Wärmespeicher als integrierte und nicht integrierte Bauteile

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PLANUNG
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Wärmespeicher als integrierte und
nicht integrierte Bauteile
Die Raumklimatisierung gewinnt zunehmend an Bedeutung, sowohl bei Neubauten Abb. 1: Eisberge sind latente Kältespeicher für
die Polregionen der Erde: In einem relativ kleinen
als auch im Gebäudebestand. In diesem Sektor besteht ein hohes Einsparpotenzial an Bereich mit hoher Speicherdichte werden große
sowohl Heiz- als auch Kühlenergie. Zur Steigerung der Energieeffizienz bieten – ne- Kältemengen gespeichert.
ben dem Einsatz von Wärmedämmung – Wärme- und Kältespeicher ein großes Potenzial. Solche Speicher ermöglichen außerdem die Nutzung von Energie mit niedrigem
Exergieniveau und erlauben damit eine effiziente Nutzung regenerativer Energien.
nerative Energieträger wie Solarthermie an,
die Wärme auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau bzw. mit geringem Exergieanhysikalisch betrachtet wird Energie we- Steigerung der Energieeffizienz teil zur Verfügung stellen. Die Verminderung
der erzeugt noch vernichtet, sondern ledes Exergieverbrauchs kann daher zu einer
diglich von einer Energieform (z.B. Strom) in Um die Energieeffizienz im Gebäude zu stei- signifikanten Reduktion des CO2-Ausstoßes
eine andere (z.B. Wärme) umgewandelt. Die- gern, muss vor allem die Umwandlung von im Gebäudebereich beitragen. So werden beise Umwandlung kann jedoch nicht beliebig Exergie in Anergie minimiert werden. Zur spielsweise im BMWi-geförderten Verbunderfolgen. Während sich Strom problemlos in Gebäudeheizung und -kühlung bieten sich vorhaben „LowEx: Heizen und Kühlen mit
Wärmeenergie transferieren lässt, kann um- daher anstelle von Strom oder fossilen Niedrig-Exergie“ (www.lowex.info) neue
gekehrt Niedertemperaturwärme nicht oder Brennstoffen mit hohem Exergieanteil rege- Heiz- und Kühlsysteme für Gebäude mit vernur marginal in Strom konvertiert werden.
Um diese Effekte zu beschreiben werden in
der Physik die Begriffe Exergie und Anergie
verwendet, wobei gilt: Energie = Exergie +
Anergie = konstant. Exergie ist dabei der
nutzbare Anteil der Energie der uneingeschränkt in Arbeit (z.B. Bewegungsenergie eines Fahrzeugs) umwandelbar ist. Genau genommen wird also Energie nicht „verbraucht“, sondern Exergie wird in Anergie
verwandelt. Anergie kann dagegen nicht in
Exergie verwandelt werden. Der Exergieanteil von Strom beträgt nahezu 100 %, die
daraus erzeugte Wärme bei Umgebungstemperatur dagegen fast 0 %.
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Abb. 2: Funktionsweise von sensiblen Wärmespeichern und von Latentwärmespeichermaterialien
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BauPlaner SPECIAL – ENERGIETECHNIK
ringertem Exergieverbrauch entwickelt, darunter auch Wärme- und Kältespeicher.
Foto: Wicimedia Commons, CreativeCommons-Lizenz Attribution 2.0, Ilya Haykinson
Wärme kann grundsätzlich in Form von sensibler oder latenter Wärme gespeichert werden (Abb. 2). Wird ein Material erwärmt, so
nimmt das Material Wärme auf und seine
Temperatur erhöht sich dadurch. Man
spricht in diesem Fall von sensibler Wärme.
Gelangt man nun in den Bereich des Phasenübergangs, so erfolgt eine Wärmeaufnahme
ohne Erhöhung der Temperatur. Die im Phasenübergang gespeicherte Wärmemenge
wird als latente Wärme bezeichnet. Die Speicherung von Energie in Form von latenter
anstatt von sensibler Wärme hat einige Vorteile. Dadurch, dass die Wärmespeicherung
nicht mit einer Temperaturerhöhung verbunden ist, sind auch die Stillstandsverluste geringer als bei einem sensiblen Speicher, der
aufgrund seiner höheren Temperatur immer
Wärme an die Umgebung verliert. Außerdem
besteht die Möglichkeit Temperaturspitzen
abzupuffern (Abb. 3), wobei die in der Heizphase aufgenommene Energiemenge ohne
Temperaturerhöhung gespeichert und zeitverzögert wieder an die Umgebung abgegeben werden kann.
Abb. 3: Durch die Einbringung vom PCM in
einen Leichtbau werden
die im Sommer vorhandenen Temperaturspitzen gepuffert und der
Leichtbau wird auf das
thermische Niveau eines Massivbaus angehoben. Aufgetragen sind
die berechneten Raumtemperaturen in verschiedenen Gebäudetypen in einer Augustwoche bei einer nächtlichen Luftwechselrate
von 4.
Integrierte Systeme mit Latentwärmespeichermaterialien
Abb. 4: Visualisierung des Abkühlverhaltens einer Bauplatte ohne PCM im Vergleich zu zwei Platten
mit verschiedenen PCM-Beladungen mittels Infrarot-Kamera. Alle drei Platten werden zunächst auf
die gleiche Temperatur gebracht. Während die Platte ohne PCM nach 95 Minuten bereits auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist, speichern die PCM-Platten die Wärme deutlich länger.
Konkret werden die PCMs sowohl in Form
von befüllten Platten oder Makroverkapselungen, die Abmessungen im Zentimeter- bis
Dezimeterbereich aufweisen, als auch in
Form von Mikroverkapselungen mit Abmessungen im Mikrometerbereich angeboten.
Speziell mikroverkapselte Paraffine können
in Gipsputze, Gipskartonplatten oder andere
Baumaterialien eingebracht werden. Durch
eine Einbringung von PCM in Graphitplatten
kann zusätzlich die Wärmeleitfähigkeit und
damit die Be- und Entladezeit der Platten erhöht werden, was z.B. beim Einsatz in Kliwww.deutsches-ingenieurblatt.de
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Latentwärmespeicher
Im modernen Trockenbau werden die
Bauteilmassen ganz bewusst extrem verschlankt, so dass flexible wie kostengünstige
Möglichkeiten zur Gebäudegestaltung gegeben sind. Zur Vermeidung sommerlicher
Überhitzung können Latentwärmespeichermaterialien (engl. Phase Change Material,
PCM) eingesetzt werden, bei deren Verwendung sich grundsätzlich zwei Alternativen
anbieten:
Zum einen lassen sich durch die passive
Nutzung von PCMs die thermische Performance von Gebäuden erhöhen und dadurch
vor allem im Leichtbau Temperaturspitzen
abpuffern (Abb. 3). Im Phasenübergang festflüssig können in einem kleinen Temperaturintervall, abhängig vom Material, etwa 100
bis 600 kJ/kg gespeichert werden. Die spezifische Wärmekapazität im sensiblen Bereich
beträgt ca. 0,5 bis 4 kJ/(kg ⋅ K). Bei einer
Temperaturdifferenz von 10 °C entspricht
dies einer gespeicherten Wärmemenge von 5
bis 40 kJ/kg, was deutlich unter der Speichermöglichkeit eines Latentwärmespeichermaterials liegt. Dies lässt sich veranschaulichen, wenn man das Abkühlverhalten von
PCM-Platten im Vergleich zu konventionellen Platten mittels einer Wärmebildkamera
beobachtet (Abb. 4).
Zum anderen können Wärme- und Kältespeicher auch mit aktiven Systemen gekoppelt werden. Durch die Speicher können
Lastspitzen verschoben werden, was eine
kleinere Dimensionierung von Klimasystemen in Gebäuden oder alternativ eine Kappung der Lastspitzen im Versorgungsnetz ermöglicht.
Für den Einsatz im Gebäudebereich eignen sich zwei Arten von PCMs, deren
Schmelztemperatur im Raumtemperaturbereich liegt, nämlich Salzhydrate und Paraffine. Paraffine zeichnen sich vor allem durch
ihre hohe Zyklenstabilität und ihre geringe
Unterkühlung aus, während Salzhydrate den
Vorteil einer höheren Schmelzenthalpie haben und nicht brennbar sind.
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Grafiken und Fotos: Dr. Jochen Manara/ZAE Bayern
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Abb. 5: Abgehängtes Deckensystem mit PCM-Belegung. In diesem Fall erfolgt die Be- und Entladung mittels einer Hinterlüftung; alternativ ist aber auch ein wasserdurchströmtes System möglich.
masystemen interessant ist. Es lassen sich
passive Kühldeckensysteme (Abb. 5) realisieren, die aus Gipskartonplatten mit Paraffinen
bestehen oder aus PCM-Folienbeuteln mit
Salzhydraten, die auf Metallkassettendecken
aufgelegt werden. Solche Systeme erbringen
Kühlleistungen von ca. 25 bis 40 W/m2. Abhängig von den gewählten Materialien ist eine aktive Hinterlüftung notwendig. Die
nächtliche Regeneration des Systems erfolgt
wiederum mit kühler Außenluft.
Wasserdurchströmte Kühldecken in abgehängter Bauweise erreichen höhere Kühlleistungen von rund 100 W/m2 bei relativ kurzen
Ansprechzeiten, erfordern dadurch jedoch
oft hohe Spitzenlasten bei der Kältebereitstellung. Durch die Integration von PCM lässt
sich tagsüber zu Zeiten der Kühllastspitzen
eine rein passive Grundkühlleistung von etwa 40 W/m2 sicherstellen. Während der
Nacht wird das PCM dann durch kühles Wasser regeneriert. Vor allem bei der Kältebereitstellung über Geothermie (Erdsonden) ergeben sich hier Vorteile, da die Erdsonden auf
die Spitzenlasten ausgelegt werden müssen.
Auch zum Heizen von Gebäuden können
Latentwärmespeichermaterialien vorteilhaft
eingesetzt werden. Als Beispiele hierfür sind
solare Fassadenelemente (solare Wandheizung) sowie Solar-Luft-Kollektoren zu nen-
nen. In beiden Fällen wird die Sonnenenergie
in Form von Wärmeenergie im PCM gespeichert und zeitverzögert wieder an den Innenraum abgegeben. Die Einspeicherung erfolgt
in Zeiten hoher solarer Einstrahlung, d.h.
wenn ein Überangebot vorhanden ist, während die Freisetzung der Energie in Zeiten geringer oder fehlender solarer Einstrahlung erfolgt, wenn Wärmeenergie benötigt wird.
Ebenso können Klimageräte mit PCMs ausgerüstet werden, um deren Performance entsprechend zu steigern.
Laufende Aktivitäten
Aktuell wird an der Weiterentwicklung von
integrierten Systemen und Kompositmaterialien gearbeitet1. So werden beispielsweise
Techniken zur Ummantelung von Salzhydraten entwickelt, mit denen auslaufsichere und
wasserdampfundurchlässige Kapseln im Millimeterbereich herstellbar sind (Abb. 6).
Auch an der Entwicklung und Optimierung
von pumpbaren Systemen bzw. Slurries auf
Paraffin- und Salzhydratbasis wird gearbeitet.
Darüber hinaus gibt es Forschungsaktivitäten hinsichtlich einer messtechnisch fundierten Erfassung der Eigenschaften von Systemen mit PCMs sowie einer Validierung von
Simulationstools und der Erstellung fundier-
1 Siehe auch BMWi-Förderschwerpunkt „EnOB: Forschung für Energieoptimiertes Bauen“ unter
www.enob.info.
2 Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 0327370U.
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Abb. 6: Mit Salzhydrat gefüllte Kapseln zum Einsatz als Schüttungen in luft- oder wasserdurchströmten Klimageräten sowie in Gipsprodukten
und Bauplatten.
ter Auslegungsrichtlinien. Dazu werden aktuell Demonstrationsprojekte durchgeführt,
z.B. das Projekt „PCM-Demo: Entwicklung
und praxisnaher Test der Performance von
Gebäudekomponenten mit PCM in Demonstrationsobjekten“2 (www.pcm-demo.info).
Anhand gemessener Lastverschiebungen
können Energieversorger außerdem eine
energiewirtschaftliche Analyse durchführen,
um die Auswirkungen eines breiten Einsatzes von PCM-Systemen auf die Kraftwerksund Netzkapazitäten zu beurteilen.
Zur Sicherstellung definierter Eigenschaften der kommerziell erhältlichen PCM-Produkte, wie Schmelztemperatur und -ethalpie
sowie Wärmeleitfähigkeit, wurde außerdem
die Gütegemeinschaft PCM e.V. (www.pcmral.de) ins Leben gerufen, die wesentliche
Gütekriterien festlegt.
Dr. Jochen Manara
Jg. 1969; Studium der Physik
an der Universität Würzburg;
Gruppenleiter am Bayerischen Zentrum für Angewandte Energieforschung
e.V. (ZAE Bayern), Abt. Funktionsmaterialien der Energietechnik; Durchführung
von Projekten in diesem Themengebiet, Schwerpunkte u.a. Wärmetransport und Wärmespeicherung im Gebäudebereich und technische Anwendungen zur Steigerung der Energieeffizienz.
[email protected]
www.zae-bayern.de