Erfahrungen mit PCM-Materialien in EnOB

PCM in EnOB-Modellprojekten – eine Analyse
PCM – Phase Change Materials
Erfahrungen aus EnOB-Modellprojekten und einem internationalen Hochschulwettbewerb
MSc Susanne Kauert
Bergische Universität Wuppertal, Fachbereich D Architektur,
Fachgebiet Bauphysik und technische Gebäudeausrüstung
Für diese Auswertung zur Effizienz und Eignung von Phasenwechselmaterialien wurden die verfügbaren
Unterlagen von relevanten Modellprojekten der Forschungsinitiative EnOB und die Berichte der Teilnehmer
am Hochschulwettbewerb Solar Decathlon aus den Jahren 2007 und 2010 ausgewertet.
Grundlagen
Phasenwechselmaterialien, Englisch: phase change material, kurz: PCM, oder auch: Latentwärmespeicher,
zeichnen sich im Vergleich zu herkömmlichen Baustoffen durch eine hohe thermische Speicherkapazität im
Bereich des Phasenübergangs aus. Durch Wärmezufuhr wird ein Phasenübergang von fest zu flüssig
(Schmelzen) angeregt. Die endogene Reaktion erhöht das Wärmespeichervermögen der Baukonstruktion 1.
Phase Change Materials werden im Bauwesen hauptsächlich aus zwei Gründen eingesetzt:
1) In den Sommermonaten tragen PCM zum Temperaturausgleich in Räumen bei. Im Bereich ihres
Schmelzpunktes erhöhen sie die thermische Speicherfähigkeit von Räumen und verlangsamen somit
das Aufheizen des Raumes. Voraussetzung hierfür ist die Möglichkeit zur Wärmeabgabe in der Nacht, da
der Speicherwirkung auch hierbei Grenzen gesetzt sind.
2) Im Winter kann die erhöhte Wärmespeicherfähigkeit der Materialien die passive Solarnutzung
unterstützen. Von der Sonne beschienene oder im Kontakt mit der Raumluft stehende Innenoberflächen
mit PCM speichern am Tag Wärme und geben diese zeitversetzt wieder an den Raum ab, was den
Heizwärmebedarf senken kann. Dazu ist eine Phasenwechseltemperatur im Bereich von 22 °C
angemessen. Ziel ist die Pufferung von Wärmeeinträgen im Tagesverlauf. Eine Langzeitspeicherung ist
auf diese Weise nicht möglich.
PCM werden vorzugsweise dann eingesetzt, wenn der eigentlichen Baukonstruktion thermische
Speichermasse fehlt. Leichtbauten, in denen es nicht möglich ist, zusätzlich Masse einzubringen, um die
thermische Trägheit der Räume zu erhöhen, können vom PCM-Einbau profitieren.
1
Baetens, R. et. Al.; Phase change materials for building applications; A state-of-the-art review;
Energy and Buildings; Vol. 42; 2010.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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PCM in EnOB-Modellprojekten – eine Analyse
Der Einsatz von Phasenwechselmaterialien im Bauwesen ist in Deutschland vor allem eine Entwicklung der
letzten zwei Jahrzehnte.2 Die Materialien selbst und ihre nutzbaren Eigenschaften sind hingegen viel länger
bekannt. Bereits 1938 reichte Lyman Mc Farlam das Patent für das erste sogenannte heating pad in den
USA ein. Daneben werden die Materialien seit über einem Jahrhundert vor allem für Transportkühlsysteme
verwendet. Wiederverwendbare heating pads haben als Taschenwärmer mit Knickplättchen nicht nur in den
USA seit vielen Jahren einen festen Platz in vielen Winterjacken. Die Möglichkeiten der chemischen
Zusammensetzung und bedarfsabgestimmten Anwendungsmöglichkeiten sind bekannt und bereits vielfach
untersucht. In den letzten Jahren wurden verstärkt die Potenziale in der Praxisanwendung im Bauwesen
untersucht, u.a. im Rahmen von EnOB-Demonstrationsgebäuden. Das liegt nicht zuletzt an der
Marktverfügbarkeit geeigneter Produkte. Das älteste diesbezügliche EnOB-Forschungsprojekt ist eine
Sanierung zum Bürogebäude im Passivhausstandard in Tübingen. Das Gebäude wurde 2003 fertiggestellt.
Anwendungsarten
Um sich der Problematik zu nähern, ist es sinnvoll, die verschiedenen Anwendungsarten3 zu erläutern.
Generell unterscheidet man passive und aktive Anwendungen.
Abb. 1
Die verschiedenen Anwendungsarten von Phasenwechselmaterialien (PCM)
Passive Anwendung
Bei der passiven Anwendung erfolgt die Wärmeein- bzw. -ausbringung ohne mechanische Unterstützung.
Die Wärmeübertragung zwischen dem PCM und der Innenraumluft findet nur in Abhängigkeit zur Raumtemperatur und der Phasenwechseltemperatur statt. Das PCM reagiert auf die direkten und indirekten
solaren Einträge sowie auf andere thermischen Einträge in einem Raum. Bei Temperaturen von etwa
2-3 Kelvin um ihren Phasenwechselpunkt kann somit vermehrt Wärme gespeichert werden. Die Wärme wird
bei sinkender Raumtemperatur wieder an die Umgebung abgegeben. Wichtig ist, dass das PCM bei passiven
Systemen eine möglichst gute thermische Ankopplung an die Raumluft besitzt oder beispielsweise im Winter
direkt besonnt wird.
2
Forschungsinitiative EnOB; Projektpräsentation „Klimaaktive Wärmespeicher in Baustoffen“.
3
Edwin Rodriguez-Ubiñas; Applications of Phase Change Material in highly energy-efficient houses; Energy and
Buildings; Vol. 50; 2012.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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Aktive Anwendung
Die Funktionsweise der erhöhten Wärmeaufnahme im Temperaturbereich des Schmelzpunktes und die
verzögerte Wärmeabgabe bei Abkühlung verhält sich hier wie bei den passiven Systemen, allerdings mit
dem Unterschied, dass die Wärmeübertragung mechanisch unterstützt wird. Als mechanische Unterstützung
zählt das Umströmen der Materialen mit Wasser oder Luft. Aktive Systeme müssen thermisch nicht
unbedingt an das Raumvolumen gekoppelt sein.
Materialien
Als Materialien4 werden in der heutigen Baupraxis Salzhydrate oder Paraffine verwendet. Beide zeichnen
sich durch einen Phasenübergang – je nach Materialzusammensetzung – in der Regel zwischen 20 °C und
30 °C aus.
Paraffine
Paraffine sind organische Kohlenwasserstoffverbindungen mit einer hohen chemischen Reaktionsträgheit.
Das Material kann in Kleinsteinheiten von ≤100 μm hergestellt werden. Diese Herstellung bezeichnet man
als Mikroverkapselung. Mikroverkapselt lassen sich Paraffine in Baustoffe als Pulver oder durch Dispersion
integrieren und einfach weiterverarbeiten. Das Schaffen von kleinen Einheiten hat die Vorteile der guten
Dosierbarkeit, der einfacheren Verarbeitbarkeit, der besseren Wärmeleitung und der höheren mechanischen
Stabilität. Im Vergleich zu Salzhydraten haben Paraffine eine geringere massenbezogene Energiedichte und
sind in der Anschaffung teurer.5 Sie sind brennbar, was je nach Raumnutzung die einbaubare Menge
beschränkt. In Deutschland wird das Halbfertigprodukt Micronal von der Firma BASF vertrieben. Hierbei
handelt es sich um mikroverkapseltes Paraffin, welches in die Gipskartonplatten Smartboards der Firma
Knauf, in Gipskartonplatten kombiniert mit Kapillarrohrmatten Ilkatherm aktiv der Firma Ilkazell, im
Gipsputz maxil clima der Firma maxil, in Lehmbauplatten der Firma Lebast oder in Porenbeton der Firma
H+H integriert ist. Micronal hat seinen Schmelzpunkt zwischen 22 °C – 25 °C und eine Schmelzenthalpie
von 41 kJ/kg6.
Salzhydrate
Salzhydrate als PCM sind eutekische Mischungen von Salzhydraten. Diese bestehen aus anorganischen
Mischungen und Kristallwasser. Bei Salzhydraten ist aufgrund der Auskristallisierung beim Phasenübergang
eine Mikroverkapselung kompliziert, unwirtschaftlich und mit Problemen besonders in der Langzeitstabilität
verbunden. Im Bauwesen werden diese nur in größeren Gebinden wie Folienbeuteln und Makrokapseln mit
einem Durchmesser von mehr als 1 cm angewendet. Salzhydrate sind im Gegensatz zu Paraffinen nicht
brennbar. Je nach Zusammensetzung können Schmelzpunkte von weit unter 0 °C und bis zu 130 °C
erreicht werden. In den EnOB-Projekten mit Einsatz von Salzhydraten wurden Produkte der Firma Dörken
verbaut7. Die in den folgenden Projekten verwendeten Metallfolienbeuteln Delta Cool 24 haben ihren
Schmelzpunkt bei 22 °C – 28 °C. Ihre Schmelzenthalpie liegt bei 188 kJ/kg.8
4
Mehling/Schossig/Kalz; Latentwärmespeicher in Gebäuden; Wärme und Kälte kompakt und bedarfsgerecht
speichern; BINE Informationsdienst; 2007.
5
Mehling/Schossig/Kalz, Latentwärmespeicher in Gebäuden; Wärme und Kälte kompakt und bedarfsgerecht
speichern; Bine Informationsdienst; 2007; Seite 4.
6
Micronal PCM; Intelligent Temperature Management for Buildings; BASF; Ludwigshafen; 11.2008.
7
Werden nicht mehr von Fa. Dörken vertrieben.
8
Dr. Tobias Häusler; Brandenburgische Technische Universität Cottbus; Lehrstuhl Angewandte
Physik/Thermophysik; Dipl.-Ing. Sebastian Zehnle; Fraunhofer ISE Freiburg; Monitoring in der Projektphase II zu
energetischen, thermischen, komfortbezogenen und nutzerspezifischen Daten am Neubau des Dienstleistungs- und
Verwaltungszentrum Barmin in Eberswalde; Schlussbericht; Cottbus; Mai 2011; Seite 92.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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EnOB-Modellprojekte mit PCM
Für die Betrachtung der Wirkungsweise von PCM, deren Einsatzart und -ort wurden Sanierungs- sowie
Neubauobjekte aus EnOB betrachtet. Ihre Ausführung lag zwischen 2003 und 2012. Bei allen wurde oder
wird ein umfassendes Monitoring durchgeführt, wobei der PCM-Einsatz selten im Fokus lag.
Tab. 1 Zusammenstellung der Kennwerte der EnOB Demonstrationsprojekte mit PCM Einsatz. Mit Bezug zu
Abbildung 1 werden die untersuchten Projekte eingeordnet, einem Material und seiner Schalttemperatur zugewiesen.
Sanierung zum Bürogebäude im Passivhausstandard – Tübingen
Das Gebäude9 wurde 1950 als Teil der Thiepval-Kaserne in Tübingen gebaut und steht unter
Denkmalschutz. Im Jahr 2003 wurde das einsturzgefährdete Haus zu einem Bürogebäude im PassivhausStandard umgebaut. Es ist damit die weltweit erste Sanierung zum Passivhaus. Das Dach wurde vollständig
erneuert und zu Arbeitsräumen ausgebaut. Das Erdgeschoss wurde saniert und energetisch aufgewertet.
Aufgrund des Bestandes konnte keine Dämmung unter der Bodenplatte eingebaut werden. Im Gebäude gibt
es keine aktive Kühlung aber eine aktive Lüftung. PCM wurde in Form von Knauf Smartboards an den
Decken und Innenwänden angebracht, um im Sommer die thermische Trägheit der Räume zu erhöhen. Der
Einbau und die Erfahrungen in der täglichen Benutzung der Räume, in denen PCM verbaut wurde, zeigten
keine Probleme oder Unterschiede zu PCM-losen Materialien. Für das durchgeführte Monitoring wurde eine
Vergleichsgipskartonplatte ohne PCM an der Decke angebracht. Im Sommer 2006 wurden ThermografieAufnahmen erstellt sowie Außen- und Raumtemperaturen während mehrerer Tage und Nächte gemessen
und aufgezeichnet. Es konnte festgestellt werden, dass die Speicherfähigkeit der PCM-Platten erst ab einem
Nachtluftwechsel von 2,5 pro Stunde wirksam genutzt werden kann. Bei geringeren Luftwechselzahlen
konnten die PCM-Platten die aufgenommene Wärme nicht vollständig abgeben und waren dadurch im
Folgezyklus gemindert speicherfähig. Die betrachteten Sommermonate im Jahr 2006 waren von
vergleichsweise sehr hohen Tages- und Nachttemperaturen bestimmt. Diese hohen Temperaturen führten
9
Eicker/Seeberger/Fischer; Evaluierung eines im Passivhaus-Standard sanierten Bürogebäudes hinsichtlich des
energetischen und raumklimatischen Verhaltens; Schlussbericht, HfT Stuttgart; 2007.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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nach wenigen Tagen zu einer stagnierenden PCM Plattentemperatur von 27 °C. Die ausbleibende
Möglichkeit der Abkühlung machte das verbaute PCM über den Zeitraum der extremen Hitze unbrauchbar.
Eicker, Seeberger und Fischer kommen zu dem Ergebnis, dass die eingebauten PCM-Gipskartonplatten an
den Wänden und besonders an den nicht abgehängten Decken einen deutlich trägeren Temperaturverlauf
haben als jene ohne PCM und durch diesen zum Temperaturausgleich im Gebäude beitragen. Trotz der
durch Messungen nachgewiesenen Wirkung der verbauten Smartboards ergab eine Nutzerbefragung, dass
das PCM zur Herstellung der thermischen Behaglichkeit nicht ausreicht. Das Erdgeschoss hat aufgrund
seiner massiven Konstruktion und der fehlenden Unterbodendämmung eine sehr hohe thermische Trägheit.
Das Obergeschoss, welches aus statischen Gründen in Leitbauweise ausgeführt wurde, hat durch den
Einbau von PCM eine höhere Wärmespeicherkapazität als ein Leichtbau ohne PCM, es verhält sich aber im
Vergleich zum Erdgeschoss so viel schlechter beim Temperaturausgleich, dass es im Sommer als
unbehaglich empfunden wurde.
Abb. 2
Temperaturverlauf in Büroräumen während der Hitzeperiode im Juli 2006, Passivhaus Bürogebäude Tübingen.
Quelle: Projektschlussbericht
Sanierung Druckerei E&B in Karlsruhe
Auch das Druckereigebäude10 der Firma E&B in Karlsruhe ist als EnOB-Sanierungsprojekt erfasst. Das 2006
sanierte Objekt wurde 1978 erbaut. Das Erdgeschoss ist wie auch bei der voran genannten Bürosanierung in
massiver Bauweise ausgeführt. Ab dem ersten Obergeschoss ist die Konstruktion ein Stahlskelettbau,
welcher in seiner thermischen Speicherfähigkeit mit Knauf Smartboards und Ikazell Ilkatherm aktiv Platten
verbessert wurde. Die PCM-Elemente sind auch hier für die Sommeranwendung gewählt. Eine Nachtlüftung
ist für die Wärmeabgabe und somit für die Funktionsfähigkeit der PCM-Bausteine notwendig. Aufgrund des
Dreischichtbetriebes musste bei der Planung darauf geachtet werden, dass auch nachts keine
10 Wagner/Bagherian; Sanierung des Verwaltungsgebäudes der Druckerei ENGELHARDT & BAUER in Karlsruhe;
Abschlussbericht; TH Karlsruhe; 2009.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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Zugerscheinungen auftreten. Deshalb konnte nicht der für die passive Entwärmung erforderliche
Nachtluftwechsel von 2/h sondern lediglich einer von 1/h realisiert werden. Das Kühlkonzept sieht deshalb
die Entwärmung des PCM durch aktive Durchströmung der eingebauten Ilkatherm aktiv Platten mittels
Kapillarrohrmatten in Kombination mit einer passiven Nachtauskühlung vor. Für eine Wärmeübertragung
zwischen den PCM-Elementen und dem Erdreich sind die Kapillarrohrmatten mit Erdsonden verknüpft. Diese
sollen das Entladen des PCM auch ohne erhöhte Luftwechselzahlen in der Nacht sicherstellen. Weder beim
Einbau noch in der Nutzung traten Probleme mit dem Werkstoff PCM oder dem angegliederten System auf.
Die Ilkatherm Aktiv-Platten konnten in der Praxis nicht die errechneten Zielwerte erreichen. In dem
gewählten System kann über die Erdsonden nicht genügend Wärme angeführt werden, um die PCM
vollständig zu entladen.
Abb. 3
Konstruktionsskizze der PCM-Platten mit aktiver Durchströmung, wie sie in der Druckerei Engelhardt und Bauer
in Karlsruhe eingebaut wurden. 1. Blechbeschichtung. 2. Polyurethan-Hartschaum. 3. Kapillarrohrmatten. 4. PCM-haltige
Gipsbauplatte (Micronal PCM SmartBoard). Quelle: Firma Ikazell
Sanierung Remscheider Entsorgungsbetriebe
Die Remscheider Entsorgungsbetriebe11 sind ein Sanierungsprojekt aus dem Jahr 2006. Das 1968 erbaute
Objekt wurde entkernt und erhielt eine neue Fassade. Erfasst ist das Projekt in seiner technischen
Ausführung und mit einem Monitoring-Bericht unter EnSan. Wie bei den vorangegangenen Projekten
bestehen Untergeschoss und Erdgeschoss aus einem Massivbau während das Obergeschoss als Leichtbau
ergänzt wurde. Im diesem sind Knauf Smartboards in der Deckenverkleidung verbaut. Micronal wurde dem
Estrich beigesetzt. Die Räume sind mit einer Abluftanlage ausgestattet. Die Zuluft strömt dezentral über
verstellbare Öffnungen in den Fassaden ein. Zur Unterstützung der PCM-Elemente in ihrer Funktion wird in
den Sommermonaten ein nächtlicher Luftwechsel von 2,5/h realisiert. Im Verlauf des Monitorings konnte
festgestellt werden, dass im Sommer im 1. Obergeschoss Spitzentemperaturen erst in den Abendstunden
nach 18 Uhr erreicht werden. Im darüber liegenden Obergeschoss fehlt aufgrund der Leichtbauweise die
notwendige thermische Speichermasse. Die eingesetzten PCM konnten ein Aufschaukeln der Temperaturen
11 Voss/Engelmann/Musall; Sanierung eines Bürogebäudes der 1960er Jahre zu einem Niedrigenergiehaus;
Schlussbericht BUW Wuppertal; 2010.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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nicht verhindern. Messungen haben gezeigt, dass das Abkühlen der Räume hauptsächlich in den frühen
Morgenstunden stattfindet, was sich mit der von den Nutzern durchgeführten Fensterlüftung zu Beginn der
Arbeitszeit erklären lässt. Im Winter zeigt das PCM aufgrund des gewählten Schmelzpunktes über 22 °C
keine Wirkung. Durch das Monitoring konnte eine Wirkung des PCM anhand eines ausgeglichenen
Temperaturverlaufs nachgewiesen werden, aber die geplanten Zielwerte wurden nicht ganz erreicht.
Nutzerbefragungen haben ergeben, dass die Angestellten dennoch insgesamt zufrieden sind.
Abb. 4
Raumtemperaturverlauf in sommerlicher Beispielwoche,
Remscheider Entsorgungsbetriebe. Quelle: Projektschlussbericht, Uni Wuppertal
Sanierung Energiesparschule Cottbus
Die Schule in Cottbus12 wurde 1974 erbaut und 2012 saniert und dabei energetisch aufgewertet. Das
EnOB-Modellprojekt strebt mit der Sanierung den Passivhausstandard an. Das Monitoring und das
Nachweisverfahren sind Anfang 2014 noch nicht abgeschlossen. Belegt werden konnte durch Messungen
und Berechnungen bisher nur die Einhaltung des 3-Liter-Haus-Standards. PCM wurde nur in einem
Unterrichtsraum auf einer Deckenfläche von 36 m² mit einer Stärke von 12 mm verbaut. Aus
Brandschutzgründen konnte der verwendete PCM Klima und Akustikputz nicht dicker und aufgrund des
notwendigen aufwendigen Unterputzes nicht großflächiger verbaut werden. Der Klima-Akustikputz der Firma
Scherff ist mit Micronal versetzt und musste in acht Arbeitsschritten auf die Decke gesprüht werden. Die
verbaute Fläche ist im Verhältnis zur Raumgröße sehr klein und eine thermische Wirksamkeit ist nur bei
ausreichender Nachtauskühlung gegeben. Diese konnte im ersten Nutzungszeitraum im Sommer 2012 nicht
umgesetzt werden. Die Temperatur der Raumdecke lag immer über dem Schaltpunkt des PCM von 23 °C,
weshalb es nicht wirksam war.
Abb. 5
Klima-Akustikputz im Deckenaufbau; Energiesparschule Cottbus; Quelle: BTU Cottbus
12 EnOB-Projektbeschreibung: Sanierung einer Plattenbau-Typenschule nach Passivhaus-Standard.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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Neubau Fraunhofer ISE
Das Fraunhofer ISE konnte im Sommer 2001 das Institutsgebäude in Freiburg in Betrieb nehmen. In dem
insgesamt 13150 m² großen Neubau stellen die sehr hohen internen Wärmelasten durch hohe
Personenbelegung und die EDV Anlagen eine Schwierigkeit für das Raumklima dar. Dennoch wurde auf eine
aktive Klimatisierung verzichtet. Allerdings wurden alle Möglichkeiten zur passiven Klimatisierung
ausgeschöpft. Hierbei ist besonders die Nachtlüftung zu erwähnen.
Außerdem wurden zwei typische Büroräume mit PCM ausgestattet und für die Untersuchung der
Wirksamkeit des Materials ein baugleiches Büro ohne PCM hinzugezogen.
In Raum 1 wurde PCM Putz der Firma Maxit, in Raum 2 eine PCM Spachtelmasse und im Referenzraum ein
Gipsputz von Maxit ohne PCM verbaut. Die Putzschicht wurde jeweils auf den leichten Bürotrennwänden und
der Betondecke aufgebracht. Für die Betrachtung der Funktionalität und Wirksamkeit der Materialen wurden
Temperaturfühler in die Putzschichten eingebracht. So konnte der Temperaturverlauf in der Wand mit dem
Verlauf der Raumtemperatur verglichen werden. Im Temperaturverlauf der Wände zeigt sich deutlich ein
Knick um den Schmelzpunkt des PCM bei 25-26 Grad C. Der Temperaturverlauf der Betondecke hingegen ist
unbeeinflusst vom PCM Material, da die Decke selbst eine große thermische Speichermasse darstellt, die der
Raumluft frei zur Verfügung steht. Hier verschiebt sich lediglich die Eindringtiefe der Wärme in die Decke.
Weiter konnte beobachtet werden, dass eine Funktionsweise des PCM auch ohne Nachtlüftung zu erkennen
war, aber diese sich nur sehr schwach in den Temperaturkurven abgebildet hat. Mit Nachlüftung war der
Effekt deutlich stärker, aber für einen signifikanten Unterscheid im Raumklima nicht ausreichend. Die PCM
Effekte auf das Raumklima wurden durch Einflüsse wie Unterschiede in der Nutzung und Möblierung der
Räume überschattet.
Abb. 6
Temperaturverlauf Wand PCM Putz und Referenzraum; Fraunhofer ISE; Quelle: Projektschlussbericht
Neubau Dienstleistungszentrum Barmin
Das Dienstleitungszentrum in Barmin13 ist ein Neubauprojekt, das 2007 fertiggestellt wurde. Das Gebäude
wird für Verwaltung, Handel, Dienstleistungen und Kultur genutzt. Die Besonderheiten in der Konstruktion
rechtfertigen den Einbau von passiven PCM-Komponenten. Das gesamte Gebäude ist ein
13 Dr. Tobias Häusler; Schlussbericht zum BMWi Projekt FKZ 0335007W; Brandenburgische Technische Universität
Cottbus; 2011.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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Stahlbetonskelettbau mit einer Holztafelfassade14 mit Zellulosedämmung. In den Besprechungsräumen und
den Kontaktzimmern ist PCM auf den Zwischendecken aufgebracht. Im Gegensatz zu den vorangegangenen
Projekten wird hier als Material kein Paraffin sondern ein Salzhydrat eingesetzt. Es wurden die DELTA Cool
24 Metallfolienbeutel der Firma Dörken verbaut. In insgesamt 46 Räumen wurden mit Salzhydrat gefüllte
Metallfolienbeuteln auf den Zwischendecken eingebracht. In 28 dieser Räume ist mindestens ein Beutel
ausgefallen. Bei einer genaueren Untersuchung des Problems wurde festgestellt, dass das Salzhydrat beim
Abkühlen unkontrolliert große Salzkristalle bildet, welche Undichtheiten in den Beuteln verursachen können.
Die Räume, in denen Beutel verbaut wurden, die bereits in der Einbauphase viel Wärme aufgenommen und
wieder abgegeben haben, zeigten besonders starke Beschädigungen. Die entstandenen großen Salzkristalle
beschädigten durch die Bewegung während des Einbaus die Schichten des Beutels besonders stark. Als
Folge der beschädigten Beutel tropfte in vielen Räumen Salzlösung von der Decke. Diese brachte zusätzlich
die Metalldeckenverkleidung zum Rosten und verursachte irreparable Flecken auf dem Interieur. In der
Anwendung zeigten sich weitere Schwierigkeiten. Die Räume werden nur tagsüber genutzt, weshalb die
Planung eine erhöhte Nachtlüftung zur passiven Kühlung vorsah. Um diese zu gewährleisten, wurden
Lüftungsöffnungen eingeplant. In der Praxis reichten diese und der errechnete erforderliche Luftwechsel in
der Nacht jedoch nicht aus, um die PCM-Komponenten wieder vollständig abzukühlen. Erst durch
zusätzliches Öffnen von Türen und Fenstern in der Nacht konnte die Funktion der PCM-Bausteine
sichergestellt werden. Häusler kommt zu dem Schluss, dass die Räume durch das verstärkte Lüften in der
Nacht stark abgekühlt werden können und diejenigen mit PCM im Vergleich zu denen ohne einen nur
geringfügig ausgeglicheneren Tagestemperaturverlauf aufweisen. Im Dienstleistungszentrum Barmin stellte
sich die Anwendung von PCM somit als nicht unproblematisch dar. Denn es gibt durch den Einsatz von PCM
zwar einen nachweisbaren, aber nur sehr geringen positiven Effekt auf die Behaglichkeit.
Abb. 7
Metallfolienbeutel mit Salzhydrat auf abgehängter Decke, Dienstleistungszentrum in Barmin.
Quelle: Fraunhofer ISE
14 Dr. Tobias Häusler; Brandenburgische Technische Universität Cottbus; Lehrstuhl Angewandte Physik/
Thermophysik; Dipl.-Ing. Sebastian Zehnle; Fraunhofer ISE Freiburg; Monitoring in der Projektphase II zu
energetischen; thermischen; komfortbezogenen und nutzerspezifischen Daten am Neubau des Dienstleistungs- und
Verwaltungszentrum Barmin in Eberswalde; Schlussbericht; Cottbus; Mai 2011. Seite 17.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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Solar Decathlon Gewinner 2007, TU Darmstadt
Beim Solar Decathlon 2007 in Washington gewann das Deutsche Team der Technischen Universität
Darmstadt15 den ersten Preis. Während der Wettbewerbszeit von zwei Wochen wurde das Haus in zehn
Teildisziplinen untersucht. Nach dem Wettbewerb wurde das Gebäude auf dem Campus der TU Darmstadt
wieder aufgebaut und weiter analysiert. Für den temporären Leichtbau, der von Studenten aufgebaut
werden sollte, war das Einbringen von baulicher Masse zur Erhöhung der thermischen Speicherfähigkeit
keine Option. Um dennoch Wärmespeicherkapazität für den sommerlichen Temperaturausgleich zu schaffen,
wurde PCM (Knauf Smartboards) in die Bauteile der Deckenverkleidung und in die Verkleidung der opaken
Wände integriert. Wie bei allen untersuchten Projekten, in denen Knauf Smartboards verwendet wurden,
gab es auch beim Solar Decathlon Haus der TU Darmstadt weder im Einbau noch in der Nutzung technische
Probleme. Zur Kühlung der mit PCM versetzten Platten wurden hinter diesen Kapillarrohrmatten angebracht.
Die Rohrmatten sollen das Material abkühlen und den erforderlichen Nachtluftwechsel reduzieren. Während
der Wettbewerbszeit wurden diese allerdings nicht betrieben. Der Effekt des PCM konnte in der
Wettbewerbszeit nicht gemessen werden, da dieser permanent von anderen Effekten, die sich deutlich
stärker auswirkten, überlagert war. Ein Standardfall in der Belegung und Nutzung konnte aufgrund des
großen Besucherandrangs und des häufigen Öffnens der Türen nicht simuliert werden. Die daraus
resultierenden starken Temperaturschwankungen – bei hoher Personenzahl nach oben und lang offen
stehenden Türen nach unten – verfälschten die Messergebnisse in erheblichem Ausmaß. Die Untersuchung
der PCM-Wirksamkeit fand überwiegend nach Abschluss des Wettbewerbs in Darmstadt statt. Es wurde
festgestellt, dass das Material bereits nach mehreren Stunden mit einer Temperatur von 23 °C geladen und
nicht weiter aufnahmefähig ist. Die PCM-Elemente konnten im Tagesverlauf das Aufheizen des Gebäudes
verlangsamen aber nicht aufhalten.
Abb. 8
Verteilung der PCM-Flächen, Solar Decathlon Gewinner 2007,
Quelle: TU Darmstadt
15 Hegger; Energy Monitoring Solar Decathlon 2007, Plusenergiegebäudes der TU Darmstadt zum internationalen
Hochschulwettbewerb Solar Decathlon 2007; Fachbereich Architektur TU Darmstadt; 2007.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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Solar Decathlon Europe 2010, Team Rosenheim
Im Sommer 2010 fand der erste Solar Decathlon in Europa statt. Austragungsort war ein Gelände in Madrid.
Diesem Wettbewerb haben sich insgesamt vier deutsche Teams gestellt, unter andern das Team aus
Rosenheim. Das Team hat bei der Planung nicht nur die klimatischen Bedingungen in Madrid berücksichtigt,
sondern auch eine Nachnutzung in Rosenheim mitbedacht. Allerdings zeigen die geplanten Maßnahmen
einen deutlichen Schwerpunkt in der Kontrolle des sommerlichen Innenraumklimas bei besonderes hohen
Außentemperaturen, die in den Sommermonaten in Spanien zu erwarten waren. Das Haus entspricht in
seiner Ausführung dem Passivhausstandard, die Fenster haben einen geringen g-Wert von nur 0,3 und vor
diesen ist ein beweglicher außenliegender lichtlenkender Sonnenschutz eingebaut. Durch die gewählten
Maßnahmen ließen sich sowohl der Heiz- als auch der Kühlbedarf auf ein Minimum senken. Der
Restkühlbedarf wurde während der Wettbewerbsphase durch die Kühldecke und einen außenliegenden PCMKanal gedeckt. Bei der Nachnutzung in Rosenheim ist der PCM-Kanal nicht angeschlossen. Der Kanal hat
eine Größe von 2,6 m x 1,1 m x 0,4 m und ist mit Salzhydratplatten bestückt, welche mit Graphit versetzt
sind. Das verbaute PCM hat seinen Schmelzpunkt bei 22 °C. Das Graphit ermöglicht durch seine sehr hohe
Wärmeleitfähigkeit eine hohe Be- und Entladedynamik. Diese war für die Erfüllung der
Wettbewerbsaufgaben wichtig. Es war notwendig, binnen einer Stunde das Gebäude von ca. 30 °C auf
24 °C zu kühlen. Zum Entladen werden die Platten nachts aktiv belüftet. Eine Kontrolle des Be- und
Entladezustandes erfolgt über Temperatursensoren, welche an den Salzhydratplatten angebracht waren.
Während der Nutzung in Madrid konnten keine Probleme oder Ausfälle festgestellt werden. Ebenso konnte
die Funktionalität des Materials durch die Auswertung der Temperatursensoren und besonderes durch den
Erfolg der Kühlung über den PCM-Kanal nachgewiesen werden.
Abb. 9
PCM-Graphit-Platten im Lüftungskanal, Solar Decathlon Europe 2010, Team Rosenheim.
Quelle: FH Rosenheim
Solar Decathlon Europe 2010, Team Stuttgart
Das Team Stuttgart hat mit seinem Entwurf home+ am Solar Decathlon Europe 2010 in Madrid
teilgenommen. Auch hier wurden Phasenwechselmaterialen eingesetzt, um die Kühllast im Sommer zu
minimieren. Es wurde ein Salzhydrat mit einem Schaltpunkt bei 22 °C in die abgehängte Decke eingebracht.
Diese Salzhydratmischung der Firma Dörken wurde in Graphitplatten integriert. Diese sind thermisch an das
Raumvolumen gekoppelt und speichern am Tag Wärme. Auf der Rückseite der PCM- Elemente verlaufen
Rohre, die nachts mit gekühltem Wasser durchströmt werden, um das PCM wieder zu entladen. Das
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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PCM in EnOB-Modellprojekten – eine Analyse
Kühlwasser wird nachts in Rohren auf der Rückseite der auf dem Dach angebrachten PV-Module
vorbeigeführt und durch diese aufgrund der Abstrahlung gegen den Nachthimmel gekühlt. Durch diese Art
der Kühlung kann nachts mehr Kälte erzeugt werden als für die Aushärtung der PCM-Elemente notwendig
ist. Der Überschuss an Kälte wird in einen Pufferspeicher geführt. Beim Transport zum Austragungsort nach
Madrid entstanden erheblichen Schäden an den Kühlleitungen und dem PCM-Platten. Diese konnten nur
teilweile repariert und eingebaut werden. Während der Nachnutzung am Hochschulstandort in Stuttgart kam
es zu weiteren Ausfällen und Schäden durch austretendes Salzhydrat. In der Wettbewerbsphase konnte die
Wirksamkeit des Materials mittels Messungen und Thermografieaufnahmen nachgewiesen werden.
Allerdings war das Material aufgrund des hohen Besucherandrangs im Haus schneller als veranschlagt
vollständig geladen und dann nicht mehr aufnahmefähig.
Abb. 10 PCM als Konstruktionsschicht im Gebäude des Teams home+ aus Stuttgart im Solar Decathlon 2010. Das PCMMaterial befindet sich oberhalb der Zirkulationsleitungen (3). Quelle: SolarArchitektur4. Die deutschen Beiträge zum Solar
Decathlon Europe 2010. Edition DETAIL.
Solar Decathlon Europe 2010, Team Berlin
Auch bei dem Wettbewerbsbeitrag der HTW Berlin zum Solar Decathlon 2010 in Madrid stand die Reduktion
der Kühllast im Vordergrund. Daher wurden relativ kleine Fensterflächen gewählt, welche mit flexiblen PVModulen nach Bedarf verschattet werden können. Bei vollständig geschlossener Verschattung gelangt
Tageslicht über „Lichtachsen“ in das Innere des Gebäudes. Die thermische Speicherkapazität des Leichtbaus
wurde durch mit Micronal versetzten Lehmbauplatten der Firma Lebast erhöht. Die Platten sind an den
Wänden und Decken angebracht und thermisch an das Raumvolumen gekoppelt. Auf deren Rückseite
verlaufen – wie auch bei dem Stuttgarter Team – Rohre, durch welche Kühlwasser geleitet wird. Dieses soll
nachts das PCM wieder entladen. Das Wasser wird auch hier hinter den PV-Elementen auf dem Dach
geführt, um es durch Abstrahlung gegen den Nachthimmel zu kühlen. Es gibt keine Angaben zur
Funktionalität oder zu Problemen des verwendeten PCM.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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Abb. 11 Schema des Kühlkonzepts für das Gebäude des Teams aus Berlin im Solar Decathlon 2010. Quelle:
SolarArchitektur4. Die deutschen Beiträge zum Solar Decathlon Europe 2010. Edition DETAIL.
Solar Decathlon Europe 2010, Team Wuppertal
Für den Solar Decathlon 2010 hat auch das Wuppertaler Team einen Betrag geliefert. Dieses wurde als
Netto-Nullenergiehaus für sowohl den spanischen Standort als auch den Nachnutzungsstandort Wuppertal
konzeptioniert. In dem Leichtbau wurden als PCM Salzhydrate in Hohlkammerplatten der Firma Dörken im
Wandaufbau am Zuluftkanal integriert. Zur Funktionalität dieser Platten im Wettbewerbshaus gibt es keine
genaue Auswertung. Jedoch fand zur Vorbereitung auf den Wettbewerb eine umfassende Untersuchung des
Materials in einem Prüfraum an der Universität Wuppertal, der „BTGA-Box“ statt. In dem 15 m² großen,
freistehenden Testraum wurde ein „PCM-Zuluftelement“ verbaut. Durch den Einsatz von PCM konnten hier
Zulufttemperaturen über 26 °C fast vollständig vermieden werden. Problematisch im Kontext der
Anwendung für das Wuppertaler Solarhaus zeigte sich aber die nächtliche Entwärmung: Verbleibt das PCM
im Zuluftweg, liegt die Zulufttemperatur in der Nacht über der Außenlufttemperatur, sodass sich zwar das
Material verfestigt, die Entwärmung des Raumes aber gemindert wird. Somit sollte die Entwärmung des
PCM idealerweise unabhängig von der Raumlüftung erfolgen (Bypass). Durch den hohen konstruktiven
Aufwand in Verbindung mit dem geringen verfügbaren Platz wurde diese Variante nicht umgesetzt.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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PCM in EnOB-Modellprojekten – eine Analyse
Abb. 12 Isometrie des Versuchsraum (links) und PCM Aufbau im Zuluftbereich an der Fassade (rechts). Die Luft strömt
durch ein in der Fassade integriertes Außenluftventil ein, anschließend durch den Kasten mit PCM und im hinteren Bereich
des Raumes über ein Abluftventil ab. Quelle: Bergische Universität Wuppertal.
Abb. 13 Zulufttemperaturmessungen aus der PCM-Studie in der BTGA-Box. Linkes: ohne PCM im Zuluftkanal, rechts: mit
PCM im Zuluftkanal. Quelle: Bergische Universität Wuppertal.
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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PCM in EnOB-Modellprojekten – eine Analyse
Zusammenfassung und Fazit
Die bereits unter Laborbedingungen vielfach untersuchten PCMs konnten mittels der
Demonstrationsprojekte in der Praxisanwendung untersucht werden. In allen betrachteten Objekten konnte
eine Wirksamkeit des PCM gemessen werden, wobei die Vermeidung sommerlicher Überhitzung im
Vordergrund stand. Während im Sommerfall der PCM Einsatz meist Teil einer Strategie zur vollständigen
Vermeidung aktiver Kühlung war, gelingt der Verzicht auf eine Heizung durch den winterlichen PCM Einsatz
nicht. Die größeren zu speichernden Wärmemengen favorisieren die Speicherung sensibler Wärme in Tanks.
Die für die Analyse genutzten Monitoringmethoden waren Wärmestrommessung16, Messungen mit
Temperatursensoren an den Materialien17, die Messung der Raumlufttemperatur und Innenthermografieaufnahmen18 von PCM-Elementen und PCM-freien Elementen. In den betrachteten Projekten waren
die gemessenen Effekte überwiegend19 nicht dominant und wurden von anderen Einflüssen überlagert.
Auf der Ebene der Materialien zeigen die Erfahrungen in Modellprojekten, dass sich alle mit Paraffin
versetzten Produkte problemlos verbauen ließen. Im Unterscheid dazu gab es beim Einsatz von
Salzhydraten erste Ausfälle bereits in der Bauphase.
Ein übergreifendes Problem stellte die Entwärmung des geladenen PCM-Materials dar. Eine ausreichende,
rein passive Entladung ohne zusätzliche Maßnahmen konnte in keinem Projekt erfolgreich umgesetzt
werden. Die Wärmeabgabe wurde entweder durch Anbringen von gekühlten Kapillarrohrmatten,
unmittelbare Belüftung der PCM-Elemente oder stark erhöhter Nachtlüftung der betroffenen Räume
unterstützt. In diesem Bereich sind weitere Verbesserungen möglich und für die PCM Wirksamkeit förderlich.
Im Kontext von EnOB wurde dazu u.a. die Eignung von Deckenventilatoren experimentell untersucht.
PCM können bei ansonsten geringer baulicher Masse die thermische Speicherfähigkeit von Konstruktionen
erhöhen, dies aber nur in einem sehr begrenzten Rahmen und immer in der Kombination mit zusätzlichen
Maßnahmen, die die thermische Entladung des PCM unterstützen. Zu beachten ist bei allen Anwendungen
die Wahl eines geeigneten Phasenwechsel-Temperaturbereiches. Eine wirksame Kombination für die
sommerliche und winterliche Situation ist damit nur eingeschränkt möglich. Mit dem aktuellen
Entwicklungsstand und der Marktverfügbarkeit eignen sich PCM-Materialien für einen Markt mit speziellen
Bauaufgaben bei Leichtbauten. Neue Ansätze fokussieren auf PCM zur Verbesserung der Eigenschaften von
Wärmeträgerflüssigkeiten (Slurries) oder innerhalb von Lüftungsgeräten 20.
Das Angebot an PCM Produkten in Deutschland hat sich in den letzten Jahren verlagert. Die größten
Anbieter für baufertige PCM-Produkte, die Firma Dörken und die Firma Knauf, haben ihr PCM-Angebot
eingestellt. Neue Anbieter, wie Rigips Alba, DuPont Energain und Rubitherm CSM brachten Produkte auf den
Markt. Knauf hat nach Weiterentwicklung das Smartboard durch das Comfortboard ersetzt.
16 Bürosanierung als Passivhaus – Tübingen; Remscheider Entsorgungsbetriebe.
17 Dienstleistungszentrum Barmin; Bürosanierung als Passivhaus – Tübingen; Remscheider Entsorgungsbetriebe;
Druckerei E&B.
18 Bürosanierung als Passivhaus – Tübingen.
19 Dominanter Effekt durch aktiven Einsatz im Luftkanal: Solar Decathlon Haus Team Rosenheim.
20 Siehe Solar Decathlon 2010, Team Wuppertal
Quelle: Forschungsinitiative EnOB
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