Forschung für Energieoptimiertes Bauen: Projekt: Klimaaktive Wärmespeicher in Baustoffen

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Klimaaktive Wärmespeicher in Baustoffen

Blick auf Kapillarrohrsystem. Die Bauplatte mit integrierter Wärmespeicherfunktion auf Basis von PCM-Materialien kann mit dem Wärmeträgermedium Wasser thermisch aktiviert werden.

Bei der Temperierung von Räumen über große Flächen kann die Temperatur zum Heizen und Kühlen nahe der Raumtemperatur liegen. Dies fördert zum einen die Behaglichkeit, zum anderen können bislang ungenutzte Wärmequellen oder Wärmesenken erschlossen werden. So z. B. die Temperaturdifferenzen zwischen Tag und Nacht oder außen und innen. Auch das Erdreich kann als Wärmequelle oder Wärmesenke genutzt werden. Bausysteme mit integrierten Phasenwechselmaterialien (PCM) können viel Wärme im Bereich der Raumtemperatur speichern. Wird diese Wärme über Wasser führende Systeme zugeführt oder abgerufen, dann können Räume mit solchen Systemen energieeffizient temperiert werden. Mit diesem Forschungsprojekt wurden Materialien, Komponenten und Systeme auf Basis von Paraffinen weiterentwickelt, aussichtsreiche Anwendungen identifiziert, Systemtests durchgeführt und ein Planungstool entwickelt.

Technologiesteckbrief

Offizieller Projekttitel	Aktive PCM-Speichersysteme für Gebäude, Simulation und Auslegung - "PCM-Aktiv"
Laufzeit	09/2004 - 09/2008
Technologiestatus	Pilotprojekt
Schwerpunkte	Regenerative + passive Kühlung, Thermisch aktivierte Bauteilsysteme, Wärme-/Kältespeicherung

Projektbeschreibung

Die Wärmeaufnahmefähigkeit von im Bauwesen üblichen Putzen, Gipskartonplatten, Paneelen, Estrichen und Spachtelmassen kann enorm erhöht werden, indem diesen Baustoffen mikroskopisch kleine, gekapselte Phasenwechselmaterialien auf Basis von Paraffinen beigemischt werden (Phase Change Material, PCM). Die Aktivierung der PCM kann über Wasser führende Systeme erfolgen, die in der Regel Kapillarrohrmatten oder Rohrregister nutzen. Auf diese Weise können Gebäude mit deutlich geringerem Energieeinsatz temperiert werden.

Forschungsseitig sind in diesem Projekt das Fraunhofer ISE und die BTU Cottbus beteiligt. Die BASF entwickelt die PCM auf Basis von Paraffinen, die Baustoffhersteller maxit und daw entwickeln die Baustoffsysteme Valentin Energiesoftware setzt die Erkenntnisse in ein handhabbares Planungstool um. Als Phasenwechselmaterialien wurden ausschließlich Salzhydrate eingesetzt.

Paraffine oder Salzhydrate?

Im Temperaturbereich der Raumkühlung (ca. 20-30°C) stehen prinzipiell zwei PCM-Materialklassen zur Wärmespeicherung zur Verfügung: Paraffine und Salzhydrate.

Paraffine sind organische Kohlenwasserstoffverbindungen und werden gerne wegen ihrer chemischen Reaktionsträgheit eingesetzt. Außerdem lassen sie sich mittels Mikroverkapselung gut verarbeiten und in verschiedene Baustoffe integrieren. Denn Mikrokapseln sind fließfähig als Pulver oder Dispersion, gut dosierbar und besitzen einen guten Wärmeübertrag durch ein hohes Oberfläche/Volumen-Verhältnis. Im Vergleich zu Salzhydraten haben sie ähnliche massenbezogene Energiedichten.

Salzhydrate (und eutektische Mischungen von Salzhydraten) sind anorganische Salze mit Kristallwasser. Sie haben eine höhere Dichte und daher eine höhere volumenbezogene Energiedichte. Salzhydrate lassen sich nicht in Mikrokapseln einbinden, die Verarbeitung erfolgt in größeren Gebinden wie z. B. Folienbeutel oder Makrokapseln aus Kunststoff. Salzhydrate sind nicht brennbar.

Fokus

Ausgehend von den in vorausgegangenen Projekten entwickelten und teilweise marktverfügbaren Baustoffen mit integrierten Phasenwechselmaterialien (PCM) auf Basis von Paraffinen werden diese passiven Systeme nun zu Systemen für die aktive Kühlung weiterentwickelt, die Systeme wurden charakterisiert und getestet. Außerdem wurde ein Tool zur Simulation dieser neuen Gebäudesysteme entwickelt.

Die BASF in diesem Projekt geeignete Latentwärmespeichermikrokapseln entwickelt auf Basis von Paraffinen für aktive, baustoffintegrierte Wärmespeichersysteme. Für die wasseraktivierbaren Wärme- und Kältespeicher wurden geeignete Latentwärmespeichermikrokapseln hergestellt und den Notwendigkeiten der Baustoffe der Partner angepasst. BASF lieferte große Muster an die Projektpartner aus der Baubranche. Die Materialien für die Anwendung in Gebäuden wurden detailliert untersucht unter energetischen, ökologischen und ökonomischen Kriterien bewertet.

Der Baustoffhersteller maxit entwickelte in diesem Projekt Putze und Estriche für aktive Wärmespeichersysteme, welche für Wasser führende Systeme geeignet sind. Im Technikumsmaßstab wurden Produktionssysteme für die Bereiche Boden, Wand und Decke unter kontrollierten Bedingungen vermessen.

Die Deutschen Amphibolin-Werke (DAW, Caparol) entwickelte in diesem Projekt Innenputze und Spachtelmassen, die für aktive Wärmespeicherflächen mit Wasser führenden Systemen geeignet sind. Die Spachtelmassen wurden vom Labor- über den Technikums- bis zum Praxismaßstab entwickelt, erprobt und optimiert.

Am Lehrstuhl für Angewandte Physik / Thermophysik der BTU Cottbus wurde ein Messverfahren entwickelt, mit dem der Beladungsgrad von PCM-Wärmespeichern bestimmt werden kann. Das neu entwickelte Verfahren wird an mit PCM befüllten Sandwich-Paneelen getestet. Hierzu werden auch Untersuchungen in der PASSYS-Testzelle unter realen Klima- und Solarstrahlungsbedingungen durchgeführt.

Valentin Energiesoftware hat auf Basis der vom Fraunhofer ISE entwickelten mathematischen Modelle für die bauteilintegrierten PCM-Wärmespeicher und mit dem zugehörigen Gebäudemodell eine PC-Software nach dem Windows-Standard entwickelt. Durch Anpassung und Schaffung von Schnittstellen zu bereits bestehenden Programmen zur Systemtechnik ist eine Simulation der resultierenden thermischen Effekte und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen möglich.

Das Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme koordinierte das gesamte Forschungsprojekt und leistete Beiträge im Bereich der Systemmodellierung, Simulationsmodelle, Rechenkernentwicklung, optimierte Auslegung und Systemtests. Außerdem wurde das entwickelte Simulationstool anhand von Messdaten aus verschiedenen Testräumen validiert. Am Fraunhofer ISE wurde auch ein komplett neuer Testraum in Anlehnung an DIN4715-1 und EN 14240:2004 aufgebaut, womit Flächenheiz- und Kühlsysteme unter kontrollierten und reproduzierbaren Umgebungsbedingungen vermessen werden. Die Umgebungsflächen des Testraumes mit 4x4m² Grundfläche und 3,1 m Höhe sind vollständig temperierbar. Eine demontierbare Südwand ermöglicht auch Messungen unter Außenbezug.

Erfolge

Mit Messungen in den Testräumen und an Wandmustern konnte nachgewiesen werden, dass die PCM-Kühldecken prinzipiell funktionieren. Insgesamt können durch die PCM bei entsprechender Regelung Temperaturspitzen gegenüber einem unklimatisierten Raum reduziert und gegenüber einer konventionellen Kühldecke kann der Energiebedarf vermindert werden.

Mit Micronal wurde ein neues mikroverkapseltes PCM-Basis-Produkt entwickelt, dessen Schmelzpunkt auf mit Wasser (aktiv) durchströmte Systeme optimiert ist (Micronal DS5029). Mit PCM 21 jetzt ist auch eine Variante von Micronal® für aktive Kühlsysteme verfügbar mit einem Schmelzbereich von ca. 19 - 22,5°C.

Die Systementwicklung für Kühldecken wurde in zwei Demonstrationsobjekten demonstriert - einmal basierend auf PCM-Gipsputz (maxit) und einmal mit dem System mit PCM-Spachtelmasse (DAW).

Das Designtool für aktive und passive PCM-Systeme wurde anhand von realien Messdaten validiert und inzwischen veröffentlicht. Es kann unter www.valentin.de kostenfrei bezogen werden.

Meilensteine

Das Projekt wurde im Februar 2008 mit dem Aufbau zweier Demonstrationsobjekte als letztes Arbeitspaket erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurden auch verschiedene Regelungsstrategien entwickelt und getestet. DAW und das Fraunhofer ISE haben das Projekt darüber hinaus bis September 2008 verlängert, um noch den Sommer 2008 für die Vermessung der PCM-Kühldecken im realen Gebäudebetrieb zu nutzen. Die Auswertung der Ergebnisse ist jedoch noch nicht abgeschlossen, das prinzipielle Funktionieren des Systems konnte jedoch schon gezeigt werden.

Anwendung

Es gibt bereits erste, marktverfügbare PCM-Baustoffe:

Die BASF produziert einen PCM-Rohstoff in mikroverkapselter Form für die Baustoffindustrie: Micronal® PCM

Weitere Industriepartner fertigen verschiedene PCM-Baustoffe oder Bauprodukte auf der Basis von PCM-Rohstoffen der BASF:

H+H Celcon bietet Porenbetonsteine mit beigemischten Latentwärmespeicher an: CelBloc Plus. Link zur Website
maxit Deutschland bietet einen PCM-Gipsputz an, der als einlagiger Innenputz die Raumtemperatur regulieren kann: maxit clima (PCM-Gipsputz). Link zur Website, zur Produktinformation
Knauf fertigt spezielle Bauplatten, die von BTC Speciality Chemical Distribution GmbH vertrieben werden: SmartBoard™.
Ein erstes thermisch aktivierbares System bietet das Unternehmen Ilkazell Isoliertechnik an. Es ist eine Variante des SmartBoard. Über ein integriertes Kapillarsystem kann mit Wasser der Wärmespeicher gezielt ent- oder beladen werden: Ilkatherm aktiv – als Kühlsegel, Deckenplatten oder Wandplatten einsetzbar. Link zur Website Ilkazell, zur Produktinformation (8 Seiten, PDF, 486 kB)
Valentin Energiesoftware bietet ein Designtool für aktive und passive PCM-Systeme zum kostenfreien Download an: www.valentin.de, PCMexpress