Kühlung von Gebäuden ohne Kältemaschine

PCM-Pilotprojekt dokumentiert neue Wege für die Raumlufttechnik

Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Detzer, Leiter Forschung und Entwicklung Dr.-Ing. Bruno Lüdemann, Forschung und Entwicklung

Wärmespeicherprozesse in Gebäuden sind geeignet, in der warmen Jahreszeit den Energieeinsatz zur Kälteerzeugung zu reduzieren. Als Speichermodule dienen im Allgemeinen die Baumassen des Gebäudes, insbesondere die Betondecken, die mit integrierten Wassersystemen zur Entspeicherung, vornehmlich in den Nachtstunden, eingesetzt werden (Betonkernaktivierung). Nachteilig dabei ist, dass es nahezu keine Regelbarkeit des Systems gibt, dass ein zusätzliches Wassernetz im Betonkörper des Gebäudes und eine ungünstige Raumakustik durch freiliegende Betonmassen entstehen.

ALLGEMEINES

Zur Speicherung von Wärme besonders geeignet sind Stoffe, die in einem Temperaturbereich des menschlichen Umfeldes einen Phasenübergang durchlaufen. Das bekannteste Medium dieser Art ist Wasser, das bei einer Temperatur von 0 °C vom flüssigen in einen festen Aggregatzustand übergeht (Eis). Dieser Phasenübergang erfolgt unter Wärmeentzug und ist dadurch reversierbar, dass dem Eis die „Schmelzwärme” wieder zugeführt wird. Da die Schmelzwärme ein Vielfaches dessen beträgt, was zur Erwärmung von Wasser erforderlich ist, stellt der Phasenwechsel einen Wärmespeichervorgang dar. Dieser physikalische Prozess des Speicherns verläuft bei nahezu konstanter Temperatur. Die Temperatur von 0 °C ist jedoch zum Einspeichern von Wärme innerhalb von Räumen nicht geeignet.

PCM (Phase Change Materials) sind Stoffe, die den Umwandlungsprozess (fest/flüssig) bei höherer Temperatur durchlaufen. Es handelt sich dabei vorrangig um Paraffine und Salzhydrate. Durch die chemische Zusammensetzung der verwendeten Stoffe kann der Schmelzpunkt bzw. der Punkt des Phasenüberganges in bestimmten Grenzen gewählt werden (für Raumlufttechnische Anlagen z.B. 21 °C / 22 °C). Hierdurch wird es möglich, im Tagesverlauf durch Sonneneinstrahlung entstehende Wärme und/oder im Raum anfallende Kühllasten abzuspeichern und den Raum zu kühlen. Messungen im Labor zeigen, dass mit den heute vorliegenden Entwicklungen im Temperaturbereich von 20 °C bis 22 °C eine Speicherkapazität von ca. 30 Wh/kg durchaus erreichbar ist. Vergleicht man diesen Wert mit den Wärmespeicherkapazitäten anderer Stoffe, z.B. mit denjenigen von Wasser c = 1,63 Wh/kg K, Beton c = 0,28 Wh/kg K oder Sandstein c = 0,20 Wh/kg K, so wird deutlich, dass sich PCM- Materialien sehr gut zur Speicherung von Wärme, insbesondere jedoch zur Speicherung von „Kälte” eignen, da der Phasen-Umwandlungsprozess bei geringer Temperaturänderung vollzogen wird. Die Lufttemperaturen in der Umgebung liegen in den Nachtstunden deutlich tiefer als am Tage. Deshalb kann in dieser Zeit die Wärme dem Material entzogen und an die Umgebung abgeführt werden, ohne dass Energie zur Kälteerzeugung aufgewendet werden muss. Diese physikalischen Voraussetzungen bieten völlig neue Wege in der Anlagentechnik zur TGA.

SPEICHERELEMENTE

Die Umwandlungsstoffe besitzen jedoch auch eine Reihe negativer Eigenschaften, die durch konstruktive Maßnahmen bei der Entwicklung und beim Bau von Wärmeübertragern beseitigt werden müssen. So ist z.B. die sehr schlechte Wärme-Leitfähigkeit der Stoffe ein zu lösendes Problem, um den Umwandlungsprozess in vollem Umfang ausnutzen zu können.