASF SE
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.
Regeneratives Kühlkonzept mit Kühldecken
Quelle: Dipl.-Ing. (FH) Marco Schmidt, BASF SE
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
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.
Kühldeckenelement mit PCM-Gipsbauplatte
Frei hängende Kühldecken-Segel / Wärmebild der aktiven Kühldecke
Quelle: Ilkazell Isoliertechnik GmbH
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.
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

Der PCM-Porenbeton
Dämmleistung und Masse
Quelle: BASF SE

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


National Gypsum ThermalCORE mit Micronal PCM
Quelle: BASF SE / National Gypsum
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.

 


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.
DELTA®-COOL Board - Dörken GmbH & Co. KG
DELTA®-COOL Board
Quelle: Dörken GmbH & Co. KG

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.

Quelle: Trubadu.de

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.

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.
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
Bauanleitung PCM Warmluftspeicher - Trubadu.de / Dipl. Ing . Stefan Brandt
PCM in der Gebäudetechnik - Dipl.-Ing. (FH) Thomas Haussmann - ISE
Wärmespeicher auf Salzbasis - Dr. Heiner Marx, K-UTEC AG Salt Technologies
Temperaturmanagement – in seiner leichtesten Form - Dipl. Ing. (FH) Marco F. Schmidt, BASF AG, Ludwigshafen
CSM Platte & PCM Kompaktspeicher - Rubitherm Technologies GmbH

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