„Phase Change Materials“ integriert in Hoch­lochziegeln – innovative Systeme für passive Klimatisierung von energieeffizienten Gebäuden – Kurzfassung

1 Einleitung und Zielsetzung

Das grundlegende Ziel dieser Forschungsarbeit war zunächst die experimentelle Bestimmung der temperaturabhängigen spezifischen Wärmekapazität für drei ausgewählte PCMs, um anschließend den Einfluss ihrer thermischen Eigenschaften auf Bauteile überprüfen zu können.

Es wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt, um den bautechnisch-bauphysikalischen Nutzen des Einsatzes der PCMs zur Temperaturstabilisierung sowie die Reduktion des Heizwärme- bzw. Kühlbedarfs in Gebäuden zu überprüfen. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit sollte auch die Frage geklärt werden, ob und in welchem Ausmaß Wärmekapazitätserhöhungen von Ziegelwerkstoffen Einfluss auf die energetische Performance von Gebäuden bei unterschiedlichen Außen-Klimaten haben.

Mithilfe des Simulationsprogramms „buildopt“ wurden zuerst für ein Achtzonenmodell, das ein Einfamilienhaus abbilden soll, verschiedene Varianten mit unterschiedlicher Lage, Stärke und Phasenwechseltemperatur der PCM-Füllungen im Hochlochziegel untersucht. Anschließend stellte man die Auswirkungen dieser auf den Heizwärme- und Kühlbedarf sowie auf die sich einstellende operative Raumtemperatur dar.

Ergänzend dazu wurde am Beispiel eines vorhandenen teilunterkellerten Einfamilienhauses (ca. 130 m²) gezeigt, welche Energieverbrauchswerte in Abhängigkeit von der ausgewählten Bauweise bzw. Speicherfähigkeit der Konstruktion, bei verschiedenen Klimaten, erreicht werden können, und welche Optimierungen noch möglich sind. 

Diese Untersuchungen sind die Grundlagen für die Entwicklung eines neuen Außen- und Innenwandziegels mit PCM-Füllungen. Die neue Ziegelgeneration sollte durch den PCM-Einsatz eine hohe Wärmespeicherfähigkeit der Räume gewährleisten, also effektiv zur Verbesserung des sommerlichen Wärmeschutzes und der damit erreichten Minimierung bzw. dem Verzicht des Energiebedarfes für Klimatisierungszwecke beitragen. Als positiver Nebeneffekt soll auch eine geringe Reduktion des Heizwärmebedarfs, je nach Verglasungsanteil, realisiert werden.

2 Ergebnisse und Schlussfolgerungen

PCMs, auch als Latentwärmespeicher bezeichnet, stellen innovative Produkte dar, die zu einer effizienten Energieein­sparung und damit verbunden zu einer beträchtlichen CO₂-Minderung im Bausektor beitragen können. Der Einsatz von PCM in Gebäuden scheint daher eine hervorragende Lösung zu bieten, um langfristig und passiv den sommerlichen Wärmeschutz zu gewährleisten.

PCM-Materialien können tatsächlich die Wärmekapazität von Hochlochziegelmauerwerk um den Faktor 10 steigern. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Phasenwechsels ist eine Abstimmung des Materials auf den Einsatzbereich und -ort notwendig. Durch die latentwärmespeichernden Materialien kommt es zu einer deutlichen Erhöhung der Wärmespeicherkapazität des Gebäudes, die eine Reduktion der auftretenden Temperaturspitzen bewirken und damit zu einem behaglicheren Raumklima beitragen. Diese Absenkung der Raumtemperatur während der Sommermonate kann als einer der größten Vorteile des PCM-Einsatzes betrachtet werden.

Wie man den zuvor durchgeführten Simulationen entnehmen kann, führt dies auch zu einer Reduktion des jährlichen Endenergiebedarfs. 

Für mitteleuropäische Klimaverhältnisse kann für die drei untersuchten Fenstervarianten fast komplett auf eine Kühlung verzichtet werden, da lediglich bei einem über 50%igen Verglasungsanteil an der Außenwandfläche an ca. 13 Tagen im Jahr die 26-°C-Marke leicht überschritten wurde.

Jedoch sollten für jedes Objekt die Phasenwechseltemperatur sowie die Menge des einzusetzenden PCM genau untersucht werden, damit eine ausreichende Gesamtmenge an PCM zur Verfügung steht, um ein Optimum hinsichtlich der möglichen Absenkung der operativen Raumtemperatur im Sommer zu erzielen.

Nachfolgende Untersuchungen sollten sich mit der Applikation der PCM-Schicht im Hochlochziegel, das heißt mit der Anordnung und Optimierung der Ziegel-Hohlraumstruktur sowie deren Füllung beschäftigen. Um ein serienreifes Produkt zu erhalten, müssen natürlich auch Fragestellungen der mechanischen und thermischen Belastbarkeit sowie feuchtetechnische und schallschutztechnische Eigenschaften geklärt werden.

Weiterführende Arbeiten sollten sich auch mit latentwärmespeichernden Salzhydraten beschäftigen. Diese verfügen, im Gegensatz zu den in dieser Arbeit ausschließlich betrachteten Paraffinen, über eine höhere Wärmespeicherkapazität und einen günstigeren Materialpreis, nachteilig ist aber ihre hohe Aggressivität.

Die Untersuchungen und Versuchsergebnisse werden ausführlich im ZiJa 2010 vorgestellt.