Latentwärmespeicher

Phasenübergangsmaterialien im Raum zur Erhöhung der thermischen Behaglichkeit

An der Bauhaus-Universität Weimar wurde ein Sonderforschungsbereich eingerichtet, der sich speziell mit Werkstoffen und Konstruktionen für die Revitalisierung von Bauwerken beschäftigt. Im Rahmen dieses Sonderforschungsbereiches SFB 524 untersucht der Lehrstuhl Bauphysik die Möglichkeiten zur Verbesserung des Raumluftklimas durch Phasenübergangsmaterialien (Teilprojekt C5). Während es in Gebäuden mit hoher thermischer Masse (z.B. Kirchen, Steinhäuser) im Sommer meist angenehm kühl ist, stellt die Gefahr der sommerlichen Überhitzung im Leichtbau ein Problem dar.

Durch den Einsatz von Phase Change Materials (kurz PCM) im Innenraum können Oberflächen- und Innenlufttemperaturen während der Hitzeperioden im Sommer gesenkt werden. Dadurch wird der sommerliche Wärmschutz des Gebäudes verbessert und der thermische Komfort für die Nutzer erhöht sich. Mit PCM ausgestattete Räume benötigen weder einen erhöhten Wartungsaufwand noch zusätzliche Energie. Sie funktionieren durch die thermische Auf- und Entladung im Tag/Nacht-Rhythmus aufgrund von Sonnenenergie und Nachtlüftung. Phasenübergangsmaterialien können somit eine kosten- und energieeffiziente Alternative zur Klimatisierung mittels Anlagentechnik sein.

Phasenübergangsmaterialien

Was sind Phasenübergangsmaterialien?

Phasenübergangsmaterialien (Phase Change Materials) sind Stoffe, die in einem gewünschten Temperaturbereich einen Phasenübergang durchlaufen. Am Lehrstuhl Bauphysik in Weimar werden Gipsputze, Gipskartonplatten und Holzfaserplatten untersucht, die einen PCM-Gehalt von 20 - 40 % aufweisen. Bei den verwendeten Phasenübergangsmaterialien handelt es sich um Paraffine, die ihren Aggregatszustand (fest <--> flüssig) bei ca. 25°C ändern. Das Einbringen der PCM's erfolgt industriell durch Mikroverkapselung oder durch Tränkung der Trägerplatten.

Abbildung: Paraffin-Mikrokapsel im Gipsputz (Ø ~ 20mm)

Was passiert während des Phasenübergangs?

Während des Phasenübergangs von fest --> flüssig wird dem Stoff Wärme zugeführt, ohne dass sich seine Temperatur dadurch erhöht. Nach dem vollständigen Aufschmelzen des Materials verändern sich dessen thermische Eigenschaften (spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit). Beim Übergang von flüssig --> fest wird die vorher aufgenommene Wärme abgegeben. Das PCM verhält sich nun wieder entsprechend der Materialeigenschaften des festen Stoffes.

Wovon hängt die Temperatur beim Phasenübergang ab?

Die untersuchten Phasenübergangsmaterialien sind Paraffine = Alkane. Die entsprechende Summenformel lautet:

CnH2n+2  

Die Schmelztemperatur eines Paraffins hängt von der Anzahl seiner Kohlenstoff-Atome ab. Für einen Reinstoff kann diese Temperatur exakt bestimmt werden. Die in den Gipsputzen und Holzfaserplatten eingeb etteten Paraffine durchlaufen ihren Phasenübergang in einem Temperaturbereich von

ΔΘ = 4K 

mit

Θ1 = 23°C  <  ΘSCHMELZ  <  Θ2 = 27°C

Wie hoch ist die Wärmekapazität beim Phasenübergang?

Die Wärmekapazität eines Stoffes ist die Ableitung der Enthalpie als Funktion der Temperatur. Die Enthalpie reiner PCM ändert sich bei Erreichen der Schmelztemperatur sprunghaft. Die spezifische Wärme folgt beim Phasenübergang einer DIRAC'schen Deltafunktion. Bei den untersuchten PCM-Materialien handelt es sich nicht um reine Stoffe, es existiert daher ein Temperatur-Bereich, in dem der Phasenübergang stattfindet. Die Änderung der Enthalpie als Funktion von Temperaturänderungen ist in nebenstehendem Diagramm vereinfacht dargestellt.

Abbildung: Wärmekapazität von Gipsputz mit und ohne PCM

Einsatzgebiet: Thermische Behaglichkeit

Wo können PCM-haltige Baustoffe sinnvoll eingesetzt werden?

Phasenübergangsmaterialien erzielen ihre größten Effekte in Räumen mit leichten Innenwänden. Diese besitzen von sich aus eine geringe thermische Masse und können somit nur wenig Wärme speichern. Zimmer mit Leichtbau-Trennwänden reagieren schneller auf zugeführte Wärmeenergie als Räume mit massiven Wänden und Decken, die eine gewisse Pufferwirkung ausüben. (Das im Sommer angenehm kühle Raumklima in alten Steinhäusern ist ein Beispiel dafür.) In Leichtbauten besteht also in verstärktem Maße Überhitzungsgefahr bei hoher solarer Einstrahlung und inneren Lasten. Typische Fälle sind Bürogebäude der 60iger Jahre mit Gipskartonständerwänden. Solche Gebäude stehen in großer Zahl zur Renovierung an. Hier können zur Verbesserung der thermischen Behaglichkeit PCM eingesetzt werden.

Was versteht man unter "thermischer Behaglichkeit"?

Neben Einflüssen wie Luftfeuchtigkeit, Luftbewegung etc. ist die empfundene Temperatur einer der wichtigsten Parameter zur Bestimmung der thermischen Behaglichkeit. Die empfundene Temperatur (auch operative Temperatur genannt) in einem Raum setzt sich aus Raumlufttemperatur und Oberflächentemperatur der Umgebungsflächen zusammen. Man kann diese Temperatur nach folgender Formel bestimmen:

Wie wirken die Phasenübergangskoeffizienten auf die thermische Behaglichkeit?

Mit dem Einbringen von PCM in den Raum wird dessen thermische Masse [J/K] im Temperaturbereich des Phasenübergangs erhöht - es kann mehr Wärme gespeichert werden. Der Vorgang des Phasenwechsels beeinflusst die Oberflächentemperaturen, die sich während des Übergangs fest --> flüssig (tagsüber) nur geringfügig erhöhen. Dadurch werden Temperaturspitzen der Raumluft an strahlungsreichen Tagen geglättet und die thermische Behaglichkeit steigt aufgrund der niedrigeren Oberflächentemperaturen.

Modellierung und Simulation

Modellierung des thermischen Verhaltens beim Phasenübergang

Am Lehrstuhl Bauphysik wurde ein vereinfachtes Rechenverfahren entwickelt, das die wichtigsten physikalischen Vorgänge im Raum abbildet. Mit diesem vereinfachten Modell können die Auswirkungen von eingebrachtem PCM auf einen Büroraum unter der Voraussetzung von solarer Einstrahlung und internen Lasten nachgebildet werden.

Bei der Berechnung wird ein mit herkömmlichem Gipsputz ausgestatteter Büroraum mit einem Raum verglichen, in dem PCM-haltiger Putz verwendet wurde. Wichtige Größen sind hierbei die sich einstellenden Raumlufttemperaturen und Oberflächentemperaturen.

Abbildung: Schema eines Büroraumes mit Wärmeeinträgen, Luft- und Oberflächentemperaturen
Abbildung: Schema eines Büroraumes mit Wärmeeinträgen, Luft- und Oberflächentemperaturen

Gebäudesimulation mit Implementierung von Phasenübergängen in Bauteilen

Im weiteren Verlauf des Forschungsprojektes "Phasenübergangsmaterialien im Raum" werden die PCM in ein Gebäudesimulationsprogramm eingebunden. Damit lassen sich thermische Vorgänge in komplexen Bausituationen nachstellen und es können Parameterstudien im Hinblick auf einen effektiven Einsatz dieser innovativen Materialien durchgeführt werden. Am Lehrstuhl Bauphysik steht hierfür das an der Strathclyde University Glasgow entwickelte Gebäudesimulationsprogramm ESP-r zur Verfügung.

Forschungsvorhaben im Jahr 2003

Im Sommer 2003 werden "in situ" Messreihen an einem Verifikationsobjekt durchgeführt. Dazu werden in einem ehemaligen Bürogebäude zwei baugleiche Räume mit bzw. ohne Phasenübergangsmaterialien ausgestattet. Gemessen werden alle relevanten Größen wie Oberflächen- und Lufttemperaturen, solare Einstrahlung etc. . Die internen Lasten werden mittels einer Heizapparatur nachgebildet und der Luftwechsel wird mechanisch geregelt. Somit kann der Einfluss der Randbedingungen auf die sich einstellende Raumtemperatur untersucht werden. Die Effekte der Phase Change Materials lassen sich durch Vergleich der Messdaten aus den zwei Messräumen (mit und ohne PCM) eruieren.

Abbildung: In situ - Messung im Verifikationsobjekt

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Conrad Völker
 
Dr.-Ing. Sabine Hoffmann