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Abb. 16: PCM-Deckenkühlpaneele in einem Großraumbüro.
© Julia Schmidt/Deutscher Drucker

Abb. 17: Schematische Darstellung von aktiven PCM-Systemen zum Kühlen.
© ZAE Bayern

Abb. 19: Kühldeckensystem mit PCM (Ilkatherm).
© Sven Meyer

Abb. 20: PCM-Estrich-Fußbodenheizung.
© Maxit Deutschland
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Aktives Wärmemanagement

Mit aktiven, wasserdurchströmten PCM-Systemen lässt sich der Wärmespeichereffekt zeitlich und in seiner Intensität steuern. Über flächige Bauteile können Kältebedarf und Kältebereitstellung zeitlich entkoppelt werden. In verschiedenen Demonstrationsobjekten kamen bereits PCM-Kühldecken zum Einsatz.

Passive Kühlkonzepte – insbesondere in Kombination mit PCM - unterliegen im Wesentlichen zwei Restriktionen, die den Einsatz behindern können: Zum einen limitiert der Wand-Luft-Wärmeübergang die Wärmemenge, die in einem 24-h-Zyklus beladen und vor allem auch wieder entladen werden kann. Ein Verdoppeln der Putzschicht führt hier nicht automatisch zu einer doppelt hohen, real nutzbaren Wärmespeicherkapazität. Zweitens ist die einzig verfügbare Kältequelle die Nachtluft. Gerade in heißen Sommernächten kann dies dazu führen, dass der Latentwärmespeicher nicht entladen werden kann und somit am nächsten Tag nicht mehr zur Verfügung steht. Die gespeicherte Wärme lässt sich jedoch effizient und sicher über Kühlwasser-Kreisläufe abführen. Diese Systeme können in die Wand oder die Decke integriert oder auch als abgehängte Deckenelemente installiert werden. Zum Heizen werden sie in Wand oder Fußboden integriert.

Innovative Flächenkühl- und -heizsysteme

Im Forschungsprojekt "PCM-Aktiv" untersuchte das Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit Projektpartnern aktiv durchströmte Flächenkühlsysteme in Kombination mit PCM-Baustoffen. Ziel der Arbeiten war zunächst die Entwicklung einer wasserdurchströmten Kühldecke - basierend auf den verfügbaren PCM-Baustoffen. Das PCM in der Kühldecke ermöglicht hierbei, dass ein Großteil der Wärme - die bei konventionellen Systemen aktiv abgeführt werden muss - passiv zwischengespeichert werden kann. Nur der verbleibende Überschuss muss aktiv abgeführt werden. Außerhalb des Schmelzbereichs bleibt die schnelle Reaktionsfähigkeit einer dünnschichtigen Kühldecke jedoch erhalten. Ein weiterer Vorteil von PCM in Kühldecken ist, dass Kälteleistung akkumuliert werden kann. Konventionelle Kühlanlagen müssen so ausgelegt werden, dass sie die Spitzenlast abfangen können. PCM ermöglichen durch die Kältespeicherung jedoch eine kleinere Dimensionierung der Kälteanlage. Außerdem lassen sich zusätzliche Kältequellen einsetzen, die nur eine geringe Kälteleistung aufweisen. Ein Beispiel hierfür sind Umweltwärmesenken wie z. B. Erdsonden.

Kühldecken lassen sich bedarfsgerecht betreiben, so dass sie zu energetisch oder wirtschaftlich sinnvollen Zeiten mit Kälte beladen werden. Eine der zentralen Fragestellungen im Projekt "PCM-Aktiv" war die Bestimmung des optimalen Schmelzbereichs von PCM. Während für passive Anwendungen der Schmelzbereich am oberen Ende des Komfortbereichs des Menschen liegen muss, sollte er bei aktiven Systemen so gewählt werden, dass die Decke energetisch hocheffizient betrieben werden kann. In mehreren Versuchsreihen und Simulationsstudien hat sich bisher gezeigt, dass ein Schmelzbereich zwischen ca. 19°C und 22°C für Kühldecken ideal ist. Er ermöglicht sowohl das Entladen in der Nacht mit relativ hohen Vorlauftemperaturen im Kühlkreis - wie sie bei Umweltwärmesenken auftreten können - als auch ein Betreiben der Kühldecken mit maximalen Oberflächentemperaturen von rd. 23°C. Messungen der Kühlleistung bestätigen, dass - wie erwartet - keine wesentlichen Unterschiede zu konventionellen Putzkühldecken mit Kapillarrohrmatten bestehen.

Die zweite zentrale Fragestellung: Wie lässt sich eine PCM-Kühldecke regeln mit dem Ziel, bei Einhaltung der Komfortkriterien eine energieeffiziente Steuerung der Decke zu erreichen. Dazu sind deren Betriebsstunden zu minimieren, aber auch Volumenströme und Kühlwassertemperaturen zu berücksichtigen, die sich je nach verwendeter Wärmesenke unterscheiden können. An unterschiedlichen Test-Kühldecken werden derzeit Untersuchungen zur Betriebsführung vorgenommen. Dazu werden auch Kühldecken in realen Gebäuden - z. B. am Fraunhofer ISE in 5 Büros mit insgesamt 100 m² Deckenfläche - eingesetzt.

Als erstes aktives Kühlsystem am Markt wird von der Firma Ilkazell die Ilkatherm®-Kühldecke vertrieben. Sie basiert auf der PCM-Gipsplatte, die auf der raumseitigen Oberfläche eines PU-Sandwich-Verbundes aufgeklebt wird. Zur Aktivierung wurden Kapillarrohrmatten zwischen Smartboard und Rückseitenisolation eingebracht. Das System wurde bereits in einem Demonstrationsgebäude - der Druckerei Engelhardt & Bauer in Karlsruhe - kombiniert mit Erdsonden als Wärmesenke eingesetzt. Die Kühldecke ist modular aufgebaut und kann vollflächig als abgehängte Decke oder als einzeln hinterlüftetes Deckenelement eingesetzt werden.

Als Flächenheizung wurde in Zusammenarbeit mit Maxit Deutschland ein Estrich-Fußbodenheizsystem entwickelt. Als PCM wurde Micronal® von BASF verwendet. Der thermische Vorteil durch den zusätzlichen PCM-Einsatz ist aufgrund der ohnehin schon sehr hohen Speicherfähigkeit des Estrichsystems jedoch eher gering. Vorteilhaft ist, dass die Schichtdicke der Fußbodenheizung gegenüber einer konventionellen Estrich-Fußbodenheizung rd. 25% geringer ausfallen kann.

Neben den Tests von Produkten in Labortesträumen ist auch eine Prüfung unter praxisnahen Bedingungen notwendig. Denn zum einen benötigen die Hersteller belastbare Daten, wie effizient ihre Produkte unter realen Bedingungen tatsächlich sind. Zum anderen wünschen die Anwender neben den technischen Daten auch Anschauungsobjekte, die zeigen, wie PCM architektonisch und gebäudetechnisch in einen Leichtbau integriert werden können.
Nach der erfolgreichen Entwicklung von Komponenten und Materialien geht es nun darum, die Akzeptanz von Planern und Nutzern gegenüber PCM im Gebäudebereich zu erhöhen und speziell bei Architekten ein Bewusstsein für PCM als energiesparende Alternative oder Ergänzung zu aktiver Klima- und/oder Heiztechnik zu schaffen. Forschungsgegenstand ist deshalb zur Zeit der "Praxisnahe Test der Performance von Gebäudekomponenten mit PCM in Demonstrationsobjekten" (BMWi-Projekt "PCM-Demo").

Im Teilprojekt "Wasserdurchströmte Kühldecken mit PCM" wird eine Kombination aus makroverkapselten PCM und wasserdurchströmter Kühldecke untersucht. Abgehängte wasserdurchströmte Kühldecken erreichen hohe Kühlleistungen (max. 100 W/m²) bei kurzen Ansprechzeiten. Sie erfordern dadurch jedoch oft hohe Spitzenlasten bei der Kältebereitstellung. Durch die Integration von PCM lässt sich tagsüber zu Zeiten der Kühllastspitzen eine rein passive Grundkühlleistung von rund 40 W/m² sicherstellen. In der Nacht wird das PCM dann durch kühles Wasser regeneriert. Auf diese Weise lassen sich tagsüber Lastspitzen vermeiden und die Kühllast wird vergleichmäßigt. Vor allem bei der Kältebereitstellung über oberflächennahe Geothermie (Erdsonden) ergeben sich Vorteile, da die Erdsonden auf die Spitzenlasten ausgelegt werden müssen. Kombiniert man das PCM-System mit konventioneller Technik (PCM-Module nur in Teilbelegung) behältman auch weiterhin die Vorteile kurzer "Ansprechzeiten" und muss nur noch Spitzenlasten abfangen, die über die Grundlast hinausgehen. Der aktuelle Stand der Untersuchungen wird ab Herbst 2009 der Fachöffentlichkeit präsentiert.

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