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Klimaaktive Wärmespeicher in Baustoffen
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Blick auf Kapillarrohrsystem. Die Bauplatte mit integrierter Wärmespeicherfunktion auf Basis von PCM-Materialien kann mit dem Wärmeträgermedium Wasser thermisch aktiviert werden.
© BINE Informationsdienst
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 - 08/2007 |
| Technologiestatus |  Pilotprojekt |
| Schwerpunkte |
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Projektbeschreibung
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.
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.
Fokus
Ausgehend von den in vorausgegangenen Projekten entwickelten und teilweise marktverfügbaren Baustoffen mit integrierten Phasenwechselmaterialien (PCM) 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 entwickelt in diesem Projekt geeignete Latentwärmespeichermikrokapseln auf Basis von Paraffinen für aktive, baustoffintegrierte Wärmespeichersysteme. Für die wasseraktivierbaren Wärme- und Kältespeicher sollen geeignete Latentwärmespeichermikrokapseln hergestellt und den Notwendigkeiten der Baustoffe der Partner angepasst werden. BASF liefert große Muster an die Projektpartner aus der Baubranche. Die Materialien für die Anwendung in Gebäuden werden detailliert untersucht unter energetischen, ökologischen und ökonomischen Kriterien bewertet.
Der Baustoffhersteller maxit entwickelt in diesem Projekt Putze und Estriche für aktive Wärmespeichersysteme, welche für Wasser führende Systeme geeignet sind. Im Technikumsmaßstab werden Produktionssysteme für die Bereiche Boden, Wand und Decke unter kontrollierten Bedingungen vermessen.
Die Deutschen Amphibolin-Werke (DAW, Caparol) entwickelt in diesem Projekt Innenputze und Spachtelmassen, die für aktive Wärmespeicherflächen mit Wasser führenden Systemen geeignet sind. Die Spachtelmassen werden 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. Es ist geplant das zu entwickelnde Programm in eine bestehende Softwarefamilie zu integrieren und zu vermarkten.
Das Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme koordiniert das gesamte Forschungsprojekt und leistet Beiträge im Bereich der Systemmodellierung, Simulationsmodelle, Rechenkernentwicklung, optimierte Auslegung und Systemtests. Außerdem wird 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).
Es wurden erste Demogebäude mit in diesem Projekt entwickelten Produkten ausgestattet.
Meilensteine
In den nächsten Monaten werden mindestens eine Kühldecke mit dem neuen PCM-Material im neuen Testraum vermessen und verschiedene Regelungsstrategien für die Kühldecke in Abhängigkeit von der angeschlossenen Wärmesenke entwickelt. Zeitgleich werden zwei Demovorhaben mit einer PCM-Kühldecke ausgestattet und während des Sommers 2007 intensiv im Realeinsatz vermessen.
Das Designtool wird planmäßig Ende des Jahres zur Verfügung stehen. Hier stehen noch das Abschließen der Implementierung und die ausführliche Validierung anhand von Messdaten an.
Anwendung
Es gibt bereits erste, marktverfügbare PCM-Baustoffe:
Die BASF produziert einen PCM-Rohstoff in mikroverkapselter Form für die Baustoffindustrie: Micronal® PCM.
Link: http://www.micronal.de/portal/basf/ide/dt.jsp?setCursor=1_290226
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: http://www.hhcelcon.de, http://www.human-healthy.de/waermespeicher.htm
maxit Deutschland bietet einen PCM-Gipsputz an, der als einlagiger Innenputz die Raumtemperatur regulieren kann: maxit clima (PCM-Gipsputz)
Link: www.maxit.de, http://www.maxit.de/775/pagetype/1/url/977
Knauf fertigt spezielle Bauplatten, die von BTC Speciality Chemical Distribution GmbH vertrieben werden: SmartBoard™.
Link: http://www.micronal.de/portal/basf/ide/dt.jsp?setCursor=1_290227
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: http://www.ilkazell.de, http://www.ilkazell.de/pdf/prospekt_ilkatherm.pdf
Außerdem in Planung: Kommerzielles Softwaretool zur Auslegung baustoffintegrierter PCM-Wärmespeicher
