Solare Prozesswärme

Passives Kühlen

Betritt man an heißen Sommertagen eine alte Kirche, weiß man die angenehme Kühle zu schätzen. Auch Häuser mit massiven Ziegel- oder Betonwänden heizen sich im Sommer nur langsam auf. Sie profitieren von der Masse der Bausubstanz. Modernen, in Leichtbauweise errichteten Gebäuden fehlt die Gebäudemasse und im Sommer wird es schnell unerträglich heiß. Latentwärmespeicher ermöglichen es, leichte Gebäude thermisch schwer zu machen.

Phasenwechselmaterialien

Von Peter Schossig und Thomas Haussmann*

Wärmespeicherung mit Latentwärmespeicher

Die Speicherung von Wärme ist gewöhnlich mit einer Temperaturerhöhung des Speichermaterials verbunden. Die eingespeicherte Wärme ist fühlbar, deshalb wird diese Form als "sensibel" bezeichnet. Ein Latentwärmespeicher hingegen kann bei einer bestimmten Temperatur Wärme aufnehmen oder abgeben, ohne dass sich die Temperatur verändert. Die Aufnahme bzw. Abgabe der Wärme bewirkt stattdessen eine Änderung des Aggregatszustandes der Latentwärmespeichermaterialien, die daher auch als "Phasenwechselmaterialien" (engl. Phase Change Materials, "PCM") bezeichnet werden.
Beim Erstarren wird die gespeicherte Wärme wieder abgegeben. Latente Wärmespeicherung führt im Vergleich zu sensibler Wärmespeicherung zu einer hohen Speicherdichte in einem engen Temperaturbereich. Wasser als PCM ist ein gutes Beispiel: Bei fortwährender Wärmezufuhr beträgt die einen Eiswürfel umgebende Temperatur so lange 0 °C, bis dieser vollständig geschmolzen ist. Mit der dafür benötigten Wärme ließe sich dieselbe Wassermenge anschließend auf 80 °C aufheizen. Über die Wahl des geeigneten PCM lässt sich die Schmelztemperatur, bei der die Wärmespeicherung stattfinden soll, weitgehend einstellen. Im Baubereich werden heute oft Paraffine als PCM eingesetzt mit Schmelztemperaturen im Bereich von 24-26 °C. Um diese Wachse einsetzen zu können, müssen diese verkapselt werden. Seit einigen Jahrzehnten wurden immer wieder Untersuchungen mit makroskopischen Kapseln durchgeführt, die aber an einer Vielzahl von Problemen scheiterten. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurden gemeinsam vom Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg und den Industriepartnern BASF, maxit, DAW und STO erstmals mikroverkapselte Paraffine und darauf basierende Baustoffe entwickelt. Mikrokapseln sind Kunststoffkapseln mit Durchmessern im Bereich 5 bis 20 µm. Die Mikroverkapselung birgt verschiedene Vorteile:

• Die Verkapselung stellt sicher, dass das Paraffin nicht in den Baustoff gelangen und dessen Eigenschaften negativ beeinflussen kann.
• Der Wärmeaustausch zwischen PCM und Baustoff ist durch das große Oberflächen-Volumen Verhältnis der Kapseln sehr gut.
• Das verkapselte Paraffin ist als Pulver in unterschiedlichen, handelsüblichen Baustoffen einsetzbar.
• Die Verarbeitung auf der Baustelle unterscheidet sich nicht von der herkömmlicher Baustoffe und im Gegensatz zur Makroverkapselung ist das Beschädigen der Kapseln durch spätere mechanische Einwirkungen, wie bohren und nageln, vernachlässigbar.

Seit Anfang 2005 sind mikroverkapselte Paraffine von BASF auf dem Markt unter dem Markennamen "Micronal" frei erhältlich (www.micronal.de).

Passive Kühlung von Gebäuden mit PCM

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens wurden zwei Latentwärmespeicherbaustoffe für den Einsatz im Innenbereich von Gebäuden entwickelt: zum einen eine Spachtelmasse mit einer Wärmespeicherkapazität von ca. 40J/g, was einem PCM-Massenanteil von ca. 40% entspricht, und zum Zweiten ein Gipsputz mit einer Wärmespeicherkapazität von ca. 20J/g bzw. 20 Gewichts-% PCM. Der Gipsputz ist seit 2005 unter dem Namen "maxit clima" (www.maxit.de) auf dem Markt erhältlich. Beide Produkte wurden intensiv am Fraunhofer ISE vermessen, angefangen bei kleinen Materialproben im mg-Maßstab, über Wandmuster mit einer Größe von 50x50 cm bis hin zu ganzen Testräumen. Um die Effekte der PCM-Produkte in der praktischen Anwendung bewerten zu können, wurden zwei identische Testräume in typischer Leichtbauweise aufgebaut. Dabei wurde jeweils ein Raum mit den neuen Baustoffen ausgestattet und der andere Raum mit einem jeweils vergleichbaren Referenzprodukt ohne PCM . In den PCM-Räumen wurde eine 6 mm PCMSpachtelmassenschicht bzw. eine 15 mm PCM-Gipsputzschicht verwendet.

Abbildung 1: Wandtemperaturen während der Vermessung des Gipsputzes. Im PCM-Raum können bis zu 4 K niedrigere Temperaturen erreicht werden. Dafür ist eine Nachtlüftung mit ausreichend hoher Luftwechselrate erforderlich

Erwartungsgemäß zeigt sich ab 24 °C in dem mit PCM ausgestattetem Testraum ein stark verlangsamter Temperaturanstieg gegenüber dem Referenzraum. Über mehrere Tage konnten bis zu 4 K niedrigere Luft- und Wandtemperaturen erzielt werden. Notwendig hierfür ist ein ausreichend hoher Luftwechsel für das Entladen des Latentwärmespeichers über Nacht. Bei den obigen Messungen wurden Luftwechselraten von ca. 5 ac/h im Zeitraum von 22 bis 8 Uhr eingestellt und tagsüber auf den minimalen (hygienischen) Luftwechsel von 0,5 ac/h reduziert. EAuf eine Verschattung w wurde in der dargestellten Testperiode verzichtet, in der Regel wird aber eine Begrenzung des solaren Energieeintrages sinnvoll sein. Abbildung 2 zeigt Dauerlinien der Temperaturen in den beiden Testzellen für die Messperiode. Dafür wurde die Summe der Stunden aufgetragen, an denen eine bestimmte Raumlufttemperatur im Referenz- bzw. PCM-Raum überschritten wurde. Durch den Einsatz des PCMs konnte die Anzahl der Stunden oberhalb von 28 °C beispielsweise von ca. 50 auf 5 Stunden reduziert werden. Zu sehen ist jedoch auch, dass die garantierte Einhaltung von Temperaturgrenzen mit passiven Latentwärmespeichersystemen nicht möglich ist.
Mit den neuen Baustoffen wurden mittlerweile einige Gebäude in Deutschland ausgestattet. Eingesetzt wurden die Baustoffe sowohl im Neubau, als auch bei Renovationsvorhaben

Abbildung 2: Dauerlinie der Raumlufttemperatur in den beiden Testräumen. Die Kurven zeigen die Anzahl der Stunden, an denen eine bestimmte Raumlufttemperatur überschritten wurde. Durch das PCM konnten die Stunden oberhalb von 28 °C von ca. 50 auf 5 Stunden reduziert werden.

Abbildung 3: Einbau der PCM-Kühldecke in die Testräume des Fraunhofer ISE. Jeweils ein Raum wurde mit der PCM-Kühldecke und der zweite mit einer vergleichbaren konventionellen Decke ausgestattet. Dadurch kann der Einfluss des PCM auf den Raum bestimmt werden.

Einsatz von Latentwärmespeichern in aktiv durchströmten Kühlsystemen

Das passive Kühlungskonzept mit PCM unterliegt zwei wesentlichen Beschränkungen. Zum einen ist der Wärmeübergang Wand/Luft begrenzt, was wiederum die Eindringtiefe der Wärme in die Putzschicht innerhalb eines 24-Stunden-Zyklus und somit die maximal nutzbare Schichtdicke beschränkt. Zum anderen steht für die Rückkühlung nur die kühle Nachtluft zur Verfügung. In warmen Nächten mit Temperaturen oberhalb von 20 °C kann somit der Latentwärmespeicher nicht ausreichend entladen werden. Insofern ist die Anwendbarkeit der Systeme nicht möglich, wenn die Einhaltung von bestimmten Temperaturobergrenzen vorgeschrieben ist.
Am Fraunhofer ISE werden deshalb derzeit in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern BASF, maxit und DAW in einem neuen, vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit gefördertem Forschungsvorhaben, aktive Wasser-durchströmte Kühlsysteme mit PCM entwickelt. Die bereits entwickelten Latentwärmespeicherbaustoffe wurden dafür im ersten Schritt mit konventionellen, Wasser-durchströmten Kühldecken kombiniert. Beim ersten realisierten System wurde auf eine abgehängte Decke eine 3 cm dicke Gipsputzschicht aufgetragen (vgl. Abbildung 3). In die Mitte der Putzschicht wurden Kapillarrohrmatten eingebettet. Dies ermöglicht die Nutzung alternativer Wärmesenken, wie beispielsweise Brunnenwasser, Kühltürme oder ähnliches, wodurch Lastspitzen, die beim oben beschriebenen passiven System nicht kompensiert werden konnten, nun aktiv abgeführt werden. Der Einsatz von Latentwärmematerialien in diesem Zusammenhang ermöglicht eine wesentlich energieeffizientere Nutzung der bekannten Kühltechniken. In den Übergangzeiten Frühling und Herbst kann die Kühldecke nach wie vor rein passiv nachts durch Fensterlüftung regeneriert werden, wodurch der Energiebedarf stark reduziert wird. Während der Hauptlastzeiten im Sommer ermöglicht die Verwendung der PCMs, dass die Pumpenlaufzeiten reduziert werden und dass die Rückkühlung in die thermisch wie wirtschaftlich günstigeren Nachtzeiten verschoben werden kann. Darüber hinaus können die Rückkühlanlagen aufgrund niedrigerer Spitzenlasten kleiner als bei konventionellen Systemen ausgelegt werden.
Wichtige Aspekte bei der Entwicklung der Systeme sind die Wahl des Schmelzpunktes und die Lage der Kapillarrohrmatten in der Putzschicht. Am Fraunhofer ISE wurden bereits erste Testräume mit einer PCM-Kühldecke und der entsprechenden Referenzdecke ausgestattet. Erste Messungen ohne Fluidkreislauf ergaben wieder einen Unterschied von bis zu 4 K in den Deckentemperaturen. Messungen mit aktiver Kühlung werden in den kommenden Monaten in den Testräumen durchgeführt werden.

*) Dipl.-Ing. Peter Schossig und Dipl.-Ing. (FH) Thomas Haussmann sind Wissenschaftler am Freiburger Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, und beschäftigen sich seit einigen Jahren mit der Entwicklung von Baustoffen und anderen Anwendungen mit Latentwärmespeichermaterialien, peter.schossig@ise.fraunhofer.de, thomas.haussmann@ise.fraunhofer.de [^]