.

Abb. 7: Moderne Architektur zeichnet sich immer mehr durch leichte Konstruktionen und energieoptimierte Planung aus – ohne dass auf Komfort verzichtet werden muss. In Baustoffe integrierte PCM – z. B. in Form von Gipsbauplatten – sorgen per Temperaturausgleich für ein gutes Raumklima.
© BASF

Abb. 11: Messung zweier Testräume mit 15 mm PCM-Gipsputz auf allen opaken Innenflächen – außer dem Boden. Unter idealen Bedingungen kann eine Temperaturreduktion von rd. 3,5 K durch das PCM erzielt werden.
© Fraunhofer ISE

Abb. 12: PCM Gipsbauplatte von Knauf.
© ZAE Bayern

Abb. 13: Gipsinnenputz mit PCM.
© Maxit Deutschland

Abb. 14: PCM-Platte von DuPont Energain.
© ZAE Bayern

Abb. 15: PCM-Kühldecke
© Dörken

Abb. 15b: PCM-Sonnenschutz
© ZAE Bayern

Abb. 15c: Fassadenbauelement GLASSXcrystal.
© GLASSX
4 / 13

Baustoffe stabilisieren Raumklima

Die Wärmekapazität von Gebäuden in Leichtbauweise kann deutlich erhöht werden, indem Latentwärmespeicher in die Oberfläche der Bausubstanz eingelagert werden. Der Effekt: Eine verbesserte "passive" Gebäudekühlung und Innentemperaturregulierung – und damit Energieersparnis und Komfortzuwachs. Baustoffe mit PCM zur passiven Gebäudekühlung sind bereits marktverfügbar.

In Gebäuden mit freiliegenden, massiven Betonwänden oder Mauerwerk ist es im Sommer oft angenehm kühl. Dieser Kühleffekt wird durch die hohe Wärmekapazität der Bausubstanz ermöglicht. Massive, freiliegende Gebäudeteile fungieren als Wärmepuffer – sie können tagsüber Wärme aufnehmen und diese während der Nacht wieder abgeben. In Gebäuden mit geringer Wärmekapazität - in Leichtbauweise z. B. mit Bauteilen aus Holz oder Gipskarton errichtet - steigt die Raumtemperatur dagegen schnell.

Wärme- und Kälteschutz in Gebäuden vollzieht sich allgemein durch ein Zusammenwirken von Wärmespeicherung in der Gebäudemasse und geeigneten Dämmmaßnahmen: Die Wärme wird von der Gebäudemasse ohne weitere technische Vorrichtung aufgenommen bzw. abgegeben. Daher nennt man sie "passive Temperaturstabilisierung". Aufgrund der hohen Speicherfähigkeit in einem schmalen Temperaturbereich eignen sich PCM hervorragend dazu, die Fähigkeit unterschiedlichster Materialien zur passiven Temperaturstabilisierung zu verbessern. Dieser Effekt wird deshalb seit einigen Jahren auch in der Gebäudetechnik kommerziell eingesetzt.

Den Grundstein für viele der im Folgenden dargestellten Entwicklungen und Produkte bilden die Arbeiten der Forschungsprojekte "Innovative PCM-Technologie" und "Mikroverkapselte Latentwärmespeicher". Die Forschungsarbeiten zu PCM-Technologieanwendungen wurden mittlerweile im BMWi-Förderkonzept EnOB gebündelt. Zum Einsatz von PCM in Gebäuden wurden die drei Fälle "Einbringen in den Außenputz, ins Mauerwerk und in den Innenputz" untersucht. Für jeden dieser Fälle wurden wiederum die Schmelztemperaturen im Hinblick auf den Anwendungsfall und die eingebrachten Mengen in Simulationsstudien variiert.
Bewertet wurden die Aspekte der Energieersparnis, der Komfortsteigerung und bei den Außenanwendungen des Bauteilschutzes. Aufgrund der deutlich geringeren Wärmeströme und des direkten Einflusses der Oberflächentemperaturen auf das Komfortempfinden der Nutzer ist der Einsatz von PCM im Innenbereich am vielversprechendsten. Werden PCM in unserer Klimazone eingesetzt, so sind die Heizenergieeinsparungen bei den üblichen Wohn- und Bürobauten bisher noch zu gering. Andererseits wird durch den Einsatz von PCM in Baustoffen jedoch der Nutzungskomfort in Gebäuden im Sommer deutlich verbessert. Und zusätzlich kann bei geeigneter Gebäudeplanung unter Umständen auf weitere Maßnahmen zur Kühlung verzichtet werden.

Vielversprechend ist der Einsatz von PCM in Leichtbauten; hier insbesondere Bürobauten aufgrund des stärker schwankenden Tag/Nacht-Lastprofils. Der Schmelzpunkt sollte so gewählt werden, dass Temperaturen über 26°C zeitlich stark beschränkt und über 28°C möglichst ganz vermieden werden. Dies erfordert den größten Teil der Schmelzwärme unter 25°C. Eine nächtliche Entladung des Speichers ist für die Funktion des Systems unabdingbar und durch geeignete Maßnahmen sicherzustellen. Generell müssen die auftretenden Lasten in einem sinnvollen Verhältnis zur Speicherfähigkeit des Systems stehen. Es ist also auf ausreichend verfügbare, unverstellte PCM-Flächen zu achten. Ein Sonnenschutzsystem kann durch diese Materialien nicht oder nur bei sehr geringer Einstrahlung ersetzt werden.

Baustoffe mit PCM

Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten am Fraunhofer ISE wurden in Zusammenarbeit mit Industriepartnern verschiedene PCM-Baustoffe entwickelt und in Testräumen unter realem Außenbezug vermessen. Abbildung 11 zeigt das Potenzial eines PCM-Baustoffs zur Temperaturreduktion in Gebäuden unter optimalen Bedingungen. Eingesetzt wurde hier ein PCM-Gipsputz, der in einer Schichtstärke von 15 mm auf Wände und Decken aufgetragen wurde. Am Tag 1 (Idealfall) wurde der PCM-Speicher nur leicht überladen und es konnte ein Temperaturunterschied von bis zu 3,5 K zwischen Referenz- und PCM-Raum gemessen werden. Die folgenden Tage zeigen, dass vor der Verwendung von PCM-Baustoffen in der Regel weitere Wärmeschutzmaßnahmen – wie eine Verschattung oder die Optimierung innerer Lasten - erfolgen sollte. Hinzu kommt, dass insbesondere in warmen Nächten nicht auf eine mechanische Lüftung zur Regenerierung des Wärmespeichers verzichtet werden kann. Ist die Entladung des PCM nicht gewährleistet, so kann eine Überhitzung am Folgetag nicht sicher vermieden werden. Einige Produkte zur passiven Gebäudekühlung sind bereitsmarktverfügbar und werden hier kurz vorgestellt.
Dabei wird unterschieden in Produkte auf Basis mikroverkapselter sowie makroverkapselter PCM:

  • Gipsplatte: Knauf PCM Smartboard

Für Trockenbau-Anwendungen verfügbare PCM-Gipskartonplatte mit rd. 30% Massenanteil PCM bei einer Schichtdicke von 15 mm. Verfügbare Schmelzbereiche: 23°C und 26°C; Speicherkapazität latent rd. 90 Wh/m²; Herstellung und Vertrieb: Knauf Gips KG.

  • Gipsputz: Maxit

Gips-Maschinenputz mit rd. 20% Massenanteil PCM bei einer Schichtdicke bis zu 15 mm. Der Putz kann zusätzlich auch über wasserführende Systeme aktiviert werden. Verfügbare Schmelzbereiche: 21°C, 23°C und 26°C; Speicherkapazität latent rd. 70 Wh/m²; Herstellung und Vertrieb: Maxit Deutschland GmbH.

Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Baumaterialien, in die mikroverkapselte PCM als Zuschlagstoff eingebunden sind, entwickelte die Firma DuPont eine Platte, in der Paraffin in eine Kunststoffmatrix integriert ist.

  • Integrierter Speicherbehälter:

DuPont Energain® hat eine Dicke von 5 mm und ein Gewicht von rund 4,5 kg/m². Etwa 60% der Masse ist Paraffin, das einen Schmelzbereich von 18°C bis 22°C besitzt. Die Platten wurden in einem Gebäude der Universität Lyon getestet, wobei zwei identische Räume jeweils mit und ohne PCM-Platten ausgestattet waren.

Gebäudeintegration

Die bisher beschriebenen Baumaterialien nutzen überwiegend mikroverkapselte PCM als Zuschlagstoff. Daher ist es möglich, diese Baumaterialien in nahezu beliebigen Mengen und Formen ins Gebäude zu integrieren. Die Verarbeitung unterscheidet sich nicht von der konventioneller Baustoffe. Die geschilderten Ansätze zur Integration von PCM sind bisher lediglich für Paraffine oder Fettsäuren technisch ausgereift. Im Gegensatz zu Baumaterialien können die PCM-Komponenten komplett vorgefertigt werden, sodass bei der Installation keinerlei Bearbeitung notwendig ist. Daher ist es möglich, bei der Herstellung solcher Komponenten makroverkapselte PCM einzusetzen - z. B. von Salzhydraten.

Anwendungsbeispiele von PCM-Komponenten zeigt Abbildung 15: Erstes Beispiel ist die Integration von PCM in einer Decke - wobei das PCM vor allem zur Kühlung des Raumes eingesetzt werden soll. Die Firma Dörken verwendet hierzu verkapselte Salzhydrate. Erhöht sich die Lufttemperatur im Raum, so steigt die warme Luft nach oben, schmilzt das PCM und wird dadurch wiederum gekühlt. Dabei können maximale Kühlleistungen von 40 W/m² bis 45 W/m² erreicht werden. Zum Abführen der Wärme in der Nacht wird allerdings eine aktive Ventilation empfohlen. Die Ventilatorleistung ist in der Energiebilanz zu berücksichtigen.

Ein weiterer interessanter Ansatz, PCM in Gebäudekomponenten zu integrieren, ist ein PCM-Sonnenschutzverbundsystem. Ein solches System wurde von der Firma Warema in Zusammenarbeit mit dem ZAE Bayern innerhalb eines vom BMWi geförderten Projekts entwickelt. Ein innenliegender Sonnenschutz dient im Allgemeinen dazu, das Sonnenlicht zu reduzieren. Dabei heizt sich der Sonnenschutz jedoch auf und gibt diese Wärme an den Raum ab. Die Integration von PCM in den Sonnenschutz führt zu einer geringeren oder verzögerten Erwärmung des Raumes. Untersuchungen an Labormustern haben ergeben, dass dasMaximum der Behangtemperatur um 3 Stunden verschoben wird und der Raum 2°C kühler bleibt. Die Strahlungsasymmetrie lässt sich um 6°C verringern. Wie in allen anderen Anwendungen ist jedoch eine Wärmeentsorgung durch Nachtlüftung notwendig. Dieser Ansatz wird z. Zt. im Projekt PCM-Demo in realen Installationen untersucht.

Das transparente Fassaden-Bauelement der Firma GLASSX ist ein passives System, das vorwiegend zum Heizen, aber auch zum Kühlen eines Raumes dient. Es besteht aus mehreren Schichten: Eine PCM-Schicht auf der dem Raum zugewandten Seite speichert die Wärme der einfallenden Solarstrahlung. Eine Mehrfachverglasung an der Fassade verhindert Wärmeverluste und ein dazwischen befindliches Prismenglas lässt die Sonnenstrahlung nur bei flachem Einstrahlungswinkel passieren (also im Winter) - und schützt somit den Raum im Sommer vor Überhitzung. Ein keramischer Siebdruck auf der Rauminnenseite lässt dem Architekten Gestaltungsfreiheit in der Farbwahl. Das System wurde bisher in etwa einem Dutzend Gebäude in der Schweiz installiert. Das Titelbild dieses Infos zeigt den Einsatz der PCM-Wärmespeicher in der Fassade eines Altersheims.

Merkzettel

BINE-Abo

Publikation abonnieren