PCMs in der Gebäudetechnik
Unterstützung der Klimatechnik durch Latentwärmespeicher
Gebäude unterliegen einem ständigen Wechsel der klimatischen Bedingungen. Diese reichen vom jährlichen Wechsel der Jahreszeiten, über Temperaturänderungen von Tag und Nacht bis hin zu verschiedenen Wärmequellen wie zum Beispiel EDV-Anlagen, Maschinen oder Menschen. Es wird viel Energie benötigt, um diese verschiedenen Belastungen durch eine ausgeklügelte Klimatisierung im Gebäude auszugleichen. PCMs können dabei auf verschiedenen Ebenen die Klimatechnik entlasten.
Als Latentwärmespeicher oder Phasenwechselmaterialien bezeichnet man Materialien, welche einen reversiblen Phasenwechsel in einem für die jeweilige Anwendung nutzbaren Temperaturbereich vollziehen (abhängig vom jeweiligen Schmelzpunkt). Bei diesem Phasenwechsel kann eine große Menge thermischer Energie ohne Temperaturerhöhung gespeichert werden. Meist wird der Phasenwechsel von fest zu flüssig genutzt. Aus technischer Sicht ist dieser Phasenwechsel besser beherrschbar als ein Übergang von flüssig zu gasförmig.
Die im Temperaturbereich des Phasenwechsels gespeicherten Energiebeträge sind deutlich größer als die Energieaufnahme in einem gleich großen Temperaturintervall während des „normalen“ Erwärmens (spezifische Wärmekapazität). Aus diesem Grund gibt es einen Vorteil in Bezug auf die Wärmespeicherdichte, besonders bei kleinen Temperaturdifferenzen. Die Wärmeenergie, die während des „normalen“ Erwärmens im Material gespeichert wird, wird auch sensible Wärme genannt und bringt eine Temperaturerhöhung mit sich. Bei der während des Phasenüberganges gespeicherten, versteckten (latenten) Wärme geschieht dies nicht.
Heutzutage ist eine Vielzahl von Latentwärmespeichermaterialien bekannt, die sich mit ihrem Schmelzbereich und den zugehörigen Schmelzenthalpien über große Bereiche erstrecken. Für die Anwendung im Gebäudebereich als zentrale oder dezentrale Energiespeicher zu Heiz- und Kühlzwecken eignen sich aufgrund ihrer Schmelzpunkte in erster Linie Paraffine und Salzhydrate. Beide Materialklassen besitzen relativ geringe Wärmeleitfähigkeiten, was die Energiein- und auskopplung erschwert. Daher sind gut abgestimmte Komponenten und ein schlüssiges Gesamtkonzept Voraussetzung für eine effektive Systemrealisierung.
Aktive und passive Systeme
Die Klimatechnik beim ZAE in Würzburg wird z.B. durch sogenannte CSM-Platten der Firma Rubitherm unterstützt. Ferner gibt es inzwischen zahlreiche Anwendungen, bei denen die Kühlung von Serverräumen durch PCM unterstützt wird und in der kälteren Jahreszeit die Abwärme der IT gespeichert und später über Luftkanäle dem Gebäude zur Beheizung zur Verfügung gestellt wird. Ein solches System ist ein aktives System, da die Energiezufuhr und -entnahme aus dem PCM zum Teil aktiv über das Klimasystem des Gebäudes gesteuert wird.
Ein passives System funktioniert über natürliche thermische Veränderungen. Die CSM-Platte kann u.a. auf eine abgehängte Decke montiert werden. Wenn Sonne durch die Fenster scheint, wird der Raum erwärmt. Warme Luft steigt demzufolge empor zur Decke, auf der die CSM-Platten liegen. Diese Platten nehmen durch das Schmelzen des PCMs Wärme auf, so dass die umliegende Luft gekühlt wird. Kalte Luft sinkt herab und kühlt den Raum.
Wichtig bei passiven Systemen ist, dass die aus dem Raum aufgenommene Wärme oder Kälte wieder abgegeben wird, um am nächsten Tag wieder einsatzfähig zu sein. Für den Gebäudebereich werden häufig die anorganischen PCMs (z.B. SP21E) bevorzugt. Zum Einsatz kommen Schmelzbereiche von ca. 20 °C bis 30 °C je nach System und Gebäudestandort. Diese PCM sind im Vergleich zu den organischen Speichermaterialien nicht brennbar und häufig auch preislich von Vorteil. Nachteilig ist, dass die Anzahl der verfügbaren Schmelzpunkte wesentlich geringer ist.
Verkapselte Platten
Bei den von Rubitherm entwickelten CSM-Platten ist das PCM in einer Aluminiumhülle verkapselt. Diese PCM-Verpackung, die sogenannte Makroverkapselung, ermöglicht unterschiedlichste Anwendungen. Der Vorteil liegt darin, dass sich der Phasenwechsel für den Anwender versteckt und innerhalb der Einhausung vollzieht. Die Makro-Verkapselung kann als fertiges Bauteil für neue und bestehende Systeme betrachtet werden.
Die CSM Platten werden aus zwei umgeformten Aluminiumplatten zusammengefügt, an zwei Punkten mittig verbunden und zusätzlich am umgestellten Rand verklebt. Das verwendete Aluminium sorgt für einen hohen Wärmeübertrag und besitzt eine von sich aus geringe Korrosionsneigung. Die Korrosionsbeständigkeit wird zusätzlich durch eine industriell aufgebrachte Antikorrosionsschicht auf der inneren und äußeren Seite verstärkt. Abschließend wird das vom Kunden gewünschte PCM eingefüllt.
Das so vorbereitete Produkt lässt sich mit höchster Sicherheit in bestehende Systeme und Anlagen integrieren. Es können nahezu alle PCM-Materialen, sei es organische RT- oder anorganische SP-Materialien, in die CSM-Platte gefüllt werden. Dadurch wird eine Anpassung an unterschiedlichste Einsatztemperaturen gewährleistet.
Die CSM-Platte hat die Abmaße von 450 x 300 x 15 mm und ein Leergewicht von ca. 0,35 kg. Das Füllgewicht liegt etwa bei 2 kg. Je nach PCM ergibt sich somit eine Kapazität von etwas 100Wh pro CSM-Platte.
Untersuchungen
In einem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt (PCM-Demo II, Teilvorhaben 2) hatte man bereits vor einigen Jahren gemeinsam mit dem ZAE Bayern und anderen Partnern die Energieeffizienz ermittelt. Dazu wurden die CSM-Platten in einen 1,5 m langen, isolierten Lüftungskanal eingesetzt. Ziel dabei war es, den Speicher günstig und möglichst mit herkömmlichen Bauteilen zu bauen, um Kosten beim Material bei der Herstellung, aber auch beim Einbau zu sparen. Durch die Verwendung von handelsüblichen Bauteilen ist die Kombination mit anderen Lüftungsgeräten realisierbar.
Als Demonstrationsgebäude dienten die Büroräume der Firma Rubitherm. Diese befinden sich in einem freistehenden Fabrikgebäude in Berlin-Tempelhof. Es handelt sich hierbei um zwei Büros, einen angeschlossenen Vorraum (Lobby) und einen Besprechungsraum. Die Raumlufttemperaturen konnten im Messzeitraum in allen Räumen auf maximal 26 °C begrenzt werden. Infolge der nächtlichen Auskühlung konnten die Büroräume im Mittel auf 22 °C vortemperiert werden. Die Lobby blieb mit knapp 24 °C etwas wärmer.
Insgesamt zeigte das untersuchte Lüftungssystem mit PCM eine sehr gute energetische Effizienz mit mittlerem EER von über 4 bis 7, je nach verwendetem Volumenstrom. Ferner konnten die positiven Auswirkungen auf die thermische Behaglichkeit in den untersuchten Räumen nachgewiesen werden.
Einen ausführlichen Bericht zu dem erwähnten Projekt finden Sie unter //t1p.de/96l7:https://t1p.de/96l7. Das erwähnte Teilvorhaben 2 ist mit allen Ergebnissen ab Seite 46 detailliert beschrieben.
Wie funktioniert ein PCM?
Wird ein PCM erwärmt und nähert sich die Temperatur dem Schmelzpunkt, wird die umgebende Wärme dazu genutzt, den Phasenwechsel zu vollziehen. Während dieser Umwandlung von fest zu flüssig kommt es daher zu keiner Temperaturerhöhung. Sobald das PCM vollständig flüssig vorliegt, erwärmt sich der Stoff wie gewohnt weiter. Wird das PCM nun wieder abgekühlt und beginnt zu erstarren, wird die Energie bzw. Wärme, die zuvor aufgenommen wurde, wieder abgegeben. Dies ist damit begründet, dass es sich bei einem flüssigen Zustand um einen höheren Energiezustand handelt. Im flüssigen Zustand ist demnach Energie gespeichert und kann vollständig reversibel durch Erstarren wieder abgegeben werden. Die im Gebäudebereich verwendeten PCM reagieren ausschließlich auf Temperaturänderungen. Ein Aktivieren mittels Schalters, wie z.B. bei bekannten Handwärmer, ist nicht möglich.
