Phasenwechselmaterialien

Grundsätzlich ist bei der Verwendung von PCMs zu beachten, dass auch hier eine gewisse Temperaturdifferenz zur Phasenwechseltemperatur auftreten muss, damit das Material be- oder entladen werden kann. Anhand dieser Phasenwechseltemperatur und auch der chemischen Eigenschaften kann das PCM der Aufgabe entsprechend ausgewählt werden. Trotz der bereits weiten Verwendung von PCM gibt es weiterhin grundsätzliche offene Fragen:

Im Rahmen dieser Fallstudie wird exemplarisch auf die Einflüsse der Gebäudehülle (Neubau, sanierter Altbau), das Klima (Hamburg, Freiburg), das PCM-System (aktiv, passiv) sowie die Gebäudenutzung eingegangen. Dabei werden sowohl chemische als auch wirtschaftliche Analysen außen vorgelassen, da der Fokus dieser Arbeit auf rein energetischen Betrachtungen liegt (siehe auch Ref. [2]).

Methodik

Zur Bewertung der einzelnen Einflussfaktoren wird ein hausintern entwickeltes TRNSYS-Modell verwendet, welches alle gewünschten Eigenschaften aufweist und eine energetische Jahressimulation ermöglicht. Dabei wird das Jahr in 10-Minuten-Zeitschritten durchlaufen, um die Effekte innerhalb der Phasenwechselmaterialien (Paraffingemisch, Δh_sl =241,6 kJ/kg bei 25…26 °C) hinreichend genau auflösen zu können. Ein TRNSYS-Modell besteht aus verschiedenen Modulen – den sogenannten Types. Das Gebäudemodell, welches auch Sonnenschutz, Verschattung und die Beleuchtungsstärke sowie künstliche Beleuchtung im Raum berücksichtigt, wird durch Type 56b abgebildet. Meteorologische Daten werden durch sogenannte typische meteorologische Jahre (Type 109) zur Verfügung gestellt, wobei daraus die Types 33e, 57 und 69b den Druck, die psychrometrischen Daten sowie die Strahlungstemperatur des Himmels extrahieren und dem Gebäudemodell verfügbar machen. Die Jahresheiz- und -kühlenergien werden durch Type 28b über das Jahr integriert. Details zu den einzelnen Types von TRNSYS sind in Ref. [3] zu finden.

Daraus abgeleitet werden für die Untersuchungen folgende drei Modelle verwendet:

Dabei wird für das PCM in passiven Bauteilen der Type 241 [4] vom Institute of Thermal Engineering der TU Graz verwendet und für das PCM in aktiven Bauteilen der Type 840 desselben Institutes. Bei letzterem wird jedoch durch das PCM (Type 840 [5]) der Zuluftzustand unter Verwendung eines Wärmeübertragers (Type 91) aus den Wetterdaten (Type 33) modifiziert.

Zur Ergründung des Einflusses von Raumgeometrien, zeitlichen Nutzungsprofilen und inneren Lasten werden gemäß der Vorgaben der DIN V 18599-10 [6] folgende Räume betrachtet:

Daraus ist ersichtlich, dass die Flächennutzungsdichte von 0,071 Personen pro Quadratmeter auf eine Person pro Quadratmeter ansteigt und mit ihr einhergehend die inneren Lasten. Dabei sind hier die Lasten aufgrund elektrischer Geräte aufgeführt. Jene durch die Personen werden programmintern, basierend dem Aktivitätsgrad 2 und der Raumtemperatur berechnet.

Weiterhin werden der Einfluss der Gebäudehülle (Tabelle 1) und der klimatischen Bedingungen (Freiburg, Hamburg) berücksichtigt. Es sei dabei hervorgehoben, dass im Falle der Anwendung von passiven PCMs die jeweils erste dem Raum zugewandte Schicht von Wänden und Decke durch eine 3 cm starke Schicht von PCM-dotiertem Gips ersetzt wird.

Ergebnisse und Diskussion

Freischwingende Raumtemperatur

Die freischwingende Raumtemperatur gibt einen ersten Einblick in das thermische Verhalten der untersuchten Räume und PCM-Systeme. Dabei stellt sich die Raumtemperatur gemäß den vorhandenen Lasten ein, ohne dass dabei die Heiz- oder Kühllast maschinell bedient wird. Zur besseren Anschaulichkeit werden die Raumtemperaturen für die Darstellung in einem Histogramm statistisch aufgearbeitet. Dabei wird die Häufigkeit bestimmt, mit der die Temperatur in eine bestimmte 1-K-Klasse fällt. Die Ergebnisse sind exemplarisch für ein Büro in Freiburg in Bild 1 illustriert. Dabei zeigt Bild 1a die Ergebnisse des Altbaus und Bild 1b jene des Neubaus. In beiden Teilabbildungen ist als schwarze Linie die Außentemperatur eingezeichnet. Es ist dabei ersichtlich, dass aufgrund der Gebäudeeigenschaften die Raumtemperaturen zu höheren Temperaturen hin verschoben sind. Es ist dabei jedoch auffällig, dass zwei ausgeprägte Häufigkeitsspitzen bei etwa 10 °C bzw. 30 bis 35 °C auftreten. Dies sind die entsprechenden Extremwerte im Winter bzw. Sommer. In beiden Gebäudetypen haben aktive PCMs in etwa dieselbe Temperatur­charakteristik wie der Referenzzustand ohne PCM. Im Altbau erkennt man, dass das passive PCM eine deutliche Verschiebung der oberen Häufigkeitsspitze um etwa -7 K bedingt, bei gleichbleibender Häufigkeitsspitze bei niedrigen Temperaturen. Dies bedeutet, dass im Sommer deutlich geringere Temperaturen zu erwarten sind, während es im Winter zu keiner Verbesserung kommt. Im Neubau stellt sich die Situation ähnlich dar, nur dass hier die Temperaturverschiebung sowohl im Sommer als auch im Winter eintritt und das mit etwa -3 K. Das führt dazu, dass im Winter sogar eine Verschlechterung der Bedingungen zu erwarten ist, während im Sommer die Verbesserung weniger stark ausfällt als im Altbau.

Heizen

Die Berechnungsergebnisse in Bezug auf Heizen sind in Bild 2 dargestellt. Hierbei ist in Bild 2a der Altbau und in Bild 2b der Neubau gezeigt. Alle relativen Heizlasten sind für den jeweiligen Raum auf den Wert ohne PCM bezogen. Es ist dabei ersichtlich, dass das aktive PCM-System keine Lasteinsparung erwirkt, während bei dem passiven PCM durchaus Änderungen beobachtbar sind. So wird der Nutzen des passiven PCMs im Altbau umso größer, je geringer die Belegungsdichte ist, was daran liegt, dass der Einfluss der Wände im Vergleich zu den Wärmequellen im Raum größer wird. Im Fall des Büros tritt eine Lastminderung von fast 20 % auf. Andererseits ist im Neubau eine leichte bis deutliche Erhöhung der Heizlast zu verzeichnen. Im Büro ist die Heizlast mit passivem PCM gut 10 % oberhalb der Variante ohne PCM. Der Grund dafür liegt in der vergrößerten thermischen Trägheit, welche im Winter dazu führt, dass eine größere Heizlast anfällt, um die gewünschte Raumtemperatur zu erhalten. Dieses Ergebnis ist damit in Übereinstimmung mit Bild 1b.

Kühlen

Die Berechnungsergebnisse in Bezug auf Heizen sind in Bild 3 dargestellt. Hierbei ist in Bild 3a der Altbau und in Bild 3b der Neubau gezeigt. Alle relativen Kühllasten sind für den jeweiligen Raum auf den Wert ohne PCM bezogen. Es ist dabei offensichtlich, dass im Kühlfall deutlich größere Einsparungen erzielt werden können als im Heizfall. Insbesondere fällt auf, dass tendenziell mit größer werdender Belastungsdichte aktive PCM-Systeme gegenüber passiven Systemen von Vorteil sind. Hier kann im besten Fall im Hörsaal eine Einsparung von etwa 40 % realisiert werden. Im Umkehrschluss sind passive Systeme bei eher kleinen Belastungsdichten sinnvoll, wo im Büro im Altbau etwa 35 % und im Neubau sogar 50 % Kühllast eingespart wird.

Klimavergleich

Der Vergleich verschiedener klimatischer Bedingungen ist in Bild 4 dargestellt. Anhand der Kühllast in einem Büro wird für den Altbau (Bild 4a) und Neubau (Bild 4b) gezeigt, dass in Hamburg – erwartungsgemäß – eine geringere Kühllast als in Freiburg auftritt. Jedoch ist auch wieder klar zwischen aktivem und passivem PCM zu unterscheiden. Während ersteres nur marginale Unterschiede aufzeigt, ist im Altbau mit passivem PCM in Hamburg nur noch gut die Hälfte der Kühllast in Freiburg vonnöten, während im Neubau auf eine maschinelle Kühlung ganz verzichtet werden kann. Die Heizlast ist in Hamburg für alle Räume ca. 5 % höher als in Freiburg und wird daher nicht gesondert visualisiert.

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Studie wurden die Einflüsse verschiedener PCM-Systeme auf die Heiz- und Kühllast in verschieden stark thermisch belasteten Räumen untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein TRNSYS-Modell entwickelt, welches für aktive und passive PCMs entsprechend angepasst wurde. Als Ergebnis der Jahressimulationen konnten einerseits freischwingende Raumtemperaturen sowie andererseits die Heiz- bzw. Kühllasten ermittelt werden. Weiterhin wurden die Qualität der Gebäudehülle (sanierter Altbau, Neubau) sowie die Klimata (Hamburg, Freiburg) variiert. Es zeigten sich zum Teil differente Ergebnisse, aber im Kühlfall gilt tendenziell, dass im Altbau oder bei geringen Belastungsdichten passive PCMs und im Neubau oder bei großen Belastungsdichten aktive PCMs die bessere Wahl sind.

Zusammenfassend lässt sich konstatieren, dass trotzdem keine allgemeingültige Aussage für die Wahl des Systems möglich ist, da neben den energetischen Bedingungen noch ökonomische Bedingungen zu beachten sind. Es ist demnach für jeden Einzelfall gesondert zu prüfen, ob und wenn ja, in welcher Art und welchem Umfang ein PCM-Einsatz lohnenswert ist.

Literatur

[1] United Nations Framework Convention on Climate Change: Adoption of the Paris Agreement, Nr. FCCC/CP/2015/L.9/Rev.1, http://unfccc.int/resource/docs/2015/cop21/eng/l09r01.pdf , heruntergeladen am 22.12.2015 [2] A. Hantsch, H. Rosenbaum und K. Hackeschmidt: Fallstudie zum Einsatz von PCM in der Gebäudetechnik, Deutsche Kälte- und Klima-tagung AA IV 8, 18. bis 20. November 2015, Dresden [3] Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin: Manual TRNSYS – A Transient System Simulation program, Vol. 4 Mathematical Reference, 2010 [4] H. Schranzhofer, P. Puschnig, A. Heinz und W. Streicher: Validation of a TRNSYS simulation model for PCM energy storages and PCM wall construction elements, DOI: 10.1.1.520.6262 [5] W. Streicher (Hrsg.): Simulation models of PCM Storage Units, A Report of IEA Solar Heating and Cooling programme - Task 32, Report C5 of Subtask C, 2008 [6] Deutsches Institut für Normung: Energetische Bewertung von Gebäuden- Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung, Teil 10 Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten, DIN V 18599-10, 2011