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Abb. 24: Innovative Konzepte zur Raumkühlung schaffen ein gutes Klima – auch in Werk- und Arbeitsstätten.
© Lichtblau Architekten

Abb. 26: Speicherkonzepte zur aktiven Einbindung in Heiz- und Kühlsysteme.
© H. Mehling

Abb. 27: Schematischer Ansatz für aktive Systeme mit Luft als Wärmeträgerfluid.
© ZAE Bayern

Abb. 28: Schematische Funktion einer aktiven PCM-Kühldecke.
© ZAE Bayern
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PCM-Konzepte für die Gebäudetechnik

Speichersysteme zur Raumkühlung und Heizung mit unterschiedlichen Wärmeträgerfluiden sind energetisch sehr effizient und zum Teil bereits in Produkte umgesetzt. Mit PCM-Slurries als flüssigen, pumpfähigen Speichermedien können zusätzlich große Wärmespeicherkapazitäten erreicht werden.

In innovative Gebäudelösungen eingebundene Wärme- und Kälte-Speicher beruhen im Wesentlichen auf drei verschiedenen Konzepten. Abbildung 26 führt links das bekannteste System auf, bei dem sich das Speichermaterial in einem Speichertank befindet und das Wärmeträgerfluid (WTF) durch Kanäle in einen Wärmeübertrager strömt. Beim zweiten Konzept befindet sich das PCM makroverkapselt in PCM-Modulen, die im Speicherbehälter positioniert sind und vom Wärmeträgerfluid umströmt werden. Im dritten Konzept ist das PCM Bestandteil des Wärmeträgerfluids und erhöht dessen Fähigkeit, Wärme zu speichern. Es kann somit an jeden beliebigen Ort im System gepumpt werden – wo es direkt Wärme freisetzt oder aufnimmt. Wärmeträgerfluid und PCM bilden zusammen ein pumpfähiges Speichermedium – auch als „PCM-Slurry“ bezeichnet. Während für die ersten beiden Konzepte Luft sowie Wasser oder andere Flüssigkeiten als Wärmeträgerfluid eingesetzt werden können, eignet sich Letzteres lediglich für Flüssigkeiten.

Systeme mit Wärmeübergang an Luft

Speicher in thermisch aktivierten Bauteilen (TABS) nutzen raumseitig lediglich die freie Konvektion der Luft sowie den Strahlungsaustausch zur Wärmeübertragung. Sie sind daher in ihrer Leistung eingeschränkt. Dies gilt besonders in Zusammenhang mit PCM als Wärmespeicher, da hier die Temperaturdifferenz zwischen Speichermaterial und Raumluft nur wenige Grad Celsius beträgt. Abhilfe schafft die Nutzung erzwungener Konvektion, d. h. die Luft wird aktiv an der Oberfläche des Speichermaterials vorbei geblasen. Der Einfachheit halber wird dieser Ansatz meist für die Be- und Entladung gleicherweise genutzt. Mögliche Einbauformen sind die in einer Deckenkonstruktion, im Fußboden oder als separate Einheit. Da Luft als Wärmeträger genutzt wird, ist bei den meisten Systemen eine Kälteversorgung durch kühle Nachtluft angestrebt. Da in diesem Fall die Kälte frei zur Verfügung steht, werden solche Systeme auch „Free cooling“- Systeme genannt. Sie sind energetisch sehr effizient, da keine Energie zur Kälteerzeugung eingesetzt wird. Allerdings sind die Kanäle so auszuführen, dass eine Reinigung des Luftwegs ermöglicht wird.

  • Systeme zur Raumkühlung in der Deckenkonstruktion

…werden derzeit in Pilotanlagen erprobt. Mit Salzhydraten gefüllte PCM-Beutel werden bereits in passiven Kühldeckensystemen eingesetzt. Diese sind einfach zu installieren. Jedoch ist aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit der raumseitig abgrenzenden Platten – z. B. Gipskartonplatten – die Kühlleistung begrenzt. Eine aktive Hinterlüftung verbessert den Wärmetransport und erlaubt tagsüber höhere Kühlleistungen und eine gezielte nächtliche Regeneration des Systems mit kühler Außenluft. Der berechnete Temperaturverlauf eines Büroraumes mit hinterlüfteter Deckenkonstruktion mit PCM zeigt, dass die Spitzentemperaturen durch das PCM um rund 2 K reduziert werden können. Eine solche "hinterlüftete Kühldecke mit PCM" wird im Projekt "PCM-Demo" untersucht. Ein weiteres Beispiel ist das von der Firma Climator (Schweden) entwickelte CoolDeck. Es besitzt eine spezielle Luftführung, bei der die Decke des Raumes die obere Begrenzung des Luftkanals bildet. Dadurch wird nicht nur das PCM selbst, sondern auch die Decke als Speicher verwendet. Das System ist als Teil eines Demonstrationsprojekts im Rathaus von Stevenage (England) installiert. Die maximale Raumlufttemperatur im Sommer wurde um 3–4 K reduziert. Da die Kälte allein aus der Nachtluft bezogen wurde, entstand der einzige Energieverbrauch durch den Ventilator. Hieraus ergab sich laut Climator ein Wirkungsgrad (COP) im Bereich 10 bis 20. Heute ist das System bereits in mehreren Gebäuden installiert.

  • Systeme zur Raumkühlung in der Fußbodenkonstruktion

..werden bisher lediglich im Labormaßstab getestet. An der Universität von Hokkaido in Japan wurde ein solches System getestet – wobei das PCM als Granulat in einen doppelten Boden eingebracht wurde. Zur Kühlung des Raumes wird dessen Luft über eine Ventilationsöffnung angesaugt, beim Durchströmen des PCM-Granulats gekühlt und über Öffnungen in der Bodenabdeckung dem Raum wieder zugeführt. Als Backup zur Entsorgung der gespeicherten Wärme in der Nacht ist eine Kältemaschine mittels einesWärmeübertragers in den Luftkreislauf zugeschaltet. Es ist geplant, dieses Konzept kommerziell umzusetzen.

  • Systeme zur Raumkühlung als separate Einheit

…sind bereits als Produkt am Markt verfügbar. Die Firma Imtech hat solch ein System (innerhalb des BMWi-Forschungsfeldes Low-Ex) entwickelt. Abbildung 30 zeigt den schematischen Aufbau. Als Speichermaterial wird ein PCM-Grafit-Verbundmaterial eingesetzt, das eine hohe Speicherfähigkeit mit hoher Leistung bei kleinen Temperaturdifferenzen verbindet. Es speichert etwa 30 Wh/kg (108 kJ/kg) im Temperaturbereich 18 °C bis 22 °C. Das Speichermaterial ist als Stapel von Speicherplatten, die von Luft umströmt werden, in das Gerät integriert. Jedes Gerät beinhaltet etwa 35 kg des Speichermaterials – was einer Speicherfähigkeit von etwa 1 kWh entspricht. Auch hier wird die Nachtluft als Kältequelle genutzt. Mit der gespeicherten Kälte kann dann – je nach Einstellung der Außenluftklappe – die Innenluft des Raumes gekühlt werden. Es ist auch möglich, im Ventilationsmodus Frischluft von außen anzusaugen, bevor sie dem Raum zugeführt wird.

  • Systeme zur Raumheizung

…werden z. B. in Solar-Luft-Anlagen eingesetzt. Diese bieten den Vorteil, dass sie Ventilation und Heizen in einem System verbinden können. Die entsprechenden Latentwärmespeicher werden seit Jahren erforscht und bereits in Pilotanlagen getestet. Ein Beispiel ist der Speicher, den die Firma Grammer in Zusammenarbeit mit dem ZAE Bayern im Rahmen des Projekts "Innovative PCM-Technologie" entwickelt hat: Beim Aufladen werden vom Solarkollektor verursachte Temperaturspitzen in der Luft geglättet und beim Entladen die Lufttemperatur über einige Stunden hinweg um 5–8 K erhöht. Der Speicher war von Februar 2003 bis Dezember 2007 in Betrieb. Während der gesamten Betriebsdauer zeigte sich keine erkennbare Veränderung im thermischen Verhalten gegenüber dem Neuzustand.

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