2010 Micronal PCM Katalog

Transcription

Micronal® PCM
Katalog für
Architekten und Planer
2010
www.micronal.de
INHALTSÜBERSICHT

Grundlagen

Der physikalische Effekt

Der Rohstoff Micronal PCM

Zyklenbeständigkeit / RAL-Gütezeichen

Beispiele für die Anwendung

Berechnung mit PCMexpress / Wirtschaftlichkeit

Verwendung in aktiven Systemlösungen

Marktprodukte mit Micronal PCM

Systemlösungen

Micronal PCM Produktbroschüre / -übersicht

Realisierte Gebäude (kleiner Auszug)

Marktprodukte im Einzelnen

National Gypsum - PCM Gipsbauplatte in USA

Maxit Clima Gips-Maschinenputz Anwendungsbericht

EBB – Lehmbauplatten mit PCM in UK

Ilkazell – Kühldecken und Kühlsegel

FHG ISE Projektbericht: Schulegebäude Luxemburg mit Monitoring

Passiv Haus Institut: Simulationsstudie

RAL Gütezeichen PCM

Brandschutztechnische Stellungnahme

Technische Information Micronal DS 5007 X

Technische Information Micronal DS 5008 X

Vorl. Spezifikationsdatenblatt Micronal DS 5007 X

Vorl. Spezifikationsdatenblatt Micronal DS 5008 X

Projektberichte der LUWOGE und BASF UK

BINE Informationsdienst: Latentwärmespeicher in Gebäuden
Stand der PCM Entwicklung für Gebäude allgemein.
Stand 03/2010
Temperaturmanagement –
in seiner leichtesten Form
Micronal® PCM der BASF
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Dipl. Ing. (FH) Marco F. Schmidt, EDK/BB-H201
BASF SE, Ludwigshafen, Germany
Stand: 12/2009
Phase Change Materials in Gebäuden
Gliederung
Der physikalische Effekt
PCM-Mikrokapseln der BASF
Verhalten
Herstellung
Leistungsfähigkeit
Anwendung in der Praxis
Passive PCM-Systeme
Aktive
PCM-Systeme
Wirtschaftlichkeit von PCM
Software / Verfügbare Produkte
Ganzjährig kühl: Kirche in Wissembourg, F

Sommer und Winter
Wärmedämmung vermindert Verluste durch die Wand im Winter
Im Sommer größter Energieeintrag durch Fenster und innere Lasten
Wirksame Temperaturregelung nur durch:
Wärmespeicherung
Schattierung
Nachtlüftung
resultierende
= InnenraumTemperatur
Dämmung
Verbundprojekt-Partner:
2 Verbundprojekte in
1999-2003
+ 2004-2007
FKZ: 0329840 A-D
FKZ: 0327370 F-I
Gefördert durch:
Organisation:
Ein Forschungsbereich von:
Für den winterlichen Wärmeschutz ist eine gute Wärmedämmung das A
und O. Sie verhindert Wärmeverluste und sorgt für geringen
Energieverbrauch durch Heizung. Das eigentliche Problem bei der
Temperierung von Gebäuden zeigt sich jedoch oft erst im Sommer.
Auch im Sommer reduziert die Isolierung die Aufheizung des Gebäudes
durch die Wände. Doch der Hauptanteil an Wärme dringt in Form von
Sonnenstrahlung durch die Fenster ins Gebäude ein. Die Fenster sind
damit das Einfallstor, welches der Wärme den Weg an der Dämmung
vorbei öffnet. Ist die Wärmeenergie einmal in die Räume gelangt,
verhindert eine gute Isolierung zusätzlich die Auskühlung in den kühleren
Nachtstunden. Das Ergebnis aus dem Zusammenspiel von Fensterfläche,
Orientierung des Gebäudes, aktuellem Klima, Masse des Gebäudes,
Isolierung und inneren Energiequellen schlägt sich in einer resultierenden
Innentemperatur nieder. Die sich einstellende Temperatur ist also nur das
Resultat aus Energiemengen im Raum.
Einen entscheidenden Anteil an der sich einstellenden Temperatur hat die
Masse des Gebäudes. Ein schweres Gebäude kann Temperaturspitzen
durch seine Masse abpuffern. Als Beispiel dient der Vergleich einer
Wellblechhütte mit dem Kölner Dom. Vom thermischen Verhalten
gesehen, befindet sich jedes Gebäude zwischen diesen beiden Extremen.
In der Wellblechhütte sind die Temperaturen bei Sonneneinstrahlung
unerträglich. Der Kölner Dom bleibt durch seine dicken Mauern auch im
Hochsommer angenehm kühl. Ziel muss und kann es darum auch heute
sein, den sommerlichen Wärmeschutz mit geeigneten Materialien und
Konstruktionen zu erreichen und nicht auf energiehungrige Klimaanlagen
zu vertrauen.
3
Wärmespeicherung: 2 Arten
Phasenumwandlung
Temperaturdifferenz
„Schmelz-/ Kristallisationswärme“
Eis-Wasser: H=333 kJ/kg
„Wärmekapazität“
.
Wasser: c p  4,2 kJ/kg K
bei 0°C
333 kJ/kg
1°C -> 80°C
332 kJ/kg

Um 1 kg Eis zu schmelzen (bei 0°C), wird die gleiche Wärmemenge
benötigt, wie zur Erhitzung von 1kg Wasser von 1°C auf 80°C.
Worin unterscheidet sich „latente Wärme“ von „sensibler Wärme“ ?
Die Natur gibt das Vorbild. Wasser liegt in den 3 Aggregatszuständen fest, flüssig und
gasförmig vor. Der Übergang von einer in die andere Form benötigt sehr viel Energie –
bzw. setzt viel Energie frei.
In heißem Wasser wird die Energie „sensibel“, also in Form von „fühlbarer“ Wärme
gespeichert. Bei der „latenten“ Wärmespeicherung erfolgt die Speicherung einzig im
Phasenzustand bei konstanter Temperatur. Da diese Wärmeumsätze nicht als
Temperaturveränderung gefühlt werden können, werden sie als „latent“ bezeichnet.
Um einen Eindruck zu bekommen, welche Energiemengen in einem Phasenübergang
gespeichert sein können, ist Wasser ein gutes Beispiel. Wird 1kg Eis bei 0°C zu 1kg
Wasser bei 0°C geschmolzen, wird die Energiemenge von 333kJ/kg umgesetzt. Mit der
selben Energiemenge kann das selbe 1kg Wasser von 1°C auf ca. 80 °C erwärmt
werden.
4
Masse contra PCM
Wärmespeichervermögen im Vergleich*
15mm PCM-Putz, 3kg/m² Micronal® PCM
7 cm Beton
10 cm Ziegel
Das Problem kommt
durch die Fenster !
* Verglichen wird 1x Schmelzvorgang (23,62J/g von 25,5°C bis 27,5°C nach RAL)
mit 2K Temperaturänderung bei spez. Wärme Beton + Ziegel 0,84J/gK
und Dichte 2kg/dm³ Beton bzw. 1,4kg/dm³ Ziegel
PCM
PCM ist
ist die
die EINZIGE
EINZIGE Technologie,
Technologie, die
die einen
einen STOP
STOP im
im Temperaturanstieg
Temperaturanstieg
in
in Innenräumen
Innenräumen ermöglicht,
ermöglicht, ohne
ohne Energiekosten
Energiekosten zu
zu verursachen
verursachen
Um ein angenehmes Raumklima auch im Sommer ohne aktive Klimatisierung zu
erreichen ist thermisch Masse unerlässlich.
Die Lösung, um dies in Gebäude einzubringen heißt „Latente Wärmespeicherung in
Baustoffen“. Durch die intelligente Nutzung des vorbeschriebenen physikalischen
Effektes gelingt es, den Komfort deutlich zu steigern. Hierzu werden Wachse mit der
richtigen Schmelztemperatur in mikroskopisch kleine Kunststoffkapseln verpackt und z.B.
in Putze oder Trockenbauplatten eingearbeitet. Auf diese Weise eingebrachter
Latentwärmespeicher puffert die Innenraumtemperatur genau dann ab, wenn das
Gebäude droht zu überhitzen. Mit einem Schmelzpunkt von ca. 23 oder 26°C beginnt die
latente Wärmespeicherung in diesem Bereich, die überschüssige Wärme dem Raum zu
entziehen. Das Resultat ist ein Innenraum, welcher sich nicht weiter aufheizt. Er bleibt als
stressfreie Arbeitsumgebung bzw. mit einem angenehmen Wohnklima weiterhin nutzbar.
Temperaturspitzen werden gekappt, wodurch ein erheblicher Komfortgewinn erreicht
wird.
Da es sich um einen Wärmespeicher handelt, ist die verfügbare Gesamtmenge
entscheidend dafür verantwortlich, wie viele heiße Sommertage überbrückt werden
können, bis der „Akku“ voll ist und keine weitere Wärme mehr dem Raum entzogen
werden kann. Genauso wichtig wie die Beladung ist die Entladung des Speichers. Hierfür
werden die kühleren Nachtstunden genutzt. D.h. ein Gebäude mit PCM (Phase Changing
Material) sollte durch Nachtlüftung von der gespeicherten Energie befreit werden. Hierbei
unterscheidet es sich nicht von einem schweren Massivbau. Diese Überlegung führt
dazu, dass sommerlicher Wärmeschutz in Gebäuden immer als Konzept zu betrachten
ist. Speicherung ist der eine Aspekt – Regenerierung der andere. So sollte z.B. die
Möglichkeit von sicherer Fensteröffnung ohne Einbruchgefahr vorgesehen werden, um
eine ausreichende Spülung des Gebäudes mit kühler Nachtluft zu gewährleisten.
5
Mikrokapseln = dichte Verpackung
Tränken von Baustoffen mit PCM
kann zu Ausschwitzen führen.
Polymerhülle
Mikroverkapselte Latentwärmespeicher
umgehen diese Problematik.
5µm
Wachs
Fp: ca. 26°C
H: 110J/g
Durch die Verlagerung von Temperaturspitzen in die Nacht werden neben
dem Komfort erhebliche Kosteneinsparungen ermöglicht. Klimaanlagen
können vermieden werden oder zumindest mit kleinerer Spitzenlast
ausgelegt werden. Dies bringt direkt mehr Nutzfläche bei gegebener
Grundfläche. Ebenso müssen Zwischenmauern nicht mehr unbedingt
massiv gemauert werden, wodurch nutzbare Grundfläche im Inneren
gewonnen wird. Die Nettonutzfläche von Büro- und Wohngebäuden steigt
an – ein direkter Kostenvorteil bei der Erstellung und in der Vermietung.
Die Lösung der BASF, um das Latentwärmespeichermaterial sicher in
Baustoffe aller Art einbringen zu können, ist die Mikroverkapselung.
Kleinste Wachströpfchen (2-20µm Durchmesser) werden mit einer
hochfesten Kunststoffhülle ummantelt. Diese Mikrokapseln sind absolut
dicht, sicher zu verarbeiten und frei von Formaldehyd. Schleifen, Bohren,
Schneiden etc. nehmen die Kapseln klaglos hin, denn durch die geringe
Größe sind sie praktisch unzerstörbar.
Durch die Verkapselung wird das Wachs zudem in seiner hochreinen
Form geschützt, wodurch die maximale Wärmespeicherkapazität von 110
kJ/kg dauerhaft gewährleistet ist. Prinzipiell ist jede gewünschte
Schalttemperatur herstellbar. Micronal® DS 5000 X nimmt die
Wärmeenergie der Umgebung bei ca. 26°C auf. Dies ist die mit
Computersimulationen bestätigte optimale Temperatur, wenn es um
passiven sommerlichen Wärmeschutz in Gebäuden geht.
6
PCM Herstellung - Sprühtrocknung
Heiße
Trockenluft
PCM – Dispersion
Sprüh –
Trockenturm
Luft Pulver
PCM – Pulver
Bei der Herstellung erhält man ein flüssiges Produkt, in dem die Mikrokapseln in Wasser
dispergiert sind. Alle Anwendungen, in denen die flüssige Form verwendet werden kann,
greifen auf diesen Rohstoff zurück. So braucht Gips für die Abbindung ohnehin Wasser,
welches durch die PCM-Lösung gleich mitgebracht wird.
Verlangt die Anwendung jedoch nach einem pulverförmigen Rohstoff, so kann durch
zusätzliche Sprühtrocknung das Wasser entfernt werden. Dies ist z.B. der Fall bei
trockenen Fertigmischungen in Gips- oder Zementmörteln (Werktrockenmörtel), welche
in Säcken oder im Silo geliefert werden. Die BASF ist damit im Moment der weltweit
einzige Hersteller, welcher formaldehydfreie mikroverkapselte Latentwärmespeicher in
großen Mengen zu Verfügung stellen kann.
7
Dauertest an PCM-Mikrokapseln
Dauertest mit
24 Zyklen/Tag; Zeit: 16 Monate
10.000 Zyklen (beendet)
DSC unverändert
keine defekten Kapseln
Foggingtest bestanden
Die Dauerhaftigkeit muss natürlich gewährleistet sein. In langen
Zyklentests wurde das Material auf Herz und Nieren geprüft. Dabei
wurden 10.000 Zyklen durchlaufen, wobei sich das Material praktisch nicht
veränderte. Sowohl Dichtigkeit als auch Schmelzwärmekapazität waren
auf dem selben Niveau, wie zu Beginn des Tests. Nimmt man 300
Schaltvorgänge pro Jahr bei Innenanwendung in Gebäuden an (1x
Wärmeaufnahme und -abgabe pro Tag), entsprechen die 10.000 Zyklen
einer Mindestlebenserwartung von > 30 Jahren.
Um dem Endanwender mehr Sicherheit zu geben, haben sich namhafte
PCM-Hersteller in Deutschland zusammengeschlossen und gründeten die
RAL Gütegemeinschaft PCM e.V. Ziel war die Schaffung eines RAL
Gütezeichen PCM. Das nach den strengen Regeln des RAL Deutschen
Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung e.V. anerkannte
Gütezeichen legt die Prüfkriterien für qualitativ hochwertige PCM-Produkte
fest. Die Zyklenbeständigkeit ist dabei ein wichtiger Faktor.
Selbstverständlich ist auch die BASF Gründungsmitglied in der
Gütegemeinschaft PCM e.V. und prüft nach den vorgegebenen Kriterien.
Weitere Informationen sind zu finden unter: www.ral.de
8
Komfortgewinn im Leichtbau
Komfort heißt: angemessene Temperaturen ohne Überhitzung
Speichervermögen ist durch Masse oder PCM erreichbar.
PCM reagiert sprunghaft, Masse jedoch nur träge.
Schneller:
Hohe Energieaufnahme sobald es nötig wird.
Konzentriert nahe der Oberfläche bei Wänden / Decken
Schnellere Entladung durch Nachtlüftung.
Gleiche Wirkung:
200 to Baustoffe, wie z.B. Beton oder Stein – linear bei Temperaturanstieg
7 to PCM (110kJ/kg) – dann aktiviert, wenn die Temperatur kritisch wird.
Faustformel:
Faustformel: 3kg
3kg PCM
PCM Wirkstoff
Wirkstoff je
je m²
m² Nutzfläche
Nutzfläche sollten
sollten mind.
mind. eingebaut
eingebaut werden
werden
Bereits 7 Tonnen von Latentwärmespeichermaterial in einem Gebäude verarbeitet,
simuliert i.e. 200 Tonnen Beton bzw. Baustoffe. Damit würde sich die thermische Masse
eines Einfamilienhauses praktisch verdoppeln, wobei so viel selbstverständlich nicht
benötigt wird bei solchen Gebäuden. Durch die spezielle Eigenschaft der
Latentwärmespeicher, sich erst bei der gewünschten Temperatur einzuschalten, gilt als
Faustformel: 300 bis 400 kg Wirkstoff für ein Einfamilienhaus beziehungsweise 3
kg Wirkstoff je m² Nutzfläche. Damit kann in etwa die Energiemenge aufgenommen
werden, die an einem Tag im Sommer für Überhitzung im Innenraum sorgen würde. Die
genau benötigte Menge muss am konkreten Objekt ermittelt werden.
Der Vorteil dabei ist, dass die Wirkung konzentriert einsetzt, wenn das Gebäude sich
anschickt, zu überhitzen. Damit sind die Latentwärmespeicher üblichen Baustoffen weit
überlegen, die sich linear mit der Temperatur erwärmen. Auch die Entladung durch
Nachtlüftung ist deutlich schneller möglich, denn i.d.R. werden PCM-Baustoffe nahe der
Oberfläche positioniert (z.B. als Putzsysteme oder im Trockenbau).
9
Eckpunkte für Latentwärmespeicher
Was geht:
Was nicht geht:
Aktive
Aktive und
und passive
passive Systeme
Systeme
Latentwärmespeicher
Latentwärmespeicher können
können
Kühlenergie
Kühlenergie einsparen
einsparen
Dämmung
Dämmung in
in keinem
keinem Fall
Fall ersetzen
ersetzen
TGA
TGA effizienter
effizienter gestalten
gestalten
Außeneinsatz
Außeneinsatz an
an Fassaden
Fassaden für
für
Effekt
Effekt im
im Gebäudedesign
Gebäudedesign nutzbar
nutzbar
Kombiniert
Kombiniert m.
m. Sonnenkollektoren
Sonnenkollektoren
Reduktion
Reduktion der
der Veralgung
Veralgung möglich
möglich
sommerlichen
sommerlichen Wärmeschutz
Wärmeschutz
Aktiv
Aktiv beheizen
beheizen oder
oder abkühlen
abkühlen
Lufttrocknung
Lufttrocknung
Ein Hauptaugenmerk bei der Entwicklung der Latentwärmespeicher liegt
auf dem Komfortgewinn durch passive Gebäudekühlung. Damit zielen
Latentwärmespeicher auf das letzte prinzipielle Problem in Gebäuden: Der
sommerliche Wärmeschutz.
Durch den Einsatz von kleiner dimensionierten Klimaanlagen – oder den
kompletten Verzicht darauf – kann viel Kühlenergie und Folgekosten
gespart werden. In welchem Umfang das möglich ist, muss für jedes
Gebäude neu bestimmt werden. Computersimulationen haben ergeben,
dass durch den Effekt der Wärmeeinspeicherung bei Tag und
Wiederabgabe in den kälteren Nachtstunden, auch ein EnergieEinspareffekt zu erzielen ist wenn es um „Heizen“ geht. Dies vor allem
durch Verschiebung von überschüssiger und kostenloser Sonnenwärme in
die kühleren Abendstunden in der Übergangszeit. Dadurch muss ein
eventuell vorhandener Gasbrenner erst später am Abend seine Arbeit
aufnehmen, um das Gebäude vor dem auskühlen zu schützen. Dabei wird
ausgenutzt, dass die Wand insgesamt ein höheres Energieniveau besitzt.
Mit der neuen dynamischen Gebäudesimulation „PCMexpress“ ist es
Planern und Architekten möglich, die erreichbaren Effekte im Vorfeld zu
berechnen. Seit Frühjahr 2008 steht dieses Simulationstool der
Öffentlichkeit zur Verfügung. Es ist frei erhältlich zum Download unter
www.micronal.de.
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Erstes kommerzielles Objekt
mit passivem Kühlkonzept
Bürogebäude in Offenburg
Stahl+Weiß, Büro für Sonnen Energie
Bertoldstr. 45, D-79098 Freiburg, www.stahl-weiss.de
Ca. 5000m² Nutzfläche
Konzept :
verstärkte Dämmung
Jalousie mit Tageslichtlenkung
reine Nachtauskühlung
keine Klimatisierung
Lehman Architekten, Franz-L-Mersy-Straße 5
D-77654 Offenburg, www.lehmann-architekten.de

 Ziel:
Ziel: Low
Low techtech- Gebäude
Gebäude mit
mit gutem
gutem thermischen
thermischen Komfort
Komfort
bei
geringem
Energieverbrauch
bei geringem Energieverbrauch
Fa. Maxit in Merdingen entwickelte den PCM-Gipsputz „maxit-clima®“, welcher genau wie
ein normaler Gipsputz angewendet wird. Zusätzlich zu den Aufgaben eines Putzes liefert
dieses Produkt jedoch nun auch eine Klimafunktion zum Temperaturmanagement in
Innenräumen. Grundsätzlich gilt für PCM-haltige Bauprodukte, dass sie nicht mehr mit
ihren unmodifizierten Ausgangsprodukten vergleichbar sind, da sie zu echten
Funktionselementen in Gebäuden werden.
Dieser „intelligente“ Putz wurde erstmals in einem kommerziellen Objekt zur passiven
Gebäudekühlung eingesetzt: Das neue Verwaltungsgebäude des badischen
Energieversorgungsunternehmens Badenova in Offenburg. In diesem Fall traf die
Leistungsfähigkeit des Putzes genau die Bedürfnisse des Architekten nach höherer
thermischer Speichermasse ohne Mehrgewicht im Gebäude. Da auf eine künstliche
Klimatisierung auf jeden Fall verzichtet werden sollte, boten sich die
Latentwärmespeicher der BASF in Form des Klimaputzes „maxit-clima®“ als Lösung an.
Der Putz ist bei Fa. Maxit direkt erhältlich. Weitere Informationen unter: www.maxit.de
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Badenova, Offenburg:
Dynamische Temperatursimulation
Gefühlte Temperatur während der Arbeitszeit
Komfortbereich nach DIN 1946
Nur
Nur 22
22 Stunden
Stunden im
im Jahr
Jahr
außerhalb
außerhalb gewünschtem
gewünschtem Bereich
Bereich
© 2004 Büro Stahl+Weiß, Büro für Sonnen Energie, Freiburg,
Präsentiert a.d. Renexpo 2004, Augsburg
Immer wieder steht natürlich auch die Wirtschaftlichkeit eines solchen
Systems auf dem Prüfstand. Stellt man Überlegungen in dieser Richtung
an, muss man sich immer bewusst sein, dass es sich um ein passives
System handelt, welches natürlich nicht wie bei einer Klimaanlage einfach
ein- und ausgeschaltet werden kann. D.h. es können unter Umständen
Situationen entstehen, in denen eine zu lange Hitzeperiode die
Speicherfähigkeit des Systems überlastet. Dafür erhält man für einen
Großteil des Jahres gut klimatisierte Räume ohne einen Cent an
Energiekosten für die Kühlung.
Im konkreten Fall in Offenburg wurde mit Gebäude- Simulationen
überprüft, ob das passive Kühlkonzept aufgeht. In der Grafik steht jeder
blaue Punkt für eine Stunde Innentemperatur gegenüber
Außentemperatur. Die eingezeichneten Temperaturbereiche zeigen die
zulässigen Grenzen nach Arbeitsstättenrichtlinie in Deutschland an.
Innerhalb der Grenzen kann das Raumklima als Angenehm bezeichnet
werden. Die Grafik zeigt, dass das Gebäude nur an 22 Stunden im
süddeutschen Sommer den zulässigen Bereich leicht verlassen hat. Für
ein passives Konzept, welches keinerlei Zusatzenergie für die Kühlung
benötigt, ein hervorragendes Ergebnis. Denn einen ähnlichen Effekt
können selbst aktiv klimatisierte Gebäude zeigen, wenn die Kapazität der
installierten Kühlleistung überschritten wird.
12
Wirtschaftlich und ökologisch ?
PCM contra Klimatisierung
Vergleich Betriebskosten Verwaltungsgebäude
Gebäudebeschreibung:
MIBA Offenburg
Vergleichsgebäude 1
Fassade: Kastenfensterfassade mit Nacht-LüftungsflügelnFassade mit Wärmeschutzverglasung und Lüftungsflügeln, keine Nachtlüftung
Sonnenschutz: Hüppe TLT mit Blendschutz integriert,
Außenliegender Sonnenschutz ohne Lichtlenkung,
Tageslichtnutzung und Ausblick im
zusätzlich innenliegender Blend/Sichtschutz
geschlossenen Zustand
Heizung: statische Heizflächen
Betonkernaktivierung + Konvektor (Einzelraumregelung)
Betonkernaktivierung + Kompressionskälte
Kühlung: Lüftung: Büros natürl. Lüftung, innenl. Räume WRG
Büros natürl. Lüftung, innenl. Räume WRG
Endenergie
Energieverbrauch
Fläche
m²
6444
4040
480
1290
0
5902
Primärenergie
MIBA Offenburg
Wärme Kälte Elektro Wärme Kälte Elektro
kWh/(m² a)
MWh/a
BGF
Hauptnutzfläche*
55
~
20
Nebennutzfläche*
55
~
15
Verkehrsfläche *
55
~
10
Tiefgarage
~
~
10
NGF
5810 m² EBF
Warmwasserverbrauch
Endenergie Wärme
mittl. gebäudespezifischer Verbrauch [kWh/(m²NGF a)]
Betriebsbedingte CO2-Emission
222
26
71
~
320
20
340
55
~
~
~
~
79
7
13
0
99
Vergleichsgebäude 1
MIBA OG Vergl. Geb.
Wärme Kälte Elektro Wärme Kälte Elektro
kWh/(m² a)
MWh/a
MWh/a
MWh/a
65
20
65
~
65
~
~
~
5810 m² EBF
17
Betriebskosten
Wärme
Zinssatz
Nutzungsdauer
5%
20 a
263
31
84
~
378
20
398
65
81
~
~
~
81
123
10
19
0
152
40
spez. PE-Verbrauch ohne TG
* Flächen gehören zur Energiebezugsfläche
Ökonomische Rahmendaten
Energiepreissteigerung
Öl/Gas/Strom/wasser
30
20
15
10
Annuitätenfaktor
Preissteigerung
Mittelwertfaktor
Öl/Gas/Fernwärme
45 €/MWh
Kälte
100 €/MWh
Elektrizität
100 €/MWh
Summe Betriebskosten
mittlere Betriebskosten bezogen auf Hauptnutzfläche und Monat
0.0802 1/a
5%
1.605
482
51
117
0
649
24
673
148
102
116
900
63
150
0
1113
24
1137
250
Einsparung
196
spez. Primärenergie
100
100 tt CO
CO22
Einsparung
Einsparung p.a.
p.a.
Einsparung
464
t CO2/ a
t CO2/ a
kWhPE/m²a
25.600
25.600 €€ p.a.
p.a.
Kostenersparnis
Kostenersparnis
LA
Vgl.Geb Differenz
MIBA OG Vergl. Geb.
24525 28722
64
75
0 12969
0
14
15936 24375
51
78
40461 66067 25605 €/a
116
168
0.83
1.36
0.53 €/(m²HNF Monat)
© 2004 Büro Stahl+Weiß, Büro für Sonnen Energie, Freiburg,
Präsentiert a.d. Renexpo 2004, Augsburg
Der Wohlfühlfaktor ist nur ein Teilaspekt der Leistungsfähigkeit von PCM. Wesentlich
wichtiger für Bauherren und Investoren ist natürlich die Wirtschaftlichkeit, welche vom
Büro Stahl + Weiß in Freiburg für dieses Gebäude untersucht wurde: Es zeigt sich, dass
ein Kühlkonzept auf Basis von Latentwärmespeichern sehr attraktiv ist. Die
Vergleichsrechnung bezieht sich auf ein Kühlkonzept mit Betonkernaktivierung im
gleichen Gebäude. Unter Einbeziehung aller Randbedingungen ergibt sich eine jährliche
Kostenersparnis von über 25.000€. Die Mehrkosten für einen PCM-Gipsputz wären so in
weniger als 2 Jahren amortisiert.
Da keine Energie zur Kälteerzeugung benötigt wird, ist auch die ökologische Betrachtung
interessant. Zurückgerechnet auf die Primärenergie ergibt sich eine CO2-Einsparung von
über 100t pro Jahr.
13
Ist PCM denn wirtschaftlich ?
Beispiel Dachgeschoss
Als weiteres Beispiel für eine mögliche Gegenüberstellung sei ein Dachgeschoss eines
Einfamilienhauses mit oder ohne ca. 70m² PCM-Flächen betrachtet. Für die dynamische
Gebäudesimulation werden dabei die Deckenflächen mit PCM-Gipsbauplatte belegt,
wobei die Wahl des Baustoffs (Putz, Gipsbauplatten, Spanplatten etc...) letztendlich frei
bleibt. In diesem Fall liegt der jährliche Kältebedarf bei ca. 100kWh. Diese kann entweder
über eine Kälteanlage bereitgestellt werden, oder aber man überlässt diese Arbeit dem
PCM. Bei einer angenommenen Energiepreissteigerung von 10% und Unterhaltskosten
von 5% p.a. für die Klimatisierung ist die Amortisation bereits nach gut 5 Jahren erreicht.
Nach einem Betrachtungszeitraum von 20 Jahren wird ein positiver Kapitalwert von 6190
€ ermittelt. Hierbei ist berücksichtigt, dass die Lebensdauer der aktiven Kühlung mit 15
Jahren angenommen wurde, wohingegen die Funktion des Micronal® PCM unbegrenzt
über die Nutzungszeit im Gebäude ist. Dies zeigt, dass neben ökologischen Argumenten
auch handfeste ökonomische Fakten für den Einsatz von Micronal® PCM sprechen. Die
dynamische Gebäudesimulation PCMexpress kann flexibel auf jedes Gebäude
angewendet werden. Somit lassen sich die konkreten Werte individuell bestimmen.
14
Berechnungssoftware PCMexpress für
Vergleich von Varianten “mit/ohne PCM“
PCMexpress ist ein Planungs- und Simulationsprogramm für Gebäude mit
Phasenwechselmaterialien (PCM). Es soll Architekten und Planer bei der Planung
unterstützen, indem es quantitative Aussagen zum PCM- Effekt im konkreten
Anwendungsfall trifft und somit eine gesicherte Entscheidungsfindung für den Einsatz von
PCM- Bauprodukten im Gebäude ermöglicht.
Hierzu ermöglicht PCMexpress den Anwendern auf einfache Art und Weise, ein PCMSystem zu definieren. Dieses umfasst den Einsatz von PCM bei Wand- und
Deckenaufbauten genauso wie Veränderungen an der zugehörigen Haustechnik. Hierbei
soll insbesondere der Low-Exergie-Ansatz (= Heizen und Kühlen mit kleinen
Temperaturdifferenzen) in Form von aktivierten Bauteilen (Flächenheizung, Kühlflächen)
und energiesparenden Kühltechniken unterstützt werden. Der Einsatz von PCM lässt sich
je nach Gegebenheiten durch erhöhten Komfort oder durch eine
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung begründen. Beide Strategien werden vom Programm
durch eine entsprechende Nutzerführung, vordefinierten Nutzungsprofilen sowie mit
angepassten Ergebnispräsentationen unterstützt. (Kostenloser Download unter:
www.valentin.de)
Das Programm PCMexpress ist im Zusammenhang mit dem Forschungsvorhaben
„Aktive PCM-Speichersysteme für Gebäude“ entstanden, welches in Zusammenarbeit mit
dem Fraunhofer Institut für solare Energietechnik (ISE) in Freiburg und weiteren
Industriepartnern durchgeführt wurde. Die Partner danken dem BMWi, das die
Ausführung der Arbeiten ermöglichte und unter den Förderkennzeichen FKZ 0327370S
und 0327370F-K förderte, sowie dem Projektträger Jülich für die Begleitung.
15
Holzleichtbau bisher und optimiert mit PCM
Temperaturverlauf Beispieltag
R1
Gleichmäßiges Temperaturniveau
28,3°C
Raum 1 im OG
dT = 8,5°C
dT = 3,8°C
- 3,5°C Tmax
25,0°C
Als weiteres Beispiel für die Leistungsfähigkeit einer PCM-Baustofflösung im Leichtbau ist
hier ein reales Gebäude dargestellt, welches in dieser Form am Markt in
Holzleichtbauweise angeboten wird. Die fehlende Masse wird in der entsprechenden
Modellsimulation durch einer PCM Gipsbauplatten – Beplankung an den Dachschrägen
und einer Innenwand ersetzt. Die Rechnung wurde mit realen Wetterdaten aus Berlin
durchgeführt. Wand- und Deckenaufbauten, sowie Fensterqualitäten entsprechen dem
realen Aufbau.
Deutlich ist das wesentlich gutmütigere Temperaturverhalten im Dachgeschoss
abzulesen. Mit diesen Randbedingungen werden ca. 3,5°C niedrigere
Spitzentemperaturen am 26. Juli verzeichnet. Bei einer anderen geografischen Lage oder
Orientierung des Gebäudes können diese Werte natürlich schwanken. Mit PCMexpress
lässt sich das selbe Gebäudemodell sehr einfach an jeden beliebigen Ort in Europa
„verlegen“ und damit der Einfluss des Klimas abschätzen. Es ist auch möglich, den
Einfluss der Verschattung und/oder Wandaufbauten sehr schnell zu optimieren. Denn ein
guter Aufbau in München muss noch lange nicht der Beste für Hamburg sein.
PCMexpress bietet also neben der Abschätzung des absoluten PCM- Effektes im konkret
geplanten Objekt auch die Möglichkeit das Gesamtkonzept in Hinblick auf
Energieeffizienz und Komfort iterativ zu optimieren.
16
Holzleichtbau bisher und optimiert mit PCM
Temperaturverteilung
+ 359 h Komfort
- 158 h >26°C
Raum 1 im OG (Innenwand 23°C, Dach 26°C)
In der Ergebnisdarstellung von PCMexpress können nach der Simulation weitere Daten
abgerufen werden. Hier ist die Verteilung der Raumtemperaturen in % des Jahres
aufgetragen. Die Verbesserung des thermischen Komforts gegenüber der herkömmlichen
Bauweise ist erheblich:
Da das eingesetzte PCM die Zeiträume über 26°C zu Zeiträumen unter 26°C wandelt,
verweilt der Dachraum wesentlich länger im Komfortbereich von 21°C-26°C. Der Nutzer
findet ihn um mehr als 360 Stunden länger komfortabel vor.
Gleichzeitig gehen natürlich auch die Überhitzungszeiten im Dachgeschoss von 368 Std.
auf 210 Stunden zurück. Das heißt, dass es in diesem passiven Anwendungsfall ohne
Schalter und Steckdose schon noch zu Überhitzung kommen kann, die absoluten
Zeiträume sind jedoch erheblich reduziert. In welchem Umfang das im konkreten
Gebäude passiert, kann und muss mittels PCMexpress im Vorfeld bestimmt werden.
Aufgrund der jeweiligen Ergebnisse können dann die notwendigen Entscheidungen
bezüglich optimaler Schalttemperatur, gewählter Verschattungslösung oder benötigter
PCM-Menge getroffen werden.
17
Komfortgewinn im Holzleichtbau konkret
In dieser Beispielkalkulation wird das zuvor beschriebene Musterhaus in Bad Kissingen
platziert und die Auswirkung auf die Tage >26°C ermittelt. 280 Stunden mit Überhitzung
im Referenzfall stehen 61 Stunden Im PCM-Fall gegenüber. Diese Zahlen lassen jedoch
die Tragweite nicht so leicht erkennen, als wenn die relevanten Tage mit/ohne PCM auf
einer Kalenderübersicht gegenüber gestellt werden.
Es ist nun im Falle „Komfortbetrachtung“ ohne eine geplante Klimatisierung in beiden
Fällen eine subjektive Entscheidung des Bauherren, ob das PCM zum Einsatz kommt
oder nicht. Eine Amortisation über Energieeinsparungen kann sich nicht ergeben, da
ohnehin keine Klimatisierungskosten anfallen würden. Je nach Angebot des Verarbeiters
ist diese Entscheidung dann für jedes konkrete Gebäude neu zu treffen.
18
Aktive PCM-Systeme in größeren Objekten
Hoher Energieeintrag in modernen
Gebäuden erfordert Temperaturregelung
Technologie-Wechsel denkbar und nötig:
Kompressor -> Kühlturm oder Erdkühlung
Aktive Konzepte:
Rückkühlung mit Wasser oder Luft
Betonkernaktivierung plus PCM
Kapillarrohrmatten im Putz plus PCM
Ilkazell – PCM Kühldeckensegel
Trockenbau plus PCM
Beispiel für moderne Glasarchitektur:
Printakademie Heidelberger-Druck
Viele Gebäude im Objektbereich müssen eine Regeltemperatur an
Arbeitsplätzen von max. 26°C einhalten. D.h. der Architekt ist gemeinsam
mit den Planern dafür verantwortlich, dass die Arbeitsbedingungen für die
Mitarbeiter erträglich bleiben (Arbeitsstättenrichtlinie §6, 3.3). In den
letzten Jahren hat sich hierfür neben den bekannten
Klimatisierungstechniken (Kühlluft) auch die Betonkernaktivierung
durchgesetzt. Hierbei wird mittels in der Betondecke eingegossenen
Wasserleitungen die Zwischendecke heruntergekühlt, um so am Tage
dem Raum schonend die überschüssige Wärme zu entziehen. Hier spielt
der Latentwärmespeicher seine Vorzüge aus, denn er spricht wesentlich
schneller auf Temperaturspitzen an, als der träge Beton. Dadurch lassen
sich Temperaturspitzen am Tage abpuffern und mit niedriger Kühlleistung
in der Nacht abtransportieren. D.h. Wärmemengen werden von Zeiten mit
ohnehin hohem Kühlbedarf zu späteren Zeiten verlagert. Dies ist in
Gebieten mit großen Differenzen zwischen Tag- und Nachtstrompreis sehr
interessant. Enorme Kosteneinsparungspotentiale sind realisierbar.
Bei aktiven Systemen wählt man Latentwärmespeichermaterialien mit
Schalttemperaturen zwischen 21°C und 23°C aus. Man befindet sich
damit mitten im Komfortbereich und kann den Schaltvorgang möglichst
häufig nutzen. Die Entladung wird auch durch das nun kleinere
Kühlsystem „garantiert“.
19
Erstes kommerzielles Objekt
mit aktivem Kühlkonzept
Sanierungsobjekt: Gotzkowskistraße, Berlin
Energiekonzept: Büro EGS Plan, Stuttgart
Aktive Klimatisierung zur Kühlenergieeinsparung
1.100 m² „maxit clima®“- Putz in 2 Stockwerken
5 t Micronal® PCM mit 23°C Schaltpunkt verarbeitet
Foto: MFS
In diesem Office- und Wohngebäude in Berlin an der Spree wurde das Konzept der
Kombination von PCM mit aktiver Klimatisierung verwirklicht. In den oberen beiden
Stockwerken wurden Kapillarrohrmatten in den temperaturregelnden PCM-Gipsputz
„maxit clima®“ eingebettet (23°C Schalttemperatur). Sie werden mit Wasser durchströmt,
welches auf dem Dach von einem Kühlturm seine Kühlenergie erhält. Dieses
regenerative Kühlkonzept kappt die Temperaturspitzen am Tag durch PCM und
ermöglicht eine gleichmäßige und preiswerte Entladung während der Nachtstunden.
Begleitend werden Messungen durch die TU Braunschweig durchgeführt, die das
Verhalten in der Realität dokumentieren. Insgesamt wurden 1.100m² Deckenfläche mit
üblicher Maschinentechnik ca. 3cm stark verputzt. Unter www.micronal.de steht der
komplette Untersuchungsbericht zum Download zur Verfügung.
20
Realisiertes Projekt:
Büroneubau und -erweiterung
Passivhaus-Standard
Verbesserte Tageslichtnutzung
Hoher klimatischer Komfort
Pilotanwendung neuer Technologien
(LowEx)
ENGELHARDT & BAUER
Druckerei in Karlsruhe
ca. 900m² Nutzfläche
ca. 240m² Kühldeckensegel eingebaut
Die erste Anwendung von systemintegrierten Kühldeckenelementen der Fa. Ilkazell,
Zwickau, wurde 2006 im Büro-Erweiterungsbau der Druckerei Engelhart & Bauer in
Karlsruhe realisiert. Gemeinsam mit den Spezialisten vom Fraunhofer Institut für Solare
Energiesysteme (FHG ISE, Freiburg) wurde ein optimiertes Konzept umgesetzt, welches
regenerative Kälte mit Energieeffizienz und höchstem Raumkomfort für die Mitarbeiter
verbindet.
Im Rahmen des EnSan – Förderprogramms findet in 2007/2008 ein geeignetes
Monitoring statt, um die geforderte Effizienz zu gewährleisten und nachzuweisen.
21
Regeneratives Kühlkonzept mit Kühldecken
Kühlquelle sind klein dimensionierte Erdsonden
Energieeffiziente Lösung, basierend auf regenerativem Kühlkonzept.
Kein Wärmetauscher zwischen Kühlquelle und Kühldeckensegel
Minimaler technischer Aufwand, geringe Betriebs und Investitionskosten.
For
tl uft
PCM-Kühldeckensegel
Nachtluft
Nachtluft
Tagsüber Kühlung
durch Strahlungsaustausch
20kW bei 16°C
Kühlleistung
Fußbodenheizung mit Abwärme aus Produktion
Das Klimatisierungskonzept des Gebäudes basiert auf der regenerativen Kühlung durch
Erdwärmesonden, deren Kühlwasser im Kreis durch die Kühldeckensegel gepumpt wird.
Die Regeneration des PCM erfolgt somit durch Wasser als Energietransportmedium und
ist unabhängig von den nächtlichen Temperaturen. Die Gebäudemasse wird durch
Nachtauskühlung mit automatischen Fensteröffnungen zusätzlich entladen. Tagsüber
erfolgt die Kühlung des Gebäudes durch stille Kühlung über die Kühlsegel. Das PCM
darin stellt im Bedarfsfall (bei unzureichender “just-in-time” Kühlleistung) weitere
Kühlreserven zur Verfügung und dämpft die Spitzenlast ab. Die Lüftungsanlage ist im
Sommerfall nur für den hygienischen Luftwechsel zuständig und übernimmt im Winterfall
die Luftführung für die Wärmerückgewinnung. Die Fußbodenheizung wird betrieben mit
Abwärme aus der Produktionshalle, welche sich an das Gebäude anschließt. Alle
konventionellen Kühlaggregate konnten entfernt werden.
22
Kleiner Auszug von mit Micronal® PCM
realisierten Gebäuden
...
2001: Unter der Federführung der LUWOGE wurde zusammen mit Herstellern der
Bauindustrie, Unternehmen der Gebäudetechnik und der BASF ein Konzept entwickelt,
um aus innovativen Komponenten ein nicht nur unter energetischen Gesichtspunkten
hocheffizientes Gebäude zu schaffen. Es wurde im 3 Liter-Haus ein PCM-modifizierter
Gipsputz und eine PCM-modifizierte Spachtelmasse eingebaut.
2002: Im Rahmen einer passiven Klimatisierungslösung hat unser Partner maxit einen
gipsgebundenen Micronal-Latentwärmespeicher in den Büroneubau des
Energieversorgers Badenova in Offenburg eingebaut. Das gesamte Gebäude wurde
vom Architekturbüro Lehmann in Offenburg und dem Büro für Sonnenenergie Stahl+Weiß
in Freiburg energetisch optimiert.
2003: Im neuen Dienstleistungs- und Servicecenter (DSC) in der Nähe des BASFWerksgeländes sind die Geschäftsstellen der LUWOGE und der Betriebskrankenkasse
Fortisnova untergebracht. Die Funktionalität und die ansprechende Gestaltung des
DSC´s haben der LUWOGE und dem Architekturbüro Allmann Sattler Wappner den
„Innovationspreis Architektur und Bauwesen“ eingebracht. Micronal PCM wurde im DSC
in Form eines gipsgebundenen Latentwärmespeichers in eine Kühldecke mit
Kapillarrohrmatten eingebaut.
2004: Die Sanierung eines Wohnungs- und Bürokomplexes in der Gotzkowskistraße in
Berlin brauchte neue, innovative Lösungen zur Optimierung des
Gebäudetemperaturmanagements. In zwei Stockwerken wurde in den Büros eine
Kapillarrohrmatten-Kühldecke mit gipsgebundenem Latentwärmespeicher realisiert.
2005: Im Jahr 2001 lud das SZ-Magazin renommierte Architekten aus dem In- und
Ausland zu einem Architekturwettbewerb ein: Gesucht wurde das Haus der Gegenwart.
Das Siegermodell von AllmannSattlerWappner wurde realisiert und im Januar 2005
eröffnet. Ein Bestandteil des passiven Lüftungskonzeptes war der Einbau von PCMmodifizierten Gipsbauplatten. Insgesamt wurden im Haus der Gegenwart 1.800 kg
reines Latentwärmespeichermaterial verbaut.
Seit 2006 hat sich Micronal PCM als energieeffiziente Bauweise sowohl in passiver
Anwendung mit Nachtauskühlung wie auch als Komponente in aktiv gekühlten Gebäuden
stark verbreitet.
23
Micronal® PCM – Sortiment und Endprodukte
Rohstoffsortiment:
als Pulver oder flüssig
mit 21°C, 23°C oder 26°C
Baustoffsortiment:
Maxit Clima® – PCM- Putz
CelBloc Plus® – PCM- Porenbeton
Lebast PCM Lehmbauplatte
ThermalCORE™ - PCM Gipsbauplatte...
Die BASF als Rohstoffhersteller bietet ihren Kunden mikroverkapselte, formaldehydfreie
Latentwärmespeicher in verschiedenen Formen (pulverförmig und flüssig) und in
mehreren Temperaturbereichen an. Damit kann jeder Formulierer seine Produkte mit
dieser Funktionalität ausrüsten und eigenständig in diesem dynamischen Markt agieren.
Für die drei wichtigsten Anwendungsarten im Hochbau – statisch tragende Wände,
Trockenbau und Nassapplikation sind reguläre Baustoffe im Markt verfügbar. Alle
Verarbeiter am Bau können die Produkte über die üblichen Vertriebswege bestellen:
-Fa. Lebast bietet fertig konfektionierte Lehmbauplatten für den Leicht- und Trockenbau
an. Damit ist erstmals die latente Wärmespeicherung als Technologie genauso einfach zu
verarbeiten, wie herkömmlicher Trockenbau – ohne dabei die Nachteile einer fehlenden
Gebäudemasse in Kauf nehmen zu müssen. (www.lebast-lehmbaustoffe.de)
-Fa. H+H Deutschland GmbH bietet einen PCM modifizierten Porenbeton an, mit dem
statisch tragende und hoch dämmende Massivwände erstellt werden können. Durch den
„CelBloc Plus“ ist der PCM-Effekt schon im Rohbau enthalten. Er ist an seiner grünen
Signalfarbe sofort von herkömmlichen Porenbetonsteinen zu unterscheiden. Ein
gleichmäßigeres Raumklima, konstanteres Temperaturniveau über das Jahr hinweg und
auch signifikante Einsparungen im Bereich Heizenergie konnten nachgewiesen werden.
-Fa. Maxit (jetzt Saint Gobain / Weber) am Standort Merdingen war seit Anbeginn der
Micronal® PCM Entwicklung engagierter Projektpartner. Seit 2003 bietet sie ihren
Micronal® PCM- haltigen Gipsputz unter dem Namen „maxit clima“ für die
Innenanwendung an. Er erweitert damit das Sortiment an „Putzen mit Funktion“ aus dem
Hause Maxit durch die Funktion „Wärmemanagement“. Das Produkt hat
Entwicklungsstatus und kann bei Bedarf über BASF direkt beim Hersteller angefragt
werden.
24
Die Micronal® PCM – Gipsbauplatte:
National Gypsum ThermalCOR™ in USA
Quelle: www.thermalcore.info
© National Gypsum 2009
National Gypsum, Charlotte/USA, stellte am 11. November Ihre Gipsbauplatte
'ThermalCORE' mit Micronal PCM von BASF auf der Greenbuild 2009 in Phoenix offiziell
vor.
ThermalCORE ist eine 12,5 mm starke Gipsbauplatte mit Glasfaseroberfläche.
ThermalCORE enthält ca. 23% Micronal PCM und lässt sich verarbeiten wie normale
Gipsbauplatten. Durch ihre Standarddicke von 12,5 mm eignet sich das Produkt von
National Gypsum für Trockenwandaufbauten sowohl mit Doppel- als auch mit
Einfachbeplankung. In kürze wird ThermalCORE auch in PCMexpress, der kostenlosen
Simulationssoftware, nutzbar sein.
Die Platte ist derzeit in den USA in sorgfältig ausgewählten Bauprojekten im Feldtest, um
den vollen Umfang der Vorteile in der Nutzung genau zu ermitteln und publizieren zu
können.
Anfragen zu ThermalCORE richten Sie bitte direkt an National Gypsum unter
www.thermalcore.info oder an das Micronal PCM Team unter www.micronal.de.
Als Faustformel gilt:
10m² Platte stellen ca. 850Wh Speicherleistung zu Verfügung.
Als Vergleich: 10m² Platten können die selbe Energiemenge aufnehmen, die etwa ein
Fön in 1/2 Stunde Betrieb abgibt oder die mittels Sonneneinstrahlung durch 1m²
Dachfenster an einem schönen Sommertag pro Stunde in den Innenraum eindringt.
25
PCM-Platte als Systemgrundlage:
Kühldeckenelement der Fa. Ilkazell, Zwickau
1.) Metall-Rückseite, 2.) PUR– Hartschaum, 3.) Kapillarrohrmatten, 4.) PCM-Gipsbauplatte
Micronal® PCM stellt die Grundlage für viele intelligente und energieeffizient
Systemlösungen dar. Ein Beispiel sind die fertig integrierten Kühldeckenelemente der Fa.
Ilkazell aus Zwickau. Abgeleitet aus der Sandwichtechnologie (Metalloberfläche / PURHartschaum-Dämmung / Metalloberfläche) wurden hocheffiziente Kühldeckensegel
entwickelt, die im einfachen Plug-and-Play an bestehende Wasser-Kühlkreisläufe
angeschlossen werden können. Dabei wurde eine Metalloberfläche durch eine PCM
Gipsbauplatte ersetzt. Kapillarrohrmatten befinden sich auf der Rückseite der zum Raum
hin orientierten PCM Schicht. Somit wird Wasser als Wärmeträger verwendet. Man wird
hierdurch unabhängig von Lufttemperaturen und die Entladeleistung steigt erheblich.
Über Strahlungsaustausch mit dem darunter befindlichen Raum wird überschüssige
Wärme entzogen – bei höchstem Komfort. Die Kombination mit PCM in der Decke
eröffnet die Möglichkeit auf regenerative Kälte zurückzugreifen, die nicht immer dann zur
Verfügung steht, wenn die Kühlung gerade gebraucht wird. Die zeitliche Entkopplung von
Wärmeanfall und Wärmebehandlung wird dabei vom PCM geleistet.
Die Kühlelemente sind relativ leicht und können sowohl im Neubau als auch in der
Sanierung eingesetzt werden. Dort können sie u.U. eine Betonkernaktivierung ersetzen.
Sie können deckenintegriert oder frei hängend montiert werden.
Weitere Informationen unter: www.ilkazell.de
26
Kühldecke hält Arbeitsbereich kühl
Frei hängende Kühldecken-Segel
Wärmebild der aktiven Kühldecke
Vor Renovierung
Spezifischer Verbrauch (elektrisch) im Bürobereich:
80 kWh/m²a
Jährlicher spezifischer Heizwärmebedarf:
160 kWh/m²a
Nach Sanierung (erwartet)
Neuer Primärenergieverbrauch (voll klimatisiert):
54 kWh/m²a
Wärmebedarf 21 kWh/m2a; gedeckt durch Abwärme der Produktion
Rückbau aller Kühlgeräte, Installation einer regenerativen Kühldecke
Die IR-Thermografie zeigt die Funktion der Kühlflächen. Ca. 50 W/m² werden dem Raum
entzogen. Dies ist ausreichend für die üblichen Lastfälle in Büroanwendung. Gerade
wenn man in Betracht zieht, dass Energieeffizienz auch Reduktion von thermischen
Lasten mit ins Konzept einschließen muss, sind bisher übliche 70W/m² - und mehr - nicht
mehr zeitgemäß. Der Anteil an PCM in den raumseitigen PCM-Gipsbauplatten reicht
theoretisch für 2 Stunden Volllast ohne Kühlungsunterstützung. Liegt nur eine Teillast an,
reicht die Wärmespeicherkapazität der Kühldecke entsprechend länger. Damit sind die
Ilkazell-Kühldeckenelemente herkömmlichen Metallkühldecken ohne Speicherfähigkeit
deutlich überlegen – denn diese müssen immer “just-in-time” kühlen. Selbst eine Art
„Notlaufeigenschaft“ im Leichtbau lässt sich realisieren.
An vielen Tagen im Jahr kann die Kühlung damit komplett entfallen, da das PCM die
anfallende Wärme aufnimmt und in die Nacht verschiebt. Die nächtliche automatische
Fensteröffnung sorgt dann für eine Entladung des PCM und des restlichen
Gebäudekörpers. Jede kWh, die nicht mit Kühleinrichtungen behandelt werden muss, ist
reale Einsparung und CO2-Reduktion. Im diesem Fall resultiert ein “vollklimatisiertes”
Bürogebäude mit einem Primärenergieverbrauch von nur 54kWh/m²a. Ein klarer Beweis,
dass sich integrierte Konzepte schlussendlich rechnen.
27
Der PCM-Porenbeton
ein Produkt von H+H Deutschland
Zu den bisherigen technischen Eigenschaften von Porenbeton
Brandschutz, Wärmeschutz, Schallschutz
kommen die weiterentwickelten baubiologischen Eigenschaften:
Abgepuffertes Temperaturverhalten
Regulierung der Luftfeuchtigkeit (ähnlich Holz oder Lehm)
Risiko der Schimmelbildung geht gegen null, damit vermindert sich auch das
Allergierisiko ausgehend vom Wandbildner gegen null
Quelle: H+H Deutschland
Das Micronal® PCM wurde von der Fa. H+H Deutschland zu einem innovativen Baustoff
weiterveredelt. In Form eines PCM-haltigen Porenbetons ist es erstmals gelungen, einen
statisch belastbaren PCM-Baustoff zu schaffen. Unter dem Namen „CelBloc Plus“ ist eine
ganze Produktpalette ins Leben gerufen worden, die aktiv gegen Allergien im Hausbau
vorgeht. Hierzu arbeitet H+H Deutschland eng mit Instituten wie dem Toxikologischen
Institut der Universität Kiel oder dem Allergieforschungszentrum Borstel zusammen.
CelBloc Plus – Systembausteine vereinen viele positive Produkt- und
Systemeigenschaften:
•Natürliche Rohstoffe für die Herstellung: Quarzsand, Kalk, Gips, Wasser, Porenbildner.
•Nicht brennbarer Baustoff: Für alle Brandschutzanforderungen das optimale Produkt.
•Perfekte Regulierung der Raumluftfeuchte: Aufeinander abgestimmte Spezialbaustoffe
und eine Endbeschichtung garantieren höchste Sicherheit vor Schimmelbildung
•Wärmedämmung über dem Durchschnitt: 19 – 30% über der DIN-Forderung, das heißt,
auch ohne zusätzliche Dämmschichten sparen Heizkosten ein
•Höchste Wärmespeicherkapazität im Porenbeton: Durch den Einsatz eines latenten
Wärmespeichers wird mit gleichen Wandstärken doppelte Wärmespeicherkapazität
erreicht.
Weitere Informationen, Kontaktangaben und Links zu verarbeitenden Bauunternehmen
sind verfügbar auf der Homepage des Herstellers: www.HplusH.de
28
Der PCM-Porenbeton
Dämmleistung UND Masse
Außentemperaturen
„Der
„Derstatisch
statischermittelte
ermittelte
Lambda-Wert
Lambda-Wertallein
alleinist
istnicht
nicht
das
dasMaß
Maßaller
allerDinge
Dinge––
denn
dennininder
derRealität
Realitäthandelt
handelt
es
essich
sichum
umdynamische
dynamische
Temperaturvorgänge“
Temperaturvorgänge“
M.
M.Schmidt
Schmidt
nur λ
zeitverzögert
resultierende
Innentemp.
λ+ΔH
Höchste Wärmespeicherkapazität im Porenbeton: Durch den Einsatz eines latenten
Wärmespeichers wird mit gleichen Wandstärken doppelte Wärmespeicherkapazität
erreicht. Im realen Anwendungsfall wird darum eine gleich bleibendere
Oberflächentemperatur erreicht, als es mit einem auf die Spitze getriebenen LambdaWert alleine möglich wäre.
Außerdem steigt das Energieniveau der Wand, was auch zu erheblichen Einsparungen
an Heizenergie führt. Dies wurde u. a. mit der dynamischen Gebäudesimulation
„PCMexpress“ nachgewiesen.
29
Wie wichtig wird Energieeffizienz
von Gebäuden zukünftig?
Europaweit im Fokus
Energiepass seit 2008 bundesweit Pflicht
Bei jedem Mieterwechsel und Verkauf
Energieeffizienz wird marktrelevantes Kriterium
Übermäßiger (Kühl-)Energieverbrauch wird bestraft
mit überproportionaler Nebenkostensteigerung
Unattraktivität des Mietobjekts
letztlich auch erhöhtem Leerstand
Quelle: dena
Auf europäischer und nationaler Ebene werden erhebliche Anstrengungen unternommen,
die gesetzlichen Rahmenbedingungen dahingehend anzupassen, dass das Bewusstsein
für Energieeffizienz in allen Bereichen steigt. Nicht zuletzt aufgrund der Verpflichtung im
Kyoto-Protokoll zur CO2-Minderung werden speziell auch im Bausektor die Regeln
strenger werden, denn im Gebäudebestand sind große Einsparpotentiale zu finden.
Die Bundesregierung hat darum ab 2008 für alle Neuvermietungen (auch Mieterwechsel)
und Verkäufe die Erstellung von Energieausweisen verpflichtend vorgeschrieben. Diese
werden anhand von Rechenwerten oder realen Verbrauchsdaten ermittelt und von
ausgebildeten Energieberatern ausgestellt. Die Energieausweise werden ähnlich den
Verbrauchsangaben bei Kühlschränken die Energieeffizienz vergleichend darstellen.
Hierdurch wird erreicht, dass das energetische Verhalten eines Gebäudes oder einer
Wohnung nun ein relevantes Kriterium bei Vermietung oder für den Bauauftrag wird. Dies
wird zu erheblichen Verschiebungen bei der Attraktivität von Gebäuden führen. Ein
Mieter, welcher mehrere Objekte zur Wahl hat, wird u.U. nicht das für ihn teuerste
wählen.
Letztlich führt Geringschätzung des Energieverbrauchs durch den Eigentümer zu
erhöhtem Leerstand bzw. Verlust von Bauaufträgen gegenüber anderen Bauträgern.
Wenn es nun gelingt, mit Hilfe von PCM-Baustoffen die energetische Performance eines
Objektes zu steigern, sind ganz andere finanzielle Aspekte im Vordergrund, als die reine
Energieersparnis gegenüber herkömmlicher Klimatechnik. Diese Überlegungen bieten
auch für TGA-Planer eine große Chance für zukünftiges Wachstum mit
systemintegrierten Konzepten.
Latentwärmespeicher sind eine hervorragende Lösung um langfristig und passiv den
sommerlichen Wärmeschutz zu gewährleisten und effizient Energie für Kühlzwecke
einzusparen. Die Produkte der BASF sind dabei die Zukunftstechnologie, die eine neue
Klasse von Baustoffen ermöglicht und im Trockenbau Maßstäbe setzt. Architekten und
Planer bekommen damit ein Tool in die Hand, welches mehr Gestaltungsfreiraum im
Gebäudedesign, bessere Energieeffizienz und mehr Komfort ermöglicht. Einer der
wichtigsten Bausteine bei der Entwicklung von modernen und nachhaltigen Gebäuden.
30
Polymer Dispersions for:
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Micronal® PCM
Intelligentes Temperaturmanagement für Gebäude
www.micronal.de
2 Micronal® PCM Intelligentes Temperaturmanagement für Gebäude
Micronal® PCM
Intelligentes Temperaturmanagement
für Gebäude
Die Herausforderung:
Das Raumklima wird maßgeblich durch das thermische
Verhalten eines Gebäudes beeinflusst. Bei Gebäuden,
denen aufgrund ihrer Bauweise die erforderliche thermische
Speichermasse fehlt, führen innere Lasten und Sonneneinstrahlung zu großen Temperaturschwankungen, Komforteinbußen und verstärktem Bedarf an Klimatisierung im
Gebäudeinneren.
Bürobau und Wohnbau werden heute vermehrt in moderner
Leichtbauweise unter Einsatz von Holz- und Stahlkonstruktionen mit hochdämmenden Wandbaustoffen und großen
Glasflächen ausgeführt. Der hohe Vorfertigungsgrad und die
Vermeidung langer Trocknungszeiten bringen einen raschen
Baufortschritt und damit eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit mit sich. Das damit einhergehende Streben nach
Optimierung der Masse und Dematerialisierung der Bauteile
birgt jedoch neben diversen praktischen und ökonomischen
Vorteilen vor allem auch ein Problem: einen Verlust an thermischer Masse und daraus resultierend negative Auswirkungen auf das Raumklima.
Micronal® PCM – Zukunft eingebaut
Die Anpassung baurelevanter Richtlinien im Rahmen der Klimapolitik sowie die internationalen Bestrebungen der
Gebäudezertifizierung in den Punkten Raumklima, Komfort, Gesundheit, Ressourcenverbrauch und Energieeffizenz
machen die hohen Anforderungen an Architektur, Gebäudeplanung und Baurealisierung deutlich. Die Konsequenz –
die Notwendigkeit, neue, innovative und zukunftsfähige Lösungsansätze für die Bauindustrie zu entwickeln, um diese
Herausforderungen zu bewältigen und die hohen Ansprüche zu erfüllen. Mit Micronal® PCM hat die BASF ein innovatives Latentwärmespeichermaterial entwickelt, welches die Bauindustrie im Bereich Gebäudeklimatisierung zukunftsfähig macht. Micronal® PCM ist eine innovative, langfristige und nachhaltige Lösung für ein angenehmes, gesundes
Raumklima und energieeffizientere Klimatisierung; für anspruchsvolle und moderne Architektur – heute und in Zukunft.
PCM clever verpackt
Die Lösung:
Micronal® PCM, der formaldehydfreie, mikroverkapselte
Latentwärmespeicher der BASF, macht es möglich, die
Vorteile moderner Architektur und die Wirtschaftlichkeit
des Leichtbaus mit dem Nutzen und ausgleichenden Effekt
thermischer Speicherfähigkeit für ein angenehmes Raumklima zu verbinden.
Micronal® PCM (Phase Change Material) stellt eine dauerhafte und effiziente Möglichkeit dar, die i. d. R. tagsüber
anfallenden Lastspitzen in einem definierbaren Temperaturbereich isotherm zu speichern und zeitverzögert (z.B. in
den Abendstunden oder nachts) wieder abzugeben.
Integriert in verschiedene Arten von Baustoffen und Bausystemen, trägt Micronal® PCM so durch intelligentes Tem-
Temperaturmanagement im definierten
Komfortbereich
Tag
Temperatur
peraturmanagement zu einem verbesserten Raumklima,
mehr Wohnkomfort und einer besseren Energieeffizienz bei.
Nacht
Zeit/Tage
1
ohne
®
Micronal PCM
2
3
mit
®
Micronal PCM
4
Komfortbereich
Vorteile von Micronal® PCM auf einen Blick
Optimales Raumklima und gleichmäßige Temperaturen das ganze Jahr
Arbeiten oder Wohnen im Komfort- und Wohlfühlbereich, d. h. zwischen 21 °C und 26 °C
Ein Plus für die Gesundheit: Stille Klimatisierung ohne Zugerscheinungen und Lärmübertragungen
Mehr Energieeffizienz durch besseres Energiemanagement. Vermeidung überhöhter Energieverbräuche und bessere Nutzung
regenerativer Wärme- und Kältequellen
Ihr Beitrag zu CO2-Reduktion, Klima- und Umweltschutz
Hohe Gestaltungsfreiheit und einfachste Verarbeitung als konventionelle Baustoffe – mit einer neuen, unverwechselbaren Funktion!
Kosteneffizienz. Keine Betriebs- und Wartungskosten, selbstständige Funktion
Mehr thermische Masse auf gleichem Raum, d.h. mehr Nutzfläche bei gegebener Grundfläche
Micronal® PCM – Hightech in Mikrokapseln
Micronal® PCM ist ein Phasenwechselmaterial, das innerhalb des Raumtemperatur- und Wohlfühlbereiches des
Menschen, d.h. bei 21 °C, 23 °C oder 26 °C, einen Phasenwechsel von fest nach flüssig vollzieht und dadurch sehr
große Mengen an Wärme speichern kann. Dieses Prinzip
der latenten Wärmespeicherung ist vergleichbar mit einem
Eiswürfel, der während seines Schmelzvorgangs ein Getränk konstant bei 0 °C hält. Micronal® PCM nutzt diesen
einfachen physikalischen Effekt zur gezielten Stabilisierung
der Raumtemperatur.
Während die Beladung des Speichers i.d.R. durch die
tagsüber anfallenden Wärmeeinträge eigenaktiv ab einer
definierten Temperatur stattfindet, kann eine Entladung des
Speichermaterials sowohl durch natürliche Ventilation als
auch durch mechanische Lüftung oder auch durch regenerative oder konventionelle Kühlkonzepte erfolgen.
5 μm
Tm:21/23/26 ˚C
Phasenwechsel im Kapselinneren
fest
TEMPERATUR
Micronal® enthält im Kern der Mikrokapsel (Größe ca. 5 μm)
ein Latentwärmespeichermaterial aus einer speziellen
Wachsmischung. Diese absorbiert bei Temperaturanstieg
über eine definierte Temperaturschwelle (21 °C, 23 °C oder
26 °C) die überschüssige Wärmeenergie und speichert
diese im Phasenwandel. Bei Absenkung der Temperatur
unter die Temperaturschwelle gibt die Kapsel diese ge1
speicherte Wärmeenergie wieder ab.
Wachs
Polymer
flüssig
fest
SCHMELZEN/ERSTARREN
ENERGIEAUFNAHME/ENERGIEABGABE
KÜHL
WARM
KÜHL
UMGEBUNG
Die Vorteile der Mikroverkapselung
Dichte Verpackung, das Produkt bleibt immer trocken.
Der Phasenwechsel ist von außen nicht sichtbar, die Volumenänderung beim Schmelzvorgang erfolgt je Kapsel. PCM-Baustoffe
bleiben darum dimensionsstabil.
Geringes Volumen und geringer Platzbedarf bei hohem Wärmespeichervermögen
„Just in time“. Schneller Wärmeaustausch durch hohes Oberflächen/Volumen-Verhältnis. 1 g Micronal® PCM = 30 m² Oberfläche
Direkt integrierbar in Baustoffe, d.h. einsetzbar ohne zusätzliche Arbeitsschritte oder höhere Komplexität auf der Baustelle
Mechanisch praktisch unzerstörbar, hohe Zyklenbeständigkeit und jahrzehntelange Funktion
Formaldehydfrei
1
Bei diesem Vorgang ändert sich der Aggregatzustand des Speichermaterials: Die Temperatur des Systems bleibt daher so lange annähernd konstant, bis die gesamte
versteckte = latente Wärme aufgenommen bzw. abgegeben worden ist.
Das Micronal® PCM-Produktportfolio
Micronal® PCM ist in unterschiedlicher Form in Baustoffe
integrierbar. Für alle Anwendungen, in denen eine flüssige
Form eingesetzt werden kann, bietet BASF Micronal® PCMDispersionen an, in denen die Mikrokapseln in Wasser dispergiert sind. Für Baustoffanwendungen, die eine pulverförmige Form erforderlich machen (wie beispielsweise
trockene Fertigmischungen wie Gips- oder Zementmörtel),
bietet BASF ein Portfolio an redispergierbaren Pulvern an.
Produktbezeichnung
Produkttyp
Micronal® PCM – Als Dispersion und Pulver
Schmelztemperatur ca.
Anwendung
Funktionsbereich
GesamtspeicherKapazität ca.
LatentwärmeKapazität ca.
Feststoffgehalt
Dichte
Schüttdichte
Visk.
DS 5000
Dispersion
26 °C
Sommerl. Überhitzungsschutz
10–30 ˚C
59 kJ/kg
45 kJ/kg
ca. 42 %
ca. 0,98
ca. 200–600 mPas
DS 5007
Dispersion
23 °C
Stabilisierung d. Raumtemperatur im Komfortbereich
Passive und aktive Anwendung
10–30 ˚C
55 kJ/kg
41 kJ/kg
ca. 42 %
ca. 0,98
ca. 200–600 mPas
DS 5030
Dispersion
21 °C
Flächenkühlsysteme
10–30 ˚C
51 kJ/kg
37 kJ/kg
ca. 42 %
ca. 0,98
ca. 200–600 mPas
DS 5001
Pulver
26 °C
Sommerl. Überhitzungsschutz
10–30 ˚C
145 kJ/kg
110 kJ/kg
pulverförmig
ca. 250–350 kg/m3
DS 5008
Pulver
23 °C
Stabilisierung d. Raumtemperatur im Komfortbereich
Passive und aktive Anwendung
10–30 ˚C
135 kJ/kg
100 kJ/kg
pulverförmig
ca. 250–350 kg/m3
DS 5029
Pulver
21 °C
Flächenkühlsysteme
10–30 ˚C
125 kJ/kg
90 kJ/kg
pulverförmig
ca. 250–350 kg/m3
Als Bestandteil eines funktionalen Gebäudekonzeptes können mit Micronal® PCM-Latentwärmespeichern beste
Ergebnisse hinsichtlich passivem Überhitzungsschutz, Stabilisierung der Raumtemperaturen und effizienter Nutzung
von Flächenkühlsystemen erzielt werden.
Die richtige Wahl der Schmelztemperatur
Wussten Sie schon:
30 kg Micronal® PCM bieten etwa 1 kWh
Speicherleistung. Dies entspricht der
Wärmemenge eines Haartrockners mit
1000 W, der 1 Stunde läuft.
26 °C für den sommerlichen Überhitzungsschutz
26
(z.B. in Dachgeschossen oder für die passive
Anwendung in warmen Regionen)
23 °C für die Stabilisierung der Raumtemperatur im
Komfortbereich, dadurch häufige Nutzung des PCM-
23
Effektes. Wichtigstes Produkt für aktive und passive
Anwendungsfälle.
21
˚C
21 °C für die Nutzung in Flächenkühlsystemen
Bauanwendungen und Systeme
mit Micronal® PCM
Das PCM SmartBoard® der Firma Knauf Gips KG
In Form der Gipsbauplatte Knauf PCM SmartBoard® lässt
sich Micronal® PCM schnell und unkompliziert im Trockenbau in innovative Gebäudekonzepte integrieren. In jedem
Quadratmeter dieses Baustoffes sind drei Kilogramm des
Latentwärmespeichers Micronal® PCM enthalten. Die
Wärmespeicherkapazität einer zweifach mit 15 mm PCM
SmartBoard® beplankten Wand, ist vergleichbar mit einer
14 cm dicken Beton- bzw. einer 36,5 cm dicken Hochlochziegelwand.
Das System Ilkatherm® von
Ilkazell Isoliertechnik GmbH
Abgeleitet aus der Sandwichtechnologie (Metalloberfläche,
PUR-Hartschaum-Kern, Metalloberfläche) wurden hocheffiziente Kühldeckensegel mit Micronal® PCM entwickelt,
die im einfachen Plug-and-play-Verfahren an bestehende
Kühlwasserkreisläufe angeschlossen werden können.
Die Wasserkühlung erfolgt über Kapillarrohrmatten, die
sich auf der Rückseite der zum Raum hin orientierten
PCM-Schicht befinden. Diese Systemlösung ermöglicht
es, auf regenerative Kälte zurückzugreifen und Leistungsspitzen abzupuffern.
© Ilkazell Isoliertechnik GmbH
Passive oder aktive Anwendung
Mit Micronal® PCM modifizierte Baustoffe können in „passiver Anwendung“, d.h. ohne den gleichzeitigen Einsatz von
mechanischer Kühlung, aber auch als Bestandteil eines „aktivierten“ Systems in Gebäudekonzepten eingesetzt
werden. Ein aktiviertes System beschreibt die Kombination unterschiedlicher Komponenten, die eine Rückkühlung
bzw. aktive Be- oder Entladung des Speichermaterials ermöglichen. Das Wärmeträgermedium kann dabei z.B. Luft
oder Wasser sein.
Der Gips-Maschinenputz maxit clima® von
maxit Deutschland GmbH
Maxit clima ist ein PCM Gips-Maschinenputz zur Herstellung von einlagigem Innenputz mit temperaturregulierender
Wirkung. Über die Variation der Schichtdicke kann die
einzubringende Menge an Micronal® PCM Latentwärmespeicher nach Bedarf gesteuert werden. Maxit clima® ist
fertig formuliert (zur Direktverarbeitung auf der Baustelle)
als Trockenmörtel erhältlich.
Der CelBloc Plus® von H+H Deutschland GmbH
Der grüne Porenbeton CelBloc Plus bietet neben guten
Wärme-, Brand- und Schallschutzeigenschaften sowie
positiven baubiologischen Eigenschaften zur Regulierung
der Luftfeuchtigkeit eine weitere Verbesserung: die Fähigkeit zur latenten Wärmespeicherung.
Die Wanderung der Wärmefront durch die Außenwand wird
durch die aktive Komponente PCM gebremst. Ergebnis ist
ein hochdämmender Stein, der bei gleichem U-Wert geringere Temperaturschwankungen an der inneren Wandoberfläche zeigt. Das führt zu gleichmäßigeren Innenraumtemperaturen.
© H+H Deutschland GmbH
Weitere Produktentwicklungen auf Anfrage.
Hinweis für Planer
Micronal® PCM hat seine Leistungsfähigkeit nach den Kriterien der RAL Gütegemeinschaft
PCM e.V. in umfassenden Testreihen unter Beweis gestellt. Micronal® PCM hat sowohl als
Rohstoff als auch in der Trockenbauplatte PCM SmartBoard® alle Prüfungen bestanden und
trägt das RAL Gütezeichen seit 22. August 2008. Damit entsprechen Ausschreibungen nach
RAL-GZ 896 für Bauprodukte auf Basis Micronal® PCM der guten fachlichen Praxis und den
anerkannten Regeln der Technik.
Einzelheiten sind zu finden unter www.pcm-ral.de
Micronal® PCM – High Performance
in intelligenten Gebäudekonzepten
Die Simulationssoftware PCMexpress
Das Programm PCMexpress wurde im Rahmen eines
Forschungsvorhabens in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg,
der Firma Valentin Energiesoftware und weiteren Industriepartnern entwickelt. PCMexpress ist ein Planungs- und
Simulationsprogramm für Gebäude mit Phasenwechselmaterialien (PCM). Es soll Architekten und Planer bei der
Einschätzung des PCM-Effektes im konkreten Gebäude
unterstützen, indem es eine gesicherte Entscheidungsfindung für die Dimensionierung des Gesamtsystems
ermöglicht. Als Ergebnispräsentation werden u.a. Projektberichte für den Kunden und für den Planer sowie aussagekräftige Grafiken zum Vergleich der Systeme
angeboten.
© Dr. Valentin EnergieSoftware GmbH
Referenzobjekte mit Micronal® PCM
In den vergangenen Jahren wurde Micronal® PCM mehrfach in realen Referenzobjekten erprobt und geprüft.
Im Folgenden sind drei Beispiele aus den Bereichen Gewerbebau, Schulbau und Wohnungsbau ausgeführt.
PCM-Bewertung leicht gemacht
Mehr über die kostenlose Simulationssoftware PCMexpress sowie den
Link zum Download finden Sie unter
www.micronal.de
Referenzobjekt 1: Gewerbebau
Zielsetzung: Optimiertes Energiekonzept mit exzellenten
raumklimatischen Bedingungen für die Mitarbeiter
Bauobjekt: Bürobau der Firma Engelhardt & Bauer in
Karlsruhe
Anwendung: Aktive Kühldeckenelemente mit
regenerativer Kältequelle (Erdsonden)
Produkt: Ilkazell Kühlsegel Ilkatherm
Konzept und Monitoring: Fraunhofer-Institut für Solare
Energiesysteme (ISE) in Freiburg
Ergebnis: Erdsonden als regenerative Kältequelle
stellen für die Ilkatherm Kühldecke kontinuierlich Kühlenergie bereit. Zusätzlich sorgt eine automatische
Fensteröffnung für natürliche Nachtlüftung zur Entladung des Gebäudes in der Nacht. Micronal® PCM wirkt
als Zwischenspeicher für die anfallenden Lastspitzen
während der Nutzungszeit am Tag und vergleichmäßigt
so den „Just-in-time“-Kühlbedarf.
Referenzobjekt: Engelhardt & Bauer
Kühlquelle sind klein dimensionierte Erdsonden
Energieeffiziente Lösung, basierend auf
regenerativem Kühlkonzept
For
tluf
Kein Wärmetauscher zwischen Kühlquelle und
t
PCM-Kühlsegel
Kühldeckensegel
Minimaler technischer Aufwand, geringe
Nachtluft
Betriebs- und Investitionskosten
Nachtluft
Tagsüber Kühlung
durch Strahlungsaustausch
Fußbodenheizung mit Abwärme aus Produktion
20 kW bei 16 °C
Kühlleistung
Referenzobjekt 2: Wohnbau
Zielsetzung: Möglichst gleichbleibende Innentemperatur um 23 °C, autarke Versorgung durch
Photovoltaik
Bauobjekt: Deutscher Beitrag zum Wettbewerb
„Solar Decathlon“ des DOE in Washington D.C. 2008
Konzept: Prof. Hegger, TU Darmstadt
Anwendung: Passives Temperaturmanagement bei
23 °C an Wänden und aktive Kühldecken
Produkte: Knauf PCM SmartBoard® und Ilkatherm
Kühldeckenelemente
Bauweise: Holzrahmen Leichtbau, teilweise mit
Vakuum-Dämmung, Innenausbau Trockenbau
Realisierung: Studentische Arbeitsgruppe um
Prof. Hegger, TU Darmstadt
Internet: www.solardecathlon.de
Referenzobjekt: Solar-Decathlon-Haus
© TU Darmstadt
Referenzobjekt 3: Schulbau
Zielsetzung: Guter thermischer Komfort im
Container-Leichtbau ohne aktive Kühlung
Bauobjekt: Schulneubau des Staates Luxemburg,
Stadt Diekirch
Konzept: Administration des Bâtiments Publics,
Division des Travaux neufs, Luxemburg
Anwendung: Rein passives Temperaturmanagement
bei 23 °C an Wänden und Decken
Produkt: Knauf PCM SmartBoard®
Bauweise: Tragwerk Stahl-Containerbau, Innenausbau
Trockenbau und PCM-Rasterdecken
Realisierung: Fa. ALHO Systembau GmbH, Morsbach
Monitoring: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg
Referenzobjekt: Schulgebäude Diekirch
Weitere Referenzobjekte finden Sie auch
unter www.micronal.de
Micronal® PCM wurde entwickelt mit freundlicher Unterstützung durch das BMWi unter
FKZ: 0329840 und 0327370
® = registered trademark of BASF SE
EDK B 0818d
BASF SE
Business Management Micronal® PCM
Marketing Polymer Dispersions for Construction
67056 Ludwigshafen, Germany
www.micronal.de
E-mail: micronal@basf.com
For further information please contact us on our
toll-free numbers and you will automatically be
transferred to your regional contact person:
Phone: 00 800 - 227 66 257 or 00 800 - ACRONALS
Phone: 00 800 - 227 66 259 or 00 800 - ACRONALX
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Ausgewählte Referenzobjekte mit Latentwärmespeicher-Technologie Seite 1/2
Objektname
Standort
Bauart
PCMEinsatz
Datum/Jahr
3-Liter-Haus
Deutschland,
Ludwigshafen
Sanierung, Wohnbau
passiv
2001
Badenova-Gebäude
Deutschland,
Offenburg
Neubau, Bürobau
passiv
2002
DSC Dienstleistungund Servicecenter
Deutschland,
Ludwigshafen
Neubau, Bürobau
aktiv
2003
Büro- und
Apartmentsanierung
Gotzkowskistraße
Deutschland, Berlin
Sanierung, Bürobau
aktiv
2004
Haus der Gegenwart
Deutschland,
München
Neubau, Wohnbau
passiv
2005
Hölderlin Gymnasium
Deutschland, Lauffen
am Neckar
Neubau, SchulVerwaltungsbau
passiv
2005
Meisterhaus
Sodastraße 40
Deutschland,
Ludwigshafen
Sanierung, Wohnbau
passiv
2006
Engelhardt & Bauer
Großraumbüro
Deutschland,
Karslruhe
Neubau, Bürobau,
Passivhausqualität
aktiv
2006
Sonnenschiff
Deutschland,
Freiburg
Neubau, Bürobau,
Passivhausqualität
passiv
2006
passiv
2006
Bildquelle: LUWOGE
Bildquelle: MAXIT
Bildquelle: LUWOGE
Bildquelle: BASF
Bildquelle: Haus der Gegenwart GmbH
Bildquelle: Hölderlin Gymnasium
Bildquelle: LUWOGE
Bildquelle: Ilkazell
Bildquelle: Sonnenschiff
BASF Showcase Frankreich, Fontenais
Sanierung, Wohnbau
Fontenais Sous Bois
Sous Bois
Bildquelle: Logirep, F
Ausgewählte Referenzobjekte mit Latentwärmespeicher-Technologie Seite 2/2
Objektname
Standort
Bauart
PCMEinsatz
Datum/Jahr
Besucherzentrum
BASF
Deutschland,
Ludwigshafen
Sanierung, Museum
passiv
2007
Kingspan Lighthouse
UK, Watford,
Hertfordshire(?)
Neubau, Wohnbau,
Passivhausqualität
passiv
2007
Worcester Bosch
Energy House
UK, Bilford Road,
Worcester
Sanierung, Wohnbau
passiv
2007
Solar Decathlon
Deutschland,
Darmstadt
Neubau, Wohnbau
aktiv und
passiv
2007
WILO
Ausbildungscenter
Niederlande,
Amsterdam
Neubau, BüroVerwaltungsbau
aktiv
2008
Schulgebäude,
Neubau
Luxemburg, Diekirch
Neubau, Schulbau,
Containerbauweise
passiv
2008
Charles Sturt
University
Australien, Albury
Neubau, Universität,
erreichte 6-StarRating in 2009
passiv
2008
Jaguar Technical
Academy
UK, Birmingham
Sanierung, BüroVerwaltungsbau
passiv
2008
BASF Showcase
Nottingham
UK, Nottingham
Neubau, Wohnbau,
Passivhausqualität
passiv
2008
Bildquelle: BASF
Bildquelle:
Kingspan, UK
Bildquelle:Worcester Bosch
Bildquelle: TU Darmstadt
Bildquelle: WILO, NL
Bildquelle: BASF
Bildquelle: BASF, AUS
Bildquelle: Jaguar Cars, UK
Bildquelle: University of Nottingham, UK
Stand: 02/2009
BASF SE, 67056 Ludwigshafen, Deutschland
Mittwoch, 15. März 2010
Marco Schmidt
EDK/BP-H201
Tel. 0621-60-99729
Fax. 0621-60-40325
email: marco.schmidt@basf.com
Folgende PCM-haltige Bauprodukte gibt es derzeit im Platten- bzw Putzbereich:
Im Bereich der Putze ist der "Maxit Clima" nach wie vor als Entwicklungsprodukt direkt über Maxit lieferbar.
Maxit Clima war das erste Produkt überhaupt, das Micronal PCM nutzte. Hier kann auf
Verarbeitungserfahrung seit 2001 zurückgegriffen werden. Es wird auf Bestellung fallweise produziert mit ca.
4 Wochen Vorlaufzeit. Maxit gehört jetzt zu Saint-Gobain Weber. Ansprechpartner ist:
Georg Kolbe
Leiter Produktmarketing Fassade/Wand
Saint-Gobain Weber GmbH
Meiersberger Strasse
42489 Wülfrath
Tel.: +49 (0) 20 58 / 8 96-1 31
Fax: +49 (0) 20 58 / 8 96-2 31
Mobil: +49 (0) 1 78 / 2 00 25 95
Als schnelle Alternative wären die Trockenbauplatten auf Lehmbasis der Fa. Lebast (www.lebast.de) zu
nennen. Sie wurden schon mehrfach erfolgreich in Bauprojekten eingesetzt und können im Grunde ähnlich
wie herkömmliche Gipsbauplatten verwendet werden. Nach der abschließenden Oberflächenbehandlung mit
Spachtel sind beide Bauweisen praktisch nicht mehr unterscheidbar. Die Platten haben sogar schon mehrere
Preise gewonnen und wären insbesondere vom ökoligischen Aspekt her hervorragend am Endmarkt zu
argumentieren. Es gibt die Platten auch in einer Version, die durch anlegen einer Spannung flächig Wärme
abstrahlen. In Kombination mit PCM kann so z.B. eine Photovoltaikanlage ganztags und ganzjährig für
Temperierung sorgen. Lebast bietet aber auch Lehmputze mit Micronal PCM an. Ansprechpartner bei Lebast:
Herr Peter Gmeiner
Reiserdorf 13
92721 Störnstein
Tel.: 0049(0)9602 93901-01
Fax: 0049(0)9602 93901-06
info@lebast-lehmbaustoffe.de
www.lebast-lehmbaustoffe.de
BASF SE
67056 Ludwigshafen, Deutschland
Telefon: +49 621 60-0
Telefax: +49 621 60-42525
E-Mail: global.info@basf.com
Internet: www.basf.com
Sitz der Gesellschaft: 67056 Ludwigshafen
Registergericht: Amtsgericht Ludwigshafen,
Eintragungsnummer: HRB 6000
Euro-Bankverbindungen:
Commerzbank Aktiengesellschaft
Konto-Nr. 0201000700, BLZ 545 400 33
IBAN DE26 5454 0033 0201 0007 00
SWIFT COBADEFF545
Deutsche Bank Aktiengesellschaft
Konto-Nr. 0013302500, BLZ 545 700 94
IBAN DE72 5457 0094 0013 3025 00
SWIFT DEUTDESM545
Aufsichtsratsvorsitzender: Eggert Voscherau
Vorstand: Jürgen Hambrecht, Vorsitzender;
Kurt Bock, Martin Brudermüller,
Hans-Ulrich Engel, John Feldmann,
Andreas Kreimeyer, Stefan Marcinowski,
Harald Schwager
®
National Gypsum
ThermalCORE Panel
TM
National Gypsum
ThermalCORE Panel
®
TM
Wall panel with latent heat storage capacity
Description
National Gypsum’s 1/2"
ThermalCORE Panel contains
Micronal®*phase change material
(PCM) produced by BASF. Micronal
is a microencapsulated, highpurity paraffin wax. This material
changes phase from solid to liquid
when it reaches 73˚ F, absorbing
thermal energy to help moderate
a room’s temperature. When temperatures fall, the wax solidifies
and releases heat. This alternating
process of melting and solidifying
allows ThermalCORE to absorb
daytime temperature peaks, ideally
providing a more consistent room
temperature.
Fiberglass Mat
Enhanced
Mold Resistant
Gypsum Core
Fiberglass Mat
Features/Benefits
not typically found in traditional
lightweight construction.
ThermalCORE is faced with a fiberglass mat and is manufactured with
an enhanced mold resistant core.
Moderates indoor climate
For ease of installation, ThermalCORE
comes standard with GridMarX®
guide marks printed on the surface.
These guide marks align with standard building dimensions and help
to quickly identify fastener lines for
stud and joint framing. The panels
require a skim coat and will accept
decoration similar to standard
gypsum board.
Potential for greater energy
* Micronal ® is a registered trademark
of BASF.
Micronal®
Provides added thermal mass
Gypsum Crystals
and provides a more consistent
temperature.
efficiency through latent heat
storage.
Phase change material is
contained within virtually
indestructible microscopic acrylic
capsules which will not leak.
BASF has subjected Micronal
to 10,000 cycles to verify
durability.
Fiberglass facer and treated
core provides extra protection
against mold growth per ASTM
D 3273, achieving a score of
10, the best possible score.
Scanning Electron Micrograph
Technical Data
PHYSICAL PROPERTIES
Nominal Thickness
Standard Width
Standard Length
Nominal weight (lbs./sf)
Edges
Surface Burning Characteristics
Combustibility (per ASTM C 136)
1/2"
4'
8'
2.1
Tapered
Class B
Combustible
Mold Resistance (per ASTM D 3273)
Latent Heat (BTU/sf)
10
22 (Approx.)
How Phase Change Materials Moderate Room Temperatures
Day
Handles and installs like regular
Temperature
gypsum board.
Night
Time/days
www.thermalcore.info
Corporate Headquarters
Technical Information
National Gypsum Company
2001 Rexford Road
Charlotte, NC 28211
Phone: (800) NATIONAL
(800) 628-4662
Fax: (800) FAX-NGC1
(800) 329-6421
Phone: (704) 365-7300
Web: nationalgypsum.com
nationalgypsum.com/espanol
1
Without
Micronal® PCM
2
With
Micronal® PCM
3
4
Comfort zone
111109
11/09
neu von
Gips-Maschinenputz
als Wärmespeicher
Prima Klima
mit maxit clima:
Modernes Bürogebäude mit
verbesserter Wärmespeicherkapazität
und intelligentem Energiekonzept
Was ist maxit clima?
maxit clima ist ein spezieller Gips-Maschinenputz zur Herstellung von einlagigem Innenputz mit Temperatur regulierender Wirkung. Er besteht aus Gips,
mineralischen Zuschlägen, speziell eingestelltem PCM (Phase-change-Material =
Phasenwechselmaterial) als Latentwärmespeicher sowie Zusätzen zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften.
Microverkapseltes Paraffin, betrachtet
mit dem Elektronenrastermikroskop
Was versteht man unter Latentwärmespeicher und wie wirken
diese?
Bei Latentwärmespeicher (LWS) – auch
PCM (Phase change material = Phasenwechselmaterial) genannt – handelt es
sich um Stoffgruppen, welche in Folge
von Phasenwechselvorgängen erhebliche Energiemengen (Wärmeenergie) aufnehmen und auch wieder abgeben können. Dies geschieht immer dann, wenn
z.B. ein Wachs (Paraffin) seinen Aggregatzustand ändert, z.B. ändert Wachs seinen Zustand von fest in flüssig oder umgekehrt von flüssig in fest.
Um nun aber Latentwärmespeicher in
den maxit clima Putz einbringen zu
können, ist es notwendig, diese so zu
"verpacken", dass die Beständigkeit und
die Beibehaltung der Wirkungsweise
garantiert wird.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung
wurde mit der Microverkapselung von
Paraffinen gelöst.
Bei dem microverkapselten Latentwärmespeicher handelt es sich um mit Paraffin gefüllte Kunststoffkapseln mit einem Durchmesser von 5 – 20 µm. Der
Schmelzpunkt des verwendeten Paraffins wurde auf den Temperaturbereich
von 24 bis 26°C eingestellt. Die erforderliche Schmelzwärme des Microkapselpulvers beträgt ca. 100 J/g, wodurch
sich die effektive Wärmespeicherkapazität in diesem Temperaturbereich ca.
verfünfzigfacht.
Wozu braucht man eine gute
Wärmespeicherkapazität?
In massiven Gebäuden (z.B. Kirchen,
Burgen und Schlössern) sind äußere Klimaschwankungen nur in geringem
Maße festzustellen. Der Grund hierfür
ist, dass die massigen Baukörper als
Wärmespeicher wirken. Diese große
thermische Masse ist beim Energieeintrag in den Raum in der Lage, große
Wärmemengen aufzunehmen bzw. beim
Energieabfluss aus dem Raum wieder
abzugeben. Somit werden kurzfristige
Klimaschwankungen der Umgebung im
Rauminneren gedämpft. Dem entgegen
steht die in unserer Zeit immer mehr an
Bedeutung gewinnende Leichtbauweise,
Neuer Gips-Maschinenputz als Wärmespeicher
eine Konstruktionsart, die auf Minimierung der Wärmeverluste eines Raumes
optimiert wurde.
Es handelt sich hierbei in der Regel um
einen sehr gut gedämmten Baukörper
mit einer geringen thermischen Masse,
bei welchem schon durch den Eintrag relativ geringer Wärmemengen eine deutlich spürbare Temperaturerhöhung zu
verzeichnen ist. Dieser im Winter als positiv empfundene Effekt stellt sich aber
bezüglich des sommerlichen Wärmeschutzes als problematisch dar (Barackenklima). Dieser Nachteil kann bisher nur durch den Einsatz von Klimaanlagen abgefangen werden.
Da der finanzielle und logistische Aufwand für die Anschaffung und Unterhaltung einer Klimaanlage recht hoch ist,
und ihre Notwendigkeit in der gemäßigten Klimazone auf wenige Tage beschränkt ist, gibt es nun die Möglichkeit,
durch den Einsatz von maxit clima, den
sommerlichen Wärmeschutz von Gebäuden zu verbessern.
Baustoff
Eine Verbesserung gelingt am besten,
wenn bereits im Vorfeld ein qualifiziertes Ingenieurbüro mit der Planung beauftragt wird. Hier können unter Zuhilfenahme modernster SimulationsSoftware vielseitige Möglichkeiten, wie
z.B. Lage des Objektes, Verschattungsvarianten, vorhandene und notwendige
Wärmespeicherkapazität durchgespielt
werden, um so die wirtschaftlichste Variante für den Bauherrn (Investor) herauszuarbeiten.
Wie wirkt maxit clima?
Entsprechend dem PCM-Gehalt ist
maxit clima in der Lage, im Schmelzbereich des PCM, ca. 4,5 mal mehr Wärme
aufzunehmen als ein herkömmlicher
Putz. Das bedeutet, dass z.B. eine 1,5 cm
dicke Putzschicht mit maxit clima in
etwa der thermischen Masse einer 7 cm
dicken Gipsdielenwand entspricht.
Das folgende Bild zeigt einige Baustoffe bzgl. ihrer Wärmespeicherkapazität im Vergleich.
maxit
clima
Beton
Gipsputz/
Platte
Leichtziegelwand
3,0 cm
8,1 cm
13,4 cm
28,8 cm
Schichtstärke
Leichtbau mit PCM ausgestattet
Temperatur
Temperatur
herkömmlicher Leichtbau
Zeit
Zeit
Temperaturänderung bei
konstantem Energieeintrag
Dies hat zur Folge, dass bei gleichem
Energieeintrag in Räume von vergleichbarer Geometrie, Aufbau und Ausstattung, die mit einer entsprechenden
Menge maxit clima ausgestattet sind, die
Innentemperaturen nach Erreichen der
Schmelztemperatur des PCM in geringerem Maße ansteigen, bis sämtliches
Paraffin in den Kapseln geschmolzen
(Speicher voll) ist. Der Verlauf der täglichen Temperaturschwankungen wird
geglättet.
Um den Effekt von maxit clima für die
an aufeinanderfolgenden Tagen auftretenden Temperaturspitzen zur Verfügung zu haben, ist es notwendig, den
Speicher wieder zu entladen. Dies bedeutet, dass während der kühleren
Nachtstunden eine ausreichende Lüftung und damit eine Abführung der gespeicherten Wärmeenergie erfolgen
muss (das Wachs verfestigt sich wieder).
Ist eine Entladung des Speichers nicht geschehen, kann auch keine Wärme mehr
abgespeichert werden und der Effekt von
maxit clima steht nicht mehr zur Raumklima-Konditionierung zur Verfügung.
Nach vollständigem Beladen des Speichers ist bei weiterem Energieeintrag
kein Effekt mehr möglich, d.h. ein entsprechendes Nachtlüftungskonzept muss
sicherstellen, dass sich der Speicher entladen kann.
maxit Silo mit Förderanlage
Was ist bei der Planung und
Ausführung zu beachten?
Da mit dem eingetragenen PCM aber nur
eine begrenzte Speichermasse in das
Gebäude aufgenommen werden kann,
ist bei der gebäudetechnischen Planung
der Eintrag von solarer Energie zu begrenzen (Verschattungseinrichtungen,
Low-E-Gläser usw.). Auch ist der Effekt
des maxit clima Putzes von der Menge
des enthaltenen PCMs und dessen Aktivierbarkeit abhängig.
Es kann über die Variation der Schichtdicke die einzubringende Menge an LWS
gesteuert werden, wobei hier natürliche
Grenzen durch die Aktivierbarkeit des
PCM gesetzt werden.
Dies bedeutet, es ist sicherzustellen,
dass die anfallende Wärmemenge in
realistischen Zeiträumen in die Putzschicht eingeleitet werden kann, um
dort vom PCM eingespeichert zu werden.
Daraus folgt, dass es immer günstig ist,
eine möglichst große Fläche mit maxit
clima zu beschichten. Außerdem ist darauf zu achten, dass ein möglichst hoher
Anteil der beschichteten Fläche auch
Materialförderung zur Duo mix 2000
für einen konvektiven Wärmeaustausch
zur Verfügung steht (wird durch Verstellen z.B. mit Möbeln behindert), und
der Wärmeübergang von der Raumluft
zum maxit clima Putz möglichst wenig
behindert wird (geeignete dünne Oberflächenbeschichtungen sind angeraten).
Aufgrund des hohen Anteils an brennbaren Bestandteilen ist maxit clima in die
Baustoffklasse B2 eingruppiert. Um
Überschreitungsdauer in Stunden
300
250
Verteilung der Raumlufttemperaturen
270
240
■ maxit dima
■ herkömlicher Gipsputz
210 210
200
Darstellung der Raumtemperaturüberschreitungen eines mit Latentwärmespeicher
ausgestatteten Raumes (PCM_Luft) im Vergleich zu einem Referenzraum (REF_Luft).
170
150
120
115
100
50
0
25
24
25
26
27
45
5
28
Raumlufttemperatur in °C
maxit clima auch für Anwendungen
nutzbar zu machen, bei denen die Baustoffklasse B1 erforderlich ist, kann mit
einer feuerhemmenden Beschichtung,
die im Brandfall eine Dämmschicht bildet, das Brandverhalten stark verbessert
werden. Dieser Systemaufbau erfüllt die
Anforderungen an einen schwer entflammbaren Baustoff und genügt somit
der Baustoffklasse B1.
Dieses wurde im Prüfzeugnis 16-902
743 000 durch das Otto-Graf-Institut der
Universität Stuttgart bestätigt.
Putzauftrag auf mit maxit Haftsperrgrund vorbereitete Gipskartonplatten
Sind alle technischen Erfordernisse eingehalten, ist es durch die Anwendung
von maxit clima möglich, die Temperaturüberschreitungen über gewisse
Schwellen in Räumen zu vermeiden
bzw. drastisch zu verringern.
Fazit
In Kombination mit einem maxit WDVSystem für den winterlichen und sommerlichen Wärmeschutz des Gebäudes,
einer intelligent durchdachten Gebäudeplanung und den Einsatz von maxit
clima an der richtigen Stelle, steht einem
hervorragenden Wohlfühlklima, ob im
Büro, Dachgeschoss etc., ob Renovierungsmaßnahme oder Neubau nichts
mehr entgegen.
Marcus Hill/Thomas Hör
Dieses Entwicklungsvorhaben wurde
vom Bundesministerium für Wirtschaft
und Arbeit (BMWA) gefördert.
Putzauftrag im Detail, Schichtdicke 15 mm.
ILKAZELL Kühldecken und Kühlsegel
Mit Micronal® PCM Gipsbauplatten
Mit Innovationen die Märkte begeistern – Dieses Credo gilt bei
der klimatisierten Behaglichkeit. Die Kühlsegel und -decken aus
ILKAZELL nicht nur für die Kühlzellenproduktion. So ist das
dem Hause ILKAZELL sorgen mit den von BASF entwickelten
Temperaturmanagement von Gebäuden ebenfalls ein Themen-
Micronal® PCM Gipsbauplatten für aktiven Temperaturausgleich
gebiet, mit dem sich die Ingenieure aus Zwickau beschäftigen.
und so für ein angenehmes Raumklima.
Gemeinsam mit starken Partnern, wie BASF, widmen sie sich
1
3
2
3
4
Bildlegende
Technische Daten:
1
Blechbeschichtung
Isolierung:
2
Polyurethan-Hartschaum
80 mm PolyurethuranHartschaum, FCKW-frei
geschäumt
3
Kapillarrohrmatten
Spezif. Kälteleistung:
4
Micronal® PCM Gipsbauplatte
ca. 70 W/m2 bei 10 K
Untertemperatur und
16° C Kaltwassertemperatur
(Prüfbericht nach DIN 4715-1)
Kapillarrohrmatten:
Polypropylen-Kapillaren,
Abstand 10 mm,
Abmessungen der Kapillaren:
3,4 x 0,55 mm
ILKAZELL Kühldecken und Kühlsegel
Mit Micronal® PCM Gipsbauplatten
Mikroverkapselte Latentwärmespeicher, auch Phase Change
Materials (PCM) genannt, sind eine Neuentwicklung von BASF
zur Verbesserung des Raumklimasin Gebäuden. Mikroskopisch
kleine Kunststoffkügelchen enthalten in ihrem Kern ein Speichermedium aus Paraffinwachsen. Bei Wärme- oder Kälteeinwirkung
schmilzt bzw. erstarrt das Wachs in den Speicherkapseln. Steigt
die Temperatur, nehmen die Latentwärmespeicher Wärme auf,
fällt sie, geben sie die Wärme wieder ab.
In jedem Quadratmeter der innovativen Micronal® PCM Gipsbauplatte sind drei Kilogramm mikroverkapseltes Latentwärmespeichermaterial enthalten. Diese verleihen einer Bauplatte
erstmals die Fähigkeit, aktiv für ein angenehmes Raumklima
zu sorgen. Die Wärmespeicherkapazität der 1,5 cm dicken
Micronal® PCM Gipsbauplatte ist vergleichbar mit einer 9 cm
Quelle: BASF
dicken Betondecke.
Der Natur abgeschaut kann der Effekt der Phasenumwandlung
(fest/flüssig, Eis/Wasser) sinnvoll in Klimaanwendungen genutzt
sparungen, Gewichtsreduktion und einer schlankeren Architektur
beitragen.
Parameter/Kriterium Micronal® PCM
Gipsbauplatte 23
zum Vergleich
StandardGipskartonplatte
Schalttemperatur
–
Quelle: BASF
Latente
ca. 330 kJ/m2
Wärmekapazität ∆H
bei Schalttemperatur
ILKAZELL
Isoliertechnik GmbH Zwickau
Telefon phone:
+49 (0) 3 75/4 30 34-0
Talstraße 17
D-08066 Zwickau/Germany
Fax fax:
+49 (0) 3 75/4 30 34-33
Postanschrift postal adress:
PF/P.O. box 20 05 34
D-08005 Zwickau/Germany
E-Mail e-mail:
mail@ilkazell.de
Micronal® = Eingetragene Marke der BASF Aktiengesellschaft.
Internet internet:
www.ilkazell.de
Spezifische
Wärmekapazität
ca. 1,20 kJ/kgK
0 kJ/m2
ca. 0,85 kJ/kgK
Systeme für Bauideen
Quelle: BASF
23 °C
Quelle: BASF
werden und in Kombination mit Klimadecken zu Energieein-
Monitoring und modellbasierte Auswertung
Bewertung des Potentials von Phasenwechselmaterialien zur
Verbesserung des thermischen Komforts im Sommer in einem
Schulgebäude
Im Auftrag von
BASF Aktiengesellschaft
Knauf Gips KG
ALHO Systembau GmbH
Doreen Kalz, Martin Fischer, Peter Schossig
Bericht Nr. TAG4-DKa-0810-E04
Fraunhofer-Institut
für Solare Energiesysteme ISE
Heidenhofstraße 2
79110 Freiburg
12. November 2008
Dieser Bericht umfasst 26 Seiten.
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE,
Abteilung Thermische Anlagen und Gebäudetechnik
Freiburg, 14. November 2008
Dipl.-Ing. Doreen Kalz
Projektleiterin
Dr.-Ing. Peter Schossig
Gruppenleiter Thermisch aktive Materialien und solare Kühlung
Inhalt
1
Zusammenfassung
2
2
Ziele und Methodik
3
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Teil A: Evaluierung der Messtechnischen Untersuchung
5
Untersuchte Klassenräume 201 und 202 des Schulgebäudes
5
Durchführung der Messkampagne
6
Ergebnisse der Messkampagne: Meso- und Mikroklima
7
Ergebnisse der Messkampagne: Thermischer Raumkomfort im Sommer 9
Ergebnisse der Messkampagne: CO2-Konzentration
14
Ergebnisse der Messkampagne: Phasenwechselmaterialien
15
4
4.1
4.2
Teil B: Modellbasierte Auswertung und Simulationsstudie
Validierung des Gebäudemodells
Simulationsstudie: Einfluss von Phasenwechselmaterial auf den
thermischen Raumkomfort
Fraunhofer ISE, DKa, Rev. 14.11.2008
18
19
22
1
1
Zusammenfassung
Durch die vorliegende Studie soll das Potential der Einbringung von
verkapselten Phasenwechselmaterialien in Gipsputzplatten (Smartboard) zur
Steigerung des thermischen Komforts im Sommer in einem Schulgebäude in
Luxemburg ermittelt werden. Dazu wurden in zwei ausgewählten
Klassenräumen über den Zeitraum von Juni bis Juli 2008 Messungen zum
thermischen Raumkomfort und zu Bauteiltemperaturen durchgeführt.
Thermischer Raumkomfort: Über den Messzeitraum von Juni bis Juli 2008 ist in
den ausgewählten Klassenräumen gemäß der europäischen Komfortrichtlinie
DIN EN 15251:2007-08 ein hoher Komfort gegeben. Es wird die Komfortklasse
A erreicht; dies entspricht einer Nutzerzufriedenheit von 90%. Das
Lüftungsverhalten der Nutzer, d.h. das Öffnen der Lüftungspaneele durch
Schüler und Lehrer, hat einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung der
Raumtemperatur. Um einen intensiven Luftaustausch der Klassenräume in den
Nachtstunden zu erreichen, sollten alle drei Lüftungspaneele geöffnet sein.
Dazu muss der Nutzer informiert und auf ein richtiges Lüftungsverhalten
hingewiesen werden.
Einfluss von Phasenwechselmaterialien auf den thermischen Raumkomfort: Zur
Bestimmung der Potential des PCMs wird in der dynamischen
Gebäudesimulationsumgebung ESP-r ein Gebäudemodell erstellt und mit den
Ergebnissen aus der Messung aus Teil A validiert. Dazu werden folgende
simulierten und gemessenen Werte miteinander verglichen: operative
Raumtemperatur, Lufttemperatur, Bauteiltemperatur des Smartboards im
Deckenpaneel und Bauteiltemperatur der Gipskartonplatte der Wand.
Simulations- und Messergebnisse stimmen mit hinreichender Genauigkeit
überein.
In einer sich daran anschließenden Simulationsstudie werden drei Szenarien
berechnet und ausgewertet: Referenzvariante (Klassenraum ohne PCM),
Planungsvariante (PCM-Smartboard in der Innenwänden, der Außenwand und
der Decke) und Deckenvariante (PCM-Smartboard ausschließlich in der Decke).
Zwischen der Deckenvariante der Klassenräume (Smartboard nur im
Deckenpaneel) und der Referenzvariante ohne PCM gibt es einen Unterschied
im thermischen Raumkomfort von bis zu 0,5 Kelvin. Das Smartboard als
Deckenpaneel (Fläche ca. 40 m²) stellt eine Erhöhung der thermischen
Speicherkapazität des Raumes dar. Diese ist aber nicht ausreichend, um die
Komfortklasse A einzuhalten.
Die Planungsvariante stellt eine deutliche Verbesserung des thermischen
Raumkomforts im Vergleich zur Referenzvariante dar. Maximale operative
Raumtemperaturen werden bis zu 1 Kelvin reduziert. Unter den gegebenen
Außenbedingungen des Zeitraumes Juni bis Juli 2008 erreicht das Gebäude die
Komfortklass A (sehr guter bis guter Komfort) nach der europäischen
Komfortrichtlinie DIN EN 15251:2007-08.
2
2
Ziele und Methodik
Motivation und Ziele
Das thermische Verhalten eines Gebäudes wird durch die thermisch
aktivierbaren Speichermassen des Gebäudes beeinflusst. Bei Gebäuden, denen
aufgrund ihrer Bauweise diese Masse fehlt, führen insbesondere im Sommer
innere Lasten und Sonneneinstrahlung zu großen Temperaturschwankungen
und hohen Temperaturen bzw. Komforteinbußen im Innenbereich. In
Baustoffen integrierte Phasenwechselmaterialien (eng. Phase Change Materials,
PCM) stellen eine Möglichkeit dar, tagsüber anfallenden Lastspitzen in einem
weitgehend definierten Temperaturbereich isotherm zu speichern und nachts
wieder abzugeben.
Aufgabenstellung
Durch die vorliegende Studie soll das Potential der Einbringung von
verkapselten Phasenwechselmaterialien in Gipsputzplatten (Smartboard) zur
Steigerung des thermischen Komforts im Sommer in einem Schulgebäude in
Luxemburg ermittelt werden. Die Phasenwechselmaterialien haben einen
Massenanteil von 20% im Gipsputz mit einem Schmelzbereich von 23 bis 25°C.
Gemäß der Planung sind die Smartboardplatten sowohl im Wand- als auch im
Deckenbereich der Klassenräume montiert.
Gegenstand des Berichtes ist die messtechnische Bewertung und
modellbasierte Auswertung des
(i)
thermischen Raumkomfort im Sommer und
(ii)
des Potentials der Phasenwechselmaterialien zur Reduzierung der
operativen Raumtemperaturen.
Entsprechend der Zielstellung gliedert sich der Bericht in folgende zwei
Teilbereiche:
Teil A: Messtechnische Untersuchung des Raumklimas in zwei
ausgewählten Klassenräumen über einen Zeitraum von 6 Wochen
Teil B: Modellbasierte Auswertung der Messkampagne mittels
thermischer Gebäudesimulation und Simulationsstudie für verschiedene
Szenarien
Methodik
3
TEIL A
In zwei ausgewählten Klassenräumen (Ostausrichtung) des
Schulgebäudes werden Kurzzeitmessungen in hoher Zeitauflösung
(stündlich) über einen Zeitraum von sechs Wochen durchgeführt, um (i)
das Raumklima zu bewerten und um (ii) die Auswirkung von
mikroverkapselten Phasenwechselmaterialien in Gipsputzplatten auf den
sommerlichen Komfort zu untersuchen.
Um einen Raum hinsichtlich seiner Energiebilanz im Sommer zu
beurteilen, ist eine Messung des Innenraumklimas nicht ausreichend.
Hauptsächlich ausschlaggebend für das thermische Verhalten in einem
Gebäude ist, neben der Architektur und Gebäudetechnik, das Klima im
direkten Umfeld vom Gebäude. Für eine genaue Beurteilung des
Raumklimas ist eine eigene Messung des Mikro- und Mesoklimas
außerhalb des Gebäudes erforderlich. Das Mikroklima (Fassade) und
Mesoklima (Dach) wird mit den im Außenbereich aufgestellten
Messstationen selbstständig erfasst.
Zur Bewertung des Raumklimas werden die Lufttemperatur, die operative
Raumtemperatur, die lokale Bauteiltemperaturen (Decke und Wände), der
CO2-Gehalt der Luft, die Luftfeuchte und die Luftgeschwindigkeit
gemessen. Als relevante Einflussgrößen auf das Raumklima werden das
Öffnen der Lüftungspaneele und der Türen erfasst.
Für die Messung des Raum- ,Mikro- und Mesoklimas wird ein mobiles, für
die Untersuchung entwickeltes Messsystem eingesetzt. Die Messwerte
werden in Minutenschritten aufgezeichnet.
Nach Aufbereitung der Messdaten erfolgt eine Analyse der Messwerte.
Gegenwärtige Schwachstellen können so aufgedeckt und behoben
werden. Insbesondere wird die Funktion und Effizienz des
Phasenwechselmaterials unter den gegebenen Randbedingungen
evaluiert.
TEIL B
Mit Hilfe einer modellbasierten Auswertung der Messergebnisse wird der
Raumkomfort im Zeitraum Juni bis Juli 2008 bewertet. Dazu wird in der
dynamischen Gebäudesimulationsumgebung ESP-r ein Gebäudemodell
erstellt und mit den Ergebnisse aus der Messung aus Teil A validiert.
Die sich anschließende Simulationsstudie vergleicht den erzielten
Raumkomfort mit einer Referenzvariante ohne Phasenwechselmaterialien.
4
3
Teil A: Evaluierung der Messtechnischen Untersuchung
3.1
Untersuchte Klassenräume 201 und 202 des Schulgebäudes
Das untersuchte Schulgebäude befindet sich in Diekirch (Kreis Ettelbrück),
Luxemburg (49°52’ n.Br. und 6°9’ ö.L.).
Klassenräume: Die messtechnische Untersuchung wurde vom 28. Mai bis 30.
Juli 2007 in zwei nach Osten ausgerichteten, typischen Klassenräumen (202
und 201) im zweiten Obergeschoss durchgeführt (Abbildung 1 und Abbildung
2). Die Räume haben eine Grundfläche von 59,5 m² und eine Höhe von
3,25 m. Die Materialaufbauten werden den Plänen vom Juli 2007 entnommen.
Jeder Raum verfügt über drei Lüftungspaneele und einen außen liegenden
Sonnenschutz (Abbildung 3).
Gemäß den Planungsunterlagen wird das Smartboard in der Decke raumseitig
und in den Innen- und Außenwänden als Sandwichkonstruktion
(Gipskartonplatte – Smartboard – Gipskartonplatte) eingesetzt.
N
Abbildung 1: Schulgebäude, 2. OG nach Grundrissplänen vom Juni 2007. Die untersuchten Klassenräume
201 und 202 sind rot markiert.
Abbildung 2: Schulgebäude, 2. OG nach Grundrissplänen vom Juni 2007. Die untersuchten Klassenräume
201 und 202 sind rot markiert.
5
Abbildung 3: Schulgebäude, 2. OG. Die untersuchten Klassenräume 201 und 202 sind rot markiert.
Außenansicht Klassenräume (links), Lüftungspaneel (Mitte) und außen liegender Sonnenschutz (rechts).
3.2
Durchführung der Messkampagne
Meso- und Mikroklima: Auf der Dachfläche werden Sensoren für Global- und
Direktstrahlung horizontal, Windgeschwindigkeit, relative Luftfeuchte und
Lufttemperatur installiert. An der Fassade wird ein Strahlungssensor ebenso wie
ein Windsensor senkrecht zur Fassade montiert, um nur die Einstrahlung auf
die Fassade messtechnisch zu erfassen. Zusätzliche Sensoren messen die
Oberflächentemperatur der Dachfläche und der Fassade.
Abbildung 4: Wetterstation auf dem Dach (links, Mitte) und an der Fassade (rechts).
Raumklima: Zur Messung des Raumklimas werden in beiden Klassenräumen ein
Komfortmessgerät aufgebaut. Die Messwerte umfassen Lufttemperatur,
operative (empfundene) Raumtemperatur, Luftgeschwindigkeit und CO2Konzentration (Darstellung der Messpunkte siehe Anhang A).
Bauteiltemperaturen: Zusätzlich werden in den Räumen Temperaturen der
Wandoberfläche sowie Temperaturen im Decken- und Wandaufbau
aufgezeichnet. Dabei wird sowohl die Temperatur in der raumseitigen
Gipskartonplatte als auch im Smartboard gemessen (Darstellung der
Messpunkte siehe Anhang A).
6
Luftwechselmessung: Der sich einstellende Luftwechsel beim Öffnen von einem
bzw. drei Lüftungspaneelen (einseitige Lüftung, geschlossene Tür) wurde
mittels CO2-Messung einmalig am Ende der Messperiode (Anfang August
2008) gemessen.
Nutzerverhalten: Um das Nutzerverhalten hinsichtlich des Öffnens der
Lüftungspaneele zu bestimmen, wurden an den Paneelen und den Türen
Reedkontakte angebracht. Auch der Einfluss des Sonnenschutzes durch die
manuell bedienbare Jalousie wurde messtechnisch mit
Beleuchtungsstärkesensoren erfasst.
Messdatenübertragung: Die Übertragung der Messwerte erfolgte zwischen den
Messstationen per Funk. Zur Kontrolle der laufenden Messung und zum
Datenaustausch wurde eine Schnittstelle im Schulnetzwerk zur Verfügung
gestellt, mit der eine gesicherte LAN Anbindung an das Fraunhofer ISE möglich
war. Im Zeitraum vom 1. Juli bis 3. Juli gab es einen Messdatenausfall der
Wetterstation.
Abbildung 5: Komfortmessgerät (links), Tür-Reedkontakt (Mitte) und Temperatursensor Smartboard Decke
(rechts).
3.3
Ergebnisse der Messkampagne: Meso- und Mikroklima
Die mittlere Außentemperatur über den Messzeitraum Juni und Juli 2008 liegt
bei 19,1°C. Dabei wurden Tiefstwerte von 8,8°C (Juni) und Höchstwerte von
32,4°C (Juli, aber Ferienzeit) gemessen. An 68 Stunden wird eine
Außenlufttemperatur von 28°C überschritten. Die solare Einstrahlung (global
horizontal) erreichte Spitzenwerte über 1000 W/m² und liegt im Mittel bei rund
400 W/m². Die Direktstrahlung erreicht Höchstwerte von 718 W/m².
Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit auf der Dachfläche liegt bei
1,09 m/s, die maximal gemessene Geschwindigkeit beträgt 3,8 m/s.
7
Außenlufttemperatur [°C]
33
JUNI
JULI
28
23
18
13
Schulferien
8
1.
5.
9.
13. 17. 21. 25. 29.
3.
7.
11. 15. 19. 23. 27. 31.
Außentemperatur [°C]
Abbildung 6: Gemessene Außenlufttemperatur [°C] von 1. Juni bis 30. Juli 2008. Während des
Unterrichtsbetriebs in Juni gab es mehrere heiße Sommertage mit Außentemperaturen um 28°C.
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
Mittelwert
Tagesminimum / -maximum
Tagesamplitude
0
10
20
30
40
50
60
Messzeitraum Juni bis Juli 2008, Anzahl der Tage
70
Abbildung 7: Dauerlinie der gemessenen mittleren Tagesaußentemperaturen [°C] und der Tagesmaxima
und –minima sowie Tag-/Nachtamplituden der jeweiligen mittleren Tagesaußentemperatur. Nachts sinkt die
Außentemperatur an allen Tagen unter 18°C; eine Voraussetzung für eine effiziente Nachtlüftung.
8
1200
JUNI
JULI
Solare Einstrahlung [W/m²]
1000
800
600
400
200
0
1.
5.
9. 13. 17. 21. 25. 29. 3.
7. 11. 15. 19. 23. 27. 31.
Abbildung 8: Gemessene solare Einstrahlung [W/m²] von 1. Juni bis 30. Juli 2008.
3.4
Ergebnisse der Messkampagne: Thermischer Raumkomfort im Sommer
Die Auswertung des thermischen Raumkomforts im Zeitraum vom 1. Juni bis
30. Juli führt zu folgenden Ergebnissen:

Die mittlere operative Raumtemperatur über dem gesamten
Messzeitraum liegt in beiden Klassenräumen bei 21,4°C.

Die Maximaltemperatur wurde im Raum 201 mit 28,2°C und im Raum
202 mit 28,4°C gemessen.

Abbildung 9 und Abbildung 10 stellen den Verlauf der
Raumtemperatur in den Räumen 201 und 202 im Juni und Juli dar.
Trotz mehrerer heißer Tage im Juni mit Außentemperaturen über 28°C
überschreiten die operativen Raumtemperaturen nur sehr selten 26°C.
Während der Anwesenheit der Schüler von 7:00 bis 17:00 Uhr wird
eine operative Raumtemperatur von 26°C im Raum 202 an 32 Stunden
und im Raum 201 an 29 Stunden überschritten.
Das Lüftungsverhalten der Nutzer, d.h. das Öffnen der Lüftungspaneele durch
Schüler und Lehrer, hat einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung der
Raumtemperatur. Abbildung 11 und Abbildung 12 stellen jeweils zwei Tage mit
unterschiedlichen Lüftungsverhalten dar. Abbildung 11 zeigt, dass nach
Unterrichtsschluss um 14:00 Uhr alle drei Lüftungspaneele bis 6:00 Uhr des
nächsten Tages geschlossen waren. Durch die fehlende Nachtlüftung nimmt die
Raumtemperatur kaum ab, sodass zu Unterrichtsbeginn des nächsten Tages
25°C gemessen wurden. Im Gegensatz dazu stellt Abbildung 12 den Einfluss
und die Effektivität der Nachtlüftung dar. Alle drei Lüftungspaneele bleiben
nach Unterrichtsende geöffnet, sodass die Raumtemperatur um fünf Kelvin auf
20°C reduziert werden kann.
9
JULI
JUNI
31.07.
27.07.
23.07.
19.07.
15.07.
11.07.
07.07.
03.07.
29.06.
25.06.
21.06.
RAUM 202
17.06.
13.06.
09.06.
05.06.
Raum
Außenluft
01.06.
Temperatur [°C]
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
JUNI
JULI
Raum
31.07.
27.07.
19.07.
15.07.
11.07.
07.07.
03.07.
29.06.
25.06.
21.06.
17.06.
13.06.
09.06.
23.07.
RAUM 201
Außenluft
05.06.
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
01.06.
Temperatur [°C]
Abbildung 9: Stündlich gemessene Außenluft- und Raumtemperatur [°C] im Raum 202, Juni und Juli 2008.
Abbildung 10: Stündlich gemessene Außenluft- und Raumtemperatur [°C] im Raum 201, Juni und Juli
2008.
10
3
28
26
2
24
22
20
1
18
14
0:00
Raum
Decke
Außenluft
keine
Nachtlüftung
16
6:00
12:00 18:00
0:00
6:00
12:00 18:00
geöffnete Lüftungspaneele
Außenluft- und Raumtemperatur [°C]
30
0
0:00
Abbildung 11: Stündlich gemessene Außenluft- und Raumtemperatur [°C] im Raum 202, 3. und 4. Juni
2008. Zusätzlich dargestellt ist die Anzahl der geöffneten Lüftungspaneele (schwarze Linie). Die
Entwicklung der Raumtemperatur ist stark vom Nutzerverhalten abhängig. Durch fehlende Nachtlüftung
(alle drei Lüftungspaneele sind geschlossen) liegt das Raumtemperaturniveau zu Unterrichtsbeginn am
folgenden Tag bei 25°C. Der grün markierte Bereich zeigt das Lüften vor Unterrichtsbeginn (von 6:00 bis
9:00 Uhr) durch den Hausmeister. In dieser kurzen Lüftungsperiode werden die operativen
Raumtemperaturen nicht ausreichend reduziert.
3
28
26
2
24
22
20
1
18
14
0:00
Raum
Decke
Außenluft
Nachtlüftung
16
6:00
12:00 18:00
0:00
Außenluft- und Raumtemperatur [°C]
30
6:00
12:00 18:00
0
0:00
Abbildung 12: Stündlich gemessene Außenluft- und Raumtemperatur [°C] im Raum 202, 11. und 12. Juni
2008. Zusätzlich dargestellt ist die Anzahl der geöffneten Lüftungspaneele (schwarze Linie). Die
Nachtlüftung über drei geöffnete Lüftungspaneele und Außenlufttemperaturen unter 18°C bewirken eine
effektive Reduktion der Raumtemperatur von 25°C auf 20°C zu Unterrichtsbeginn am folgenden Tag.
11
3
30
28
2
26
24
22
1
20
Raum 202
Raum 201
Paneel 201
Paneel 202
18
16
14
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00 15:00 18:00 21:00
Außen- und Raumlufttemperatur [°C]
32
0
0:00
Abbildung 13: Stündlich gemessene Außenluft- und Raumtemperatur [°C] im Raum 202 und 201, 23. Juni
2008. Zusätzlich dargestellt ist die Anzahl der geöffneten Lüftungspaneele (schwarze Linie: Paneel im Raum
201 und dunkelgraue Linie: Paneel im Raum, 202). Das Öffnen von drei Lüftungspaneelen bewirkt ein
effizienteres Lüften (Vgl.: Raum 202 zwei Lüftungspaneele und Raum 201 drei Lüftungspaneele). In den
Morgenstunden differieren die Raumtemperaturen um bis zu zwei Kelvin.
Thermische Behaglichkeit wird grundlegend nach zwei Hauptkriterien, dem
„Wärmebilanzmodell“ oder dem „Erwartungsmodell“ beschrieben. Die beiden
Ansätze widersprechen sich nicht, sondern ergänzen einander:
Wärmebilanzmodell
Das menschliche Wärmeempfinden hängt im Wesentlichen vom thermischen
Gleichgewicht des Körpers als Ganzem ab. Demnach stellt sich thermische
Behaglichkeit ein, wenn die Parameter des Umgebungsklimas (Lufttemperatur,
mittlere Strahlungstemperatur, Luftgeschwindigkeit und Luftfeuchte) so
gewählt sind, dass sich bei gegebener körperlicher Tätigkeit und Bekleidung ein
thermisches Gleichgewicht aus der Wärmeproduktion und der Wärmeabgabe
einstellt. Dieses Gleichgewicht wird in der Norm ISO 7730:2005 durch das
vorausgesagte mittlere Votum PMV (Pedicted Mean Vote) beschrieben
(DIN ISO 7730:2005).
Erwartungsmodell
Thermischer Komfort stellt sich ein, wenn das Umgebungsklima den
Erwartungen der Nutzer entspricht. Demnach tolerieren wir im Sommer höhere
und im Winter niedrigere Raumtemperaturen. Entscheidend dabei ist, dass die
(technischen) Möglichkeiten gegeben sind, auf das Raumklima wirksam Einfluss
nehmen zu können. Das kann ein öffenbares Fenster oder ein individuell
bedienbarer Sonnenschutz sein.
Im Folgenden wird zur Beurteilung des Raumklimas eine einheitliche operative
Raumtemperatur als Bezugsgröße verwendet. Diese Raumtemperatur ist
vereinfacht der Mittelwert aus mittlerer Lufttemperatur und
Strahlungstemperatur. Die Strahlungstemperatur bezeichnet dabei die
flächengemittelte Temperatur aller Raumumschließungsflächen.
12
Die Bewertung des thermischen Komforts erfolgt nach den Kriterien der
DIN EN15251:2007-08.
EN 15251:2007-08
Auf europäischer Ebene gibt es zur Beurteilung des Raumklimas von
Bürogebäuden die Norm DIN EN 15251:2007-08. In dieser Norm werden
natürlich belüftete Gebäude von klimatisierten Gebäuden unterschieden. Für
natürlich belüftete Gebäude wird folgender Zusammenhang für die
Komforttemperatur vorgeschlagen, der die Adaption und die Erwartung des
Nutzer an das Raumklima mit berücksichtigt. Im Sommer gilt:
TORT = 18,8°C + 0,33 ⋅ TAT ,rm
Der Sollwert für die operative Raumtemperatur (TORT) ergibt sich damit in
Abhängigkeit des gleitenden Tagesmittel der Außentemperatur (TAT,rm). Der
Behaglichkeitsbereich wird in Abhängigkeit der Nutzerakzeptanz festgelegt:
Der Temperaturbereich beträgt ±2,5°C für 90% Akzeptanz (Klasse A) und
±3,5°C für 80% Akzeptanz (Klasse B). Zusätzlich wird eine Klasse C mit einer
Akzeptanz von 65% und einem Temperaturbereich von ±4,2°C definiert.
Die gemessenen operativen Raumtemperaturen für beide Klassenräume
während der Anwesenheit der Schüler sind nach der Europäischen Richtlinie
DIN EN 15251:2007-08 dargestellt (Abbildung 15). Die Raumtemperaturen
liegen innerhalb der Komfortklasse A (kaum Überschreitungen der oberen
Grenzwerte), d.h. es ist ein sehr behagliches Raumklima gegeben. Dennoch
gibt es einige Unterschreitungen der definierten unteren Komfortgrenzen für
die Klassen A, B und C. In den frühen Morgenstunden fällt die
Raumtemperatur teilweise unter 20°C. Dies ist bei einer manuellen Lüftung
(keine Regelung auf Raum –oder Außentemperatur) kaum zu vermeiden. Die
Raumtemperaturen steigen durch solare Einträge (Ostausrichtung) und interne
Lasten jedoch relativ schnell wieder an.
13
Schulferien
30
28
26
24
22
20
18
16
Raum 202
Raum 201
25.07
19.07
13.07
07.07
01.07
25.06
19.06
13.06
07.06
14
01.06
operative Raumtemperatur während Anwesenheit
[°C]
32
Außenluft
Abbildung 14: Stündlich gemessene operative Raumtemperatur [°C] in den Räumen 202 und 201 während
der Anwesenheit der Schüler von 7:00 bis 16:00 Uhr, 1. Juni bis 11. Juli 2008 (Anmerkung: Schulferien
ab 11. Juli 2008, keine Anwesenheit der Schüler). Zusätzlich dargestellt ist die stündlich gemessene
Außenlufttemperatur.
operative Raumtemperatur [°C]
32
Raumkomfort im Sommer
EN 15251:2007-08
30
28
26
24
22
Raum 202
Raum 201
20
18
0
5
10
15
20
25
30
gleitendes Mittel der Außentemperatur [°C]
Abbildung 15: Europäische Richtlinie DIN EN 15251:2007-08: Darstellung der stündlich gemessenen
operativen Raumtemperatur [°C] in den Räumen 202 und 201 während der Anwesenheit der Schüler von
7:00 bis 16:00 Uhr in Abhängigkeit des gleitenden Mittels der Außentemperatur, 1. Juni bis 10. Juli 2008
(Anmerkung: Schulferien ab 11. Juli 2008).
3.5
Ergebnisse der Messkampagne: CO2-Konzentration
Zur Bewertung der CO2-Konzentration in Innenräumen ist der in der DIN 1946
(Teil 2) genannte Wert von 0,15% (1.500 ppm) maßgeblich. Darüber hinaus
kann die Pettenkofer Zahl herangezogen werden: 0,1% oder 1.000 ppm an
CO2 (ppm entspricht parts per million pro Volumen oder 0,1 Vol%). Dieser
Wert sollte nicht dauerhaft bzw. über längere Zeiträume überschritten werden.
Die Überschreitung der Pettenkofer Zahl von 1.000 ppm ist als Zeichen für eine
14
unzureichende Belüftung von Räumen zu werten. Gemäß Abbildung 16 liegt
die CO2-Konzentration in den untersuchten Räumen während der Anwesenheit
der Schüler in einem Bereich von 1.000 bis 1.500 ppm. Dies setzt konsequentes
Lüften während des Unterrichtes voraus. Der Grenzwert von 1.500 wird nur an
wenigen Stunden im dargestellten Zeitraum überschritten.
CO2 Konzentration im Raum [ppm]
2500
Raum 202
Raum 201
2000
Schulferien
1500
1000
500
geschlossene Paneele
0
01.06 07.06 13.06 19.06 25.06 01.07 07.07 13.07 19.07 25.07
Abbildung 16: Darstellung der gemessenen CO2-Konzentration [ppm] in den Räumen 202 und 201, 1. Juni
bis 30. Juli 2008.
3.6
Ergebnisse der Messkampagne: Phasenwechselmaterialien
Im Folgenden wird der Einsatz von Phasenwechselmaterialien im Raum und
deren Effekt auf den thermischen Raumkomfort bewertet. Gemäß den
Planungsunterlagen werden Smartboards als Deckenpaneel (raumseitig) und als
Wandpaneel (Sandwichkonstruktion zwischen zwei StandardGipskartonplatten) eingesetzt. Vor diesem Hintergrund werden die Messdaten
analysiert und bewertet.
Abbildung 17 stellt die Bauteiltemperaturen im Smartboard der Decke und in
den Gipskartonplatten der Rückwand für den Raum 201 dar. Im
Temperaturbereich des Phasenwechsels des PCMs (23 bis 25°C) verläuft die
Temperatur des Deckenpaneels weitaus gedämpfter als die
Wandtemperaturen. An den zwei dargestellten, exemplarischen Tagen (9. und
10. Juni) hat das Deckenpaneel eine Tagesamplitude von ein bis zwei Kelvin.
Der Effekt des PCMs im Smartboard ist durch den verzögerten
Temperaturanstieg und Temperaturabfall im Bereich zwischen 23 und 25°C
deutlich sichtbar. Die maximalen Temperaturen in der Decke werden
größtenteils außerhalb der Anwesenheit der Schüler gemessen.
Die gemessenen Wandtemperaturen (Rückwand des Raumes) in den StandardGipskartonplatten, sowohl im raumseitigen Paneel als auch in der Mittellage,
verlaufen mit größeren Tagesamplituden (bis zu 5 Kelvin) und zeigen damit ein
anderes Temperaturverhalten als das Deckenpaneel (Abbildung 18). Beide
Standard-Gipskartonplatten der Wand zeigen ein annähernd gleiches
thermisches Verhalten (Abbildung 17 und Abbildung 18). Im
15
Temperaturbereich des Phasenwechsels von 23 bis 25°C zeigt sich im
Smartboard des Deckenpaneels ein deutlicher Effekt der PCM, d.h. der
Gradient des Temperaturanstiegs bzw. des Temperaturabfalls ändert sich.
Abbildung 20 stellt das Temperaturverhalten der Bauteiltemperaturen im
Decken- und Wandpaneel (Mittellage) dar. Außerhalb der Nutzungszeit
(Ferienzeit ab 11. Juli) zeigen die Räume 201 und 202 ein sehr ähnliches
Temperaturverhalten (beide Räumen in Ostrichtung, geschlossener
Sonnenschutz, keine internen Lasten). Außerhalb des Temperaturbereiches des
Phasenwechsels (21. bis 25. Juli) zeigen die Decken- und Wandtemperaturen
einen ähnlichen Tagesverlauf und die gleichen Tagestemperaturamplituden. Im
Temperaturbereich des Phasenwechsels der PCM verläuft die
Deckentemperatur in gedämpfter Tagesamplitude und verzögertem
Temperaturanstieg bzw. Temperaturabfall.
26
Raum 201
Temperaturbereich PCM
25
Temperatur [°C]
24
23
22
21
20
ORT
Decke
Wand_GKP-Mittellage
Wand_GKP-raumseitig
19
18
17
0:00
6:00
12:00
18:00
0:00
6:00
12:00
18:00
0:00
Abbildung 17: Temperaturverlauf, Raum 201: operative Raumtemperaturen, Bauteiltemperatur Decke
(Smartboard), Bauteiltemperatur Wand (Gipskartonplatte Mittellage) und Oberflächentemperatur der Wand
(raumseitige Gipskartonplatte), 9. Juni und 10. Juni 2008.
16
26
25
Raum 201
Temperatur [°C]
24
23
22
21
20
19
ORT
Wand-GKP-Mittellage
Wand-GKP-raumseitig
18
17
0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00
Abbildung 18: Temperaturverlauf, Raum 201: operative Raumtemperaturen, Bauteiltemperatur Wand
(Mittellage) und Oberflächentemperatur der Wand (raumseitige Gipskartonplatte), 7. Juni bis 11. Juni 2008.
26
25
Temperatur [°C]
24
Raum 201
23
22
21
20
19
ORT
Decke
Wand_GKP-Mittellage
18
17
0:00
12:00
0:00
12:00
0:00
12:00
0:00
12:00
0:00
Abbildung 19: Temperaturverlauf, Raum 201: operative Raumtemperaturen, Bauteiltemperatur Wand
(Mittellage) und Bauteiltemperatur Decke (Smartboard, raumseitig), 7. Juni bis 11. Juni 2008.
17
26
Bauteiltemperaturen Smartboard [°C]
25
24
23
22
21
20
19
18
Decke_202
Wand_GKP-Mittellage_202
Decke_201
Wand_GKP-Mittellage_201
17
16
15
14
21.07
23.07
25.07
27.07
29.07
Abbildung 20: Bauteiltemperaturen [°C] in den Räumen 201 und 202 während der Ferienzeit:
Deckenpaneel (Smartboard, raumseitig) und Wandpaneel (Mittellage). Räume zeigen außerhalb der
Nutzungszeit gleiches Temperaturverhalten. Eindeutiger Unterschied zwischen den Bauteiltemperaturen der
Decke und der Wand im Temperaturbereich des Phasenwechsels.
4
Teil B: Modellbasierte Auswertung und Simulationsstudie
Ziel
In einer Simulationsstudie soll mittels validierten Gebäudemodells der Einfluss
des Phasenwechselmaterials auf den thermischen Raumkomfort in
Abhängigkeit der manuellen Lüftung untersucht werden. Es werden dazu im
Folgenden drei Varianten bewertet:
(i)
Referenzvariante: Klassenraum ohne PCM (Kennzeichung:
Referenz)
(ii)
Planungsvariante: Klassenraum mit Smartboard 23 in der Decke
(raumseitig) und Ausführung der Innen- und Außenwände als
Sandwichkonstruktion mit Smartboard 23 (Kennzeichnung:
Planung)
(iii)
Deckenvariante: Klassenraum mit Smartboard 23 in der Decke
(raumseitig) und Ausführung der Innen- und Außenwände mit
zwei Gipskartonplatten (Kennzeichnung: Deckenvariante)
Methodik
Die modellbasierte Auswertung der Messkampagne und die sich daran
anschließende Simulationsstudie werden mit dem dynamischen GebäudeSimulationstool ESP-r, Version 11.5 (Mai 2008) durchgeführt.
18
4.1
Für die Validierung des Gebäudemodells wird die Ferienzeit vom 11. bis 30. Juli
herangezogen. In dieser Periode gibt es keine internen Lasten durch Schüler,
Beleuchtung und Geräte. Damit ist der Raum weitgehend ungestört und bietet
sich zur bauphysikalischen Charakterisierung und zur Validierung des
Gebäudesimulationsmodell an.
Beschreibung Gebäudemodell
Gebäudemodell: Das geometrische Gebäudemodell in ESP-r besteht aus drei
Zonen, den Klassenräumen 201 und 202 sowie dem sich daran anschließenden
Flurbereich. Die Validierung wird für den Raum 202 durchgeführt. Die
Lufttemperatur des Raumes 201 wird als bekannt vorausgesetzt. Der Raum 202
ist nach Osten ausgerichtet und hat eine Grundfläche von 59,2 m². Während
der Ferienzeit gab es keine internen Lasteinträge durch Personen, Beleuchtung
und Geräte. Der Sonnenschutz war geschlossen.
Luftknotenmodell: Die sich einstellenden Luftwechsel über die geöffneten
Lüftungspaneele werden mittels eines in das Gebäudemodell integrierten
Luftknotenmodells ermittelt, welches aus einem Luftknoten in den Zonen
(Klassenräume und Flur) sowie weiteren Luftknoten außerhalb des Gebäudes
besteht. Dabei repräsentiert jeweils ein Luftknoten den raumgemittelten
Luftwechsel in der Zone. In diesem Modell sind folgende Komponenten
abgebildet: Lüftungspaneele in der Abmessung 45 x 1800 mm, Undichtheiten
in der Gebäudehülle und Tür von Klassenräumen zum Flur. Die einzelnen
Luftknotenpunkte sind über diese Komponenten verknüpft. Damit ist die
Einstellung eines realistischen Luftwechsels gewährleistet. Das Nutzerverhalten
für das Öffnen und Schließen der Paneele wird der Messung entnommen
(Reedkontakte an den Paneelen und Türen).
Wand- und Deckenaufbau: Die Abmessungen und Materialaufbauten der
Bauteile werden den Plänen vom Juli 2007 entnommen:

Die Innenwand zwischen Klassenraum und Flur besteht aus einer
Gipskartonplatte, einem Smartboard und wiederum einer
Gipskartonplatte (raumseitig), Mineralwolldämmung und zwei
Gipskartonplatten (flurseitig).

Die tafelseitige Innenwand zwischen den Klassenräumen besteht aus
einer Gipskartonplatte, einem Smartboard und wiederum einer
Gipskartonplatte, Mineralwolldämmung und zwei Gipskartonplatten.

Im Deckenpaneel befindet sich das Smartboard raumseitig.

Die Außenwand besteht aus einer Gipskartonplatte, einem Smartboard
und wiederum einer Gipskartonplatte (raumseitig), Mineralwolldämmung
und Ständerwandprofil.
Wetter: Für die Validierung werden die Messdaten der auf dem Dach des
Schulgebäudes installierten Wetterstation zu Grunde gelegt.
19
PCM: Das Smartboard hat einen PCM-Schmelzbereich von 23 bis 25°C
(Smartboard 23).
Mess- und Simulationswerte werden wie folgt gekennzeichnet: Messung (M)
und Simulation (S).
Abbildung 21: ESP-r Gebäudemodell bestehend aus drei Zonen (Klassenräume 201 und 202 sowie dem
Flur) und einem Referenzraum ohne PCM. Anmerkungen: Die dargestellten Würfel dienen in der Simulation
ausschließlich der Abbildung des Nutzerverhaltens für das Öffnen und Schließen der Paneele und Türen.
In den folgenden Abbildungen ist die Validierung des Gebäudemodells
dargestellt. Dazu werden folgende Größen miteinander verglichen: operative
Raumtemperatur und Lufttemperatur (Abbildung 22), Bauteiltemperatur des
Smartboards im Deckenpaneel (Abbildung 23) und Bauteiltemperatur der
Gipskartonplatte (Mittellage) der Wand (Abbildung 24). Bei Öffnung von drei
Paneelen wird in den Nachtstunden eine höhere Lüftungseffektivität
berücksichtigt (intensiverer Luftaustausch).
Simulations- und Messergebnisse stimmen mit hinreichender Genauigkeit
überein.
20
32
3
30
28
geöffnete Flurtür
2
24
22
20
18
1
16
27.07
26.07
25.07
24.07
23.07
22.07
21.07
20.07
19.07
18.07
17.07
16.07
15.07
14.07
13.07
12.07
10
0
30.07
12
29.07
Luft_M
Raum_M
Raum_S
Luft_S
Paneel
14
28.07
Temperatur [°C]
26
Anzahl geöffneter Lüftungspaneele [-]
Außenluft
Abbildung 22: Raum 202: Ergebnisse der Messungen und der Simulation für die Lufttemperatur und die
operative Raumtemperatur (Messung M und Simulation S). Anmerkung: Vom 18.7 bis 21.7 waren die
Lüftungspaneele im Raum 202 geschlossen, aber die Tür zum Flur geöffnet. Da der Luftwechsel zwischen
dem Klassenraum und dem Flur nicht bekannt ist (lichte Öffnung der Tür) und die Lufttemperatur im Flur
nicht gemessen wurde, ergibt sich in den simulierten Raumtemperaturen innerhalb dieses Zeitraumes eine
größere Schwingung als in der Messung.
3
25
24
23
2
22
21
20
19
1
18
Decke_M
Decke_S
Paneel
17
16
30.07
29.07
28.07
27.07
26.07
25.07
24.07
23.07
22.07
21.07
20.07
19.07
18.07
17.07
16.07
15.07
14.07
13.07
0
12.07
15
Temperatur Smartboard Deckenpaneel [°C]
26
Abbildung 23: Raum 202: Ergebnisse der Messung und der Simulation für die Bauteiltemperatur des
Smartboards als Deckenpaneel. Die Messung und die Simulation stimmen mit guter Genauigkeit überein.
Im Temperaturbereich des PCM zwischen 23 und 25°C verläuft die Deckentemperatur in der Simulation
gedämpfter (Amplitude zwischen 2 und 2.5 Kelvin).
21
Temperature Gipskartonplatte Wand
25
24
23
2
22
21
20
19
1
18
Wand_M
Wand_S
Paneel
17
16
30.07
29.07
28.07
27.07
26.07
25.07
24.07
23.07
22.07
21.07
20.07
19.07
18.07
17.07
16.07
15.07
14.07
13.07
0
12.07
15
3
26
Abbildung 24: Raum 202: Ergebnisse der Messungen und der Simulation für die Bauteiltemperatur der
Wand (zweite Gipskartonplatte).
4.2
Simulationsstudie: Einfluss von Phasenwechselmaterial auf den thermischen
Raumkomfort
Beschreibung Gebäudemodell
Gebäudemodell: Kapitel 4.1.
Luftknotenmodell: Kapitel 4.1.
Nutzerverhalten manuelle Lüftung: Zur Abbildung eines möglichst realen
Nutzerverhaltens wird das Öffnen und Schließen der drei Lüftungspaneele
sowie der Tür zum Flur den Ergebnissen des Monitorings entnommen
(Reedkontakte an den Paneelen und Türen).
Wand- und Deckenaufbau: Die Abmessungen und Materialaufbauten der
Bauteile werden entsprechend der drei Varianten wie folgt angepasst:
(iv)
Referenzvariante: kein Einsatz von Smartboard
(v)
Planungsvariante: Klassenraum mit Smartboard 23 in der Decke
(raumseitig) und Ausführung der Innen- und Außenwände als
Sandwichkonstruktion mit Smartboard 23 (Kennzeichnung:
Planung)
(vi)
Deckenvariante: Klassenraum mit Smartboard 23 in der Decke
(raumseitig) und Ausführung der Wände mit zwei StandardGipskartonplatten (Kennzeichnung: Deckenvariante)
22
Wetter: Kapitel 4.1.
Interne Lasten: Die Anwesenheit von Schülern und Lehrer wird gemäß der zur
Verfügung gestellten Raumbelegungsplänen für die Räume 202 und 201
entnommen. Weiterhin werden die internen Lasten durch die Beleuchtung
bestimmt. Es wird angenommen, dass bei Anwesenheit der Schüler die
Tafelbeleuchtung (116 W) und drei Deckenleuchten (224 W) genutzt werden.
Nutzerverhalten Sonnenschutz: Der außen liegende Sonnenschutz wird bei
einer solaren Einstrahlung von 200 W auf die vertikale Fassade geschlossen.
Simulationszeitraum: 01. Juni bis 30. Juli (Ferienzeit ab dem 11. Juli).
Auswertung der Simulationsstudie
Im Folgenden sind für die einzelnen Varianten die Ergebnisse für die operativen
Raumtemperaturen und Bauteiltemperaturen unter den definierten
Randbedingungen ausgewertet:
1. Vergleich Referenzvariante und Deckenvariante: Zwischen der
Deckenvariante der Klassenräume (Smartboard nur im Deckenpaneel)
und der Referenzvariante ohne PCM gibt es einen Unterschied im
thermischen Raumkomfort (Abbildung 30) von bis zu 0,5 Kelvin. Das
Smartboard als Deckenpaneel (Fläche ca. 40 m²) stellt eine Erhöhung
der thermischen Speicherkapazität des Raumes dar. Diese ist aber nicht
ausreichend, um die Komfortklasse A einzuhalten. Unter
Berücksichtigung eines konsequenten Lüftungsverhaltens erreicht das
Gebäude im Juni und Juli 2008 die Komfortklasse B nach der gültigen
europäischen Komfortnorm DIN EN 15251:2007-08.
2. Vergleich Referenzvariante und Planungsvariante: Die Planungsvariante
(Smartboard in den Innenwänden als Sandwichpaneel und im
Deckenpaneel) stellt eine deutliche Verbesserung des thermischen
Raumkomforts im Vergleich zur Referenzvariante dar. Maximale
operative Raumtemperaturen werden bis zu 1 Kelvin reduziert. Über
den Zeitraum von Juni bis Juli 2008 gibt es keine Überschreitung der
oberen Komfortgrenzen (unter gegebenen Lüftungsverhalten der
Nutzer) nach der europäischen Komfortnorm DIN EN 15251:2007-08.
3. Vergleich Deckenvariante und Planungsvariante: Die Integration vom
Smartboard im Deckenpaneel (Deckenvariante) bewirkt eine Reduktion
der operativen Raumtemperaturen um bis zu 0.5 Kelvin. Damit erreicht
das Gebäude unter den gegebenen Außenbedingungen und des
Lüftungsverhaltens der Nutzer die Komfortklasse B der europäischen
Komfortnorm DIN EN 15251:2007-08. Das Einbringen von Smartboard
in allen Umschliessungsflächen des Raumes (Planungsvariante)
verdoppelt den Effekt des Phasenwechselmaterials. Die operativen
Raumtemperaturen werden bis um 1 Kelvin reduziert. Damit erreicht
das Gebäude die Komfortklasse A.
23
30
Wochenende
3
28
26
2
24
22
20
1
18
Außenluft
16
Paneel
Referenzvariante
Deckenvariante
29.06
28.06
27.06
26.06
25.06
24.06
0
23.06
14
4. Die Überschreitungshäufigkeit einer operativen Raumtemperatur von
26°C beträgt für die Referenzvariante 30 Stunden, für die
Deckenvariante 13 Stunden und für die Planungsvariante 4 Stunden.
Planungsvariante
Wochenende
3
2
1
29.06
28.06
0
27.06
26.06
25.06
24.06
23.06
22.06
Referenzvariante
Deckenvariante
Planungsvariante
Paneel
Wochenende
21.06
20.06
19.06
18.06
17.06
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
16.06
Temperatur Deckenpaneel [°C]
Abbildung 25: Ergebnisse der Simulation für die operative Raumtemperatur [°C] für den Referenzfall (grün,
ohne PCM), der Planungsvariante (blau, mit PCM) und die Deckenvariante (rot, mit PCM) (eine Schulwoche
vom 23. bis 29. Juni 2008).
Abbildung 26: Ergebnisse der Simulation für Bauteiltemperatur [°C] des Deckenpaneels für die
Referenzvariante (grün, ohne PCM), die Planungsvariante (blau, mit PCM) und die Deckenvariante (rot, mit
PCM) (zwei Schulwochen vom 16. bis 29. Juni 2008).
24
Wochenende
3
Wochenende
2
1
29.06
28.06
0
27.06
26.06
25.06
24.06
23.06
22.06
Deckenvariante
Referenzvariante
Planungsvariante
Paneel
21.06
20.06
19.06
18.06
17.06
16.06
Temperatur Wand (Sandwich) [°C]
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
Abbildung 27: Ergebnisse der Simulation für Bauteiltemperatur [°C] einer Innenwand für die
Referenzvariante (grün, ohne PCM), die Planungsvariante (blau, mit PCM) und die Deckenvariante (rot,
ohne PCM) (zwei Schulwochen vom 16. bis 29. Juni 2008)..
30
29
28
27
26
25
24
Referenzvariante
23
Deckenvariante
22
Planungsvariante
21
20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Anteil an der Betriebszeit [%] (Wochentag und Wochenende)
100
Abbildung 28: Dauerlinie der operativen Raumtemperatur: Auswertung des thermischen Komforts für die
Referenzvariante, die Planungsvariante und die Deckenvariante. Bei längerer Anwesenheit der Schüler und
geschlossenen Lüftungspaneelen kann es bei höheren Außentemperaturen zu einem starken Anstieg der
operativen Raumtemperatur kommen. Dann sind maximale Temperaturen bis zu 28°C möglich (siehe graue
Markierung).
25
32
Raumkomfort im Sommer
EN 15251:2007-08
30
28
26
24
22
Referenzvariante
Deckenvariante
Planungsvariante
20
18
0
5
10
15
20
25
30
gleitendes Tagesmittel der Außentemperatur [°C]
Abbildung 29: Auswertung des thermischen Komforts während der Zeit von 7:00 bis 18:00 Uhr an den
Wochentagen vom 1. Juni bis 30. Juli 2008 für die Referenzvariante, Planungsvariante und der
Deckenvariante nach der Komfortnorm DIN EN 15251:2007-08. Bleiben bei höheren Außentemperaturen
die Paneele während der Anwesenheit der Schüler geschlossen (graue Markierung), kann es zu einer
deutlichen Überschreitung der Komfortgrenzen kommen. Dies unterstreicht die Wichtigkeit eines
konsequenten Lüftungsverhaltens der Nutzer.
26
PASSIV
HAUS
INSTITUT
Dr. Wolfgang Feist
PHI ⋅ Rheinstraße 44/46 ⋅ D-64283 Darmstadt
Wärmedämmung und Phasenwechselmaterial in europäischen Klimata
Inhalt
1
EINLEITUNG....................................................................................................... 3
2
BERECHNUNGSMETHODE .............................................................................. 4
2.1
3
Einfluss von Wärmedämmung und
Phasenwechselmaterial auf den
Energiebedarf und CO2-Ausstoß in
verschiedenen europäischen Klimata
im Auftrag der
BASF AG
3.1
3.2
3.3
3.4
4
4.1
4.2
5
Das Gebäudesimulationsprogramm DYNBIL .......................................................................... 4
VARIATION DES DÄMMSTANDARDS.............................................................. 5
Durchführung der Berechnungen........................................................................................... 5
Beispielgebäude ....................................................................................................................... 6
Eigenschaften der untersuchten BASF-Produkte................................................................. 8
Ergebnisse ................................................................................................................................ 8
WIRTSCHAFTLICHKEIT DER WÄRMEDÄMMUNG........................................ 18
Randbedingungen und Rechenverfahren............................................................................ 18
Wirtschaftlichkeit der Wärmedämmung in Dach, Wand und Keller.................................. 19
PHASENWECHSELMATERIALIEN ................................................................. 21
5.1
Phasenwechselmaterial: Micronal PCM............................................................................... 21
5.2
Simulationsmodell.................................................................................................................. 21
5.3
Simulationsergebnisse .......................................................................................................... 23
5.4
Wirtschaftlichkeit.................................................................................................................... 26
5.4.1
Theoretische Grenzen ..................................................................................................... 26
5.4.2
Simulationsergebnisse..................................................................................................... 26
5.4.3
Weitere Aspekte zur Ökonomie von Micronal ® PCM SmartBoardTM ............................. 27
6
ZUSAMMENFASSUNG .................................................................................... 28
7
LITERATUR ...................................................................................................... 30
ANHANG.................................................................................................................. 31
Marketing Support Branches & Industries Europe
Dr. Daniela Origgi
construction.europe@basf.com
Februar 2006
Jürgen Schnieders
A DOKUMENTATION DES BEISPIELGEBÄUDES FÜR DIE
UNTERSUCHUNGEN ZUR WÄRMEDÄMMUNG.................................................... 31
A.1
A.2
A.3
A.4
A.5
A.6
A.7
A.8
A.9
A.10
Allgemeines ............................................................................................................................ 31
Ansichten von Süden (links) und Norden (rechts) ............................................................. 31
Grundrisse .............................................................................................................................. 32
Schnitt von Osten................................................................................................................... 32
Zoneneinteilung...................................................................................................................... 33
Bauteile.................................................................................................................................... 34
Lüftung .................................................................................................................................... 35
Heizung und Kühlung ............................................................................................................ 36
Interne Wärmegewinne .......................................................................................................... 36
Verschattung ...................................................................................................................... 36
B
KLIMA ............................................................................................................... 37
C
ENERGIEBEDARF UND EMISSIONEN ........................................................... 37
D
EIGENSCHAFTEN VON MICRONAL ® PCM .................................................. 38
-2-
2 Berechnungsmethode
1 Einleitung
Die vorliegende Studie untersucht den Einfluss von Wärmedämmung und
Phasenwechselmaterialien auf den Energiebedarf für Heizung und Kühlung bzw. das
sommerliche Raumklima für 6 verschiedene europäische Standorte: Warschau,
Frankfurt/M., London, Paris, Rom und Sevilla.
Gegenstand der Untersuchung ist der Effekt der folgenden Produkte (Herstellerangaben):
•
Styropor®: expandierbares EPS der BASF für die Herstellung von EPSDämmplatten. Styropor zeichnet sich aus durch ein gutes Wärmedämmvermögen, hohe Druckfestigkeit, gute Stoßdämpfung, geringes Gewicht und
Feuchteunempfindlichkeit.
Anwendungen:
WDVS,
Trittschalldämmung,
Dämmung der obersten Geschossdecke, Dämmung Steildach, Dämmung
Kellerdecken, Flachdachdämmung, Schalsteine und Formteile.
•
Neopor®: expandierbares EPS der BASF für die Herstellung von EPSDämmplatten. Durch den Einsatz von Infrarot- Absorbern erzielt Neopor bei
geringerem Materialeinsatz die gleiche Dämmleistung wie Standard-EPS.
Anwendungen: WDVS, Trittschalldämmung, Dämmung der obersten Geschossdecke, Dämmung Steildach, Dämmung Kellerdecken, Flachdachdämmung,
Schalsteine und Formteile.
•
•
•
Styrodur® C: extrudierter Polystyrol-Hartschaumstoff (XPS), der von der BASF
hergestellt wird. Styrodur zeichnet sich durch ein gutes Wärmedämmvermögen,
geringe Wasseraufnahme und hohe Druckfestigkeit aus. Anwendungen:
Perimeterdämmung, Umkehrdach, Wärmebrückendämmung, Bodendämmung,
Kerndämmung, Steildachdämmung, Deckendämmung, Frostschutz im Straßenund Schienenwegebau.
Elastopor® H: Elastopor H ist ein zu zirka 95% geschlossenzelliger
Polyurethanhartschaumstoff zur Herstellung von Spritzschaum und Hartschaumplatten. Mehrlagig per Spritzpistole aufgetragen, kann Elastopor H gleichzeitig als
Wärmedämmung und zur fugenlosen Abdichtung verwendet werden.
Micronal® PCM: von der BASF hergestellter Latentwärmespeicher. Mit Micronal®
PCM modifizierte Baustoffe stabilisieren die Raumtemperatur im Bereich des
Phasenübergangs. Micronal® ist erhältlich von BASF als Pulver oder Flüssigkeit,
z. B. für die Herstellung von Putz oder von Gipskartonplatten mit Latentwärmespeicherfunktion.
Die Untersuchungen der Dämmmaterialien wurden anhand eines Reihenendhauses
mit Wohnnutzung durchgeführt. Für die Untersuchung des Phasenwechselmaterials
Micronal® PCM wurden zwei Räume in einem Bürogebäude betrachtet.
2.1 Das Gebäudesimulationsprogramm DYNBIL
Der Heizwärmebedarf aller Varianten in dieser Studie wurde mit Hilfe der
dynamischen thermischen Gebäudesimulation ermittelt. Diese Methode ermöglicht
eine detaillierte Vorhersage des thermischen Verhaltens von Gebäuden auf
Grundlage der physikalischen Zusammenhänge. Im Gegensatz zu stationären
Verfahren gehen auch Wärmespeichervorgänge explizit in die Berechnung ein. Das
Gebäude wird in mehrere Zonen eingeteilt, so dass Räume mit verschiedenen
Randbedingungen
(Nutzung,
Fensterflächen,
Verschattung,
Orientierung,
Temperaturanforderungen, Geometrie) getrennt voneinander untersucht werden
können. Berücksichtigt werden u.a. die thermischen Bauteileigenschaften, die
Auswirkungen von Solarstrahlung, internen Wärmegewinnen und Heizung bzw.
Kühlung sowie die Wechselwirkungen der Zonen untereinander. Die Simulation
verarbeitet Stundenwerte der Randbedingungen und liefert als Ergebnis für jede
Zone des Modells den Verlauf der Temperaturen bzw. der erforderlichen Heiz- und
Kühlleistungen.
Die Berechnung erfolgte mit dem PHI-eigenen dynamischen Gebäudesimulationsprogramm DYNBIL. Detaillierte Vergleiche der Ergebnisse von DYNBILBerechnungen mit Messungen in gebauten Projekten zeigten sehr gute
Übereinstimmung. Das Programm hat sich seit vielen Jahren in der Projektierung
und thermischen Untersuchung von Gebäuden bewährt. Es wird durch die folgenden
Eigenschaften charakterisiert [Feist 1999]:
•
Wärmeleitung und Wärmespeicherung
–
•
•
Konvektiver Wärmeübergang
–
Temperaturabhängigkeit des konvektiven Wärmeübergangs an Oberflächen
im Raum
–
Temperaturabhängigkeit des konvektiven Wärmeübergangs im ebenen Spalt
(Scheibenzwischenräume)
Langwelliger Strahlungsaustausch
–
•
•
Approximation des Strahlungswärmeaustausches im Raum durch das
Zweisternmodell bei sauberer Trennung zwischen Strahlung und Konvektion
Kurzwellige Strahlung
–
Einfluß des Einfallswinkels für den Strahlungsdurchgang am Fenster
–
Verschattung der kurzwelligen Strahlung
Wärmeübergang an Außenoberflächen
–
-3-
Instationäre Wärmeströme (Mehrkapazitäten-Netzwerkmodell) inkl. eindimensionaler Ersatzdarstellungen für Wärmebrücken
Konvektiver Wärmeübergang, windabhängig
-4-
–
•
•
Langwelliger Strahlungsaustausch an Außenoberflächen mit der Umgebung
und Abstrahlung in den Himmel, atmosphärische Gegenstrahlung
berücksichtigt, Hilfsstrom für die Raumkühlung ist in der Jahresarbeitszahl des
Kühlgerätes bereits enthalten.
•
Interne Wärmequellen
–
CO2-Ausstoß für Raumheizung und -kühlung.
Berücksichtigung unterschiedlicher Wärmetransportmechanismen
Der Einfluß der Wärmeabgabe
–
Bewertung des Raumklimas mit Hilfe von operativen Temperaturen
3 Variation des Dämmstandards
3.1 Durchführung der Berechnungen
Die positiven Auswirkungen von Wärmedämmung auf den Heizwärmebedarf und den
Energieverbrauch in kalten Klimata sind in der Wissenschaft unumstritten, aber in der
breiten Öffentlichkeit immer noch ungenügend bekannt. Unklarheit herrscht zum Teil
über das Ausmaß der mit Dämmmaßnahmen erzielbaren Energieeinsparung und
über den Nutzen beim Einsatz in wärmeren Klimaten, insbesondere in Bezug auf den
Sommerfall.
In diesem Abschnitt werden die Konsequenzen unterschiedlicher Dämmniveaus für
die folgenden Größen ermittelt:
•
Heizwärmebedarf, d.h. die Wärmemenge, die den Räumen im Laufe eines Jahres
zugeführt werden muss, um eine operative Raumtemperatur von 20 °C zu
gewährleisten.
•
Heizenergiebedarf, d.h. die Menge an Energie in Form von z.B. Heizöl oder
Erdgas, die dem Heizsystem im Laufe eines Jahres zugeführt werden muss, um
eine operative Raumtemperatur von 20 °C zu gewährleisten.
Abbildung 1: Beispiel für den Temperaturverlauf im Sommer (Frankfurt/M., Dämmstandard
“minimal”, keine aktive Kühlung)
•
Nutzkältebedarf, d.h. die Wärmemenge, die dem Gebäude im Laufe eines Jahres
durch eine aktive Kühlung entzogen werden muss, um die Lufttemperatur auf
höchstens 25 °C zu begrenzen.
3.2 Beispielgebäude
•
Strombedarf Raumkühlung, d.h. der sich daraus bei typischen Jahresarbeitszahlen der gängigen Splitgeräte ergebende jährliche Stromverbrauch für
die Raumkühlung.
•
Spitzentemperatur, d.h. der höchste Stundenmittelwert, der in irgendeinem der
Wohnräume (Zone 1 bis 6) im Laufe des Jahres aufgetreten ist. In der Regel
treten die höchsten Temperaturen in Zone 4 auf, die südorientiert ist und unter
dem Dach liegt (vgl. Abbildung 1).
•
Überhitzungshäufigkeit, d.h. die Anzahl der Stunden, in denen die operative
Raumtemperatur über 25 °C liegt, falls keine aktive Kühlung installiert ist.
Dargestellt wird der wohnflächengewichtete Mittelwert dieser Häufigkeit für die
Wohnräume.
•
Primärenergiebedarf für Raumheizung und -kühlung. Hier wird angenommen,
dass eine aktive Kühlung betrieben wird. Der Hilfsstrombedarf der Heizung wurde
-5-
Die Simulationsrechnungen wurden anhand des in Abbildung 2 dargestellten
Reihenendhauses durchgeführt. Das Gebäude ist zweigeschossig und besitzt einen
Keller, der innerhalb der thermischen Gebäudehülle liegt, aber nicht aktiv beheizt
wird. Das Gebäude ist in Massivbauweise errichtet, die Wohnfläche beträgt 120 m².
-6-
3.3 Eigenschaften der untersuchten BASF-Produkte
Windfang
Abstellraum
Esszimmer
Für die Wärmeleitfähigkeiten werden durchgehend die Nennwerte λD anstelle der für
Nachweise (z.B. lt. Energieeinsparverordnung) üblichen Bemessungswerte verwendet. Nennwerte werden direkt aus Messungen unter Berücksichtigung der
statistischen Streuung und eines Alterungszuschlages ermittelt, sie entsprechen also
der während der Lebensdauer im Mittel zu erwartenden Wärmeleitfähigkeit.
Die folgenden Materialdaten wurden eingesetzt:
Küche
Flur
WC
EG
Verwen- Material
dung
Wand
IR-EPS
Wand1
EPS
Dach
PUR
Keller
XPS
Wohnzimmer
BASF-Produkt
Dichte
[kg/m³]
Neopor®
(Rohstoff)
Styropor
(Rohstoff)
Elastopor® H2
(Rohstoff)
Styrodur® 3035 CS
(Fertiges Produkt)
®
1
Abbildung 2: Südansicht und EG-Grundriss des Reihenendhauses, das als Beispielobjekt für
die Untersuchung des Einflusses von Wärmedämmung verwendet wurde (vgl. auch Anhang).
Eine detaillierte Beschreibung des verwendeten Simulationsmodells ist im Anhang zu
finden.
Unterschiedlicher Wärmeschutz bezieht sich nicht nur auf die Wärmedämmung von
Wand, Dach und Keller. Guter Wärmeschutz der opaken Bauteile, gute thermische
Qualität der Fenster und die Reduzierung der Lüftungswärmeverluste gehören
zusammen. Daher wurden 4 verschiedene Beispielgebäude untersucht, in denen die
Komponenten des Wärmeschutzes jeweils sinnvoll aufeinander abgestimmt sind.
Da das Klima im Mittelmeerraum sich erheblich von dem in den nördlicheren Teilen
Europas unterscheidet, wurden die Details des Beispielgebäudes für Sevilla und
Rom in einigen Punkten anders gewählt als für die übrigen Standorte. Der
Wärmeschutzstandard wurde generell südlich der Alpen geringer gewählt, das Dach
ist massiv statt als Leichtbaukonstruktion ausgeführt, die Fenster besitzen
Fensterläden zum Schutz gegen die sommerliche Solarstrahlung, und bei den
Varianten ohne Klimaanlage werden die Fenster zur Auskühlung des Gebäudes weit
geöffnet und nicht nur gekippt.
-7-
15
Wärmekapazität
[J/kgK]
1210
Wärmeleitfähigkeit
[W/(mK)]
0,032
15
1210
0,038
30
1500
0,023
33
1500
0,032 - 0,043
®
Die Simulationsrechnungen wurden mit Neopor durchgeführt. Alternativ kann auch Styropor
verwendet werden, die Dämmstoffstärke ist dann um 19 % größer zu wählen.
®
2
Elastopor H ist ein Produkt der BASF Gruppe Gesellschaft Elastogran. Die Berechnung erfolgt für
einen Pentan-getriebenen Schaum mit diffusionsdichter Deckschicht.
3
Dickenabhängig: 0,032 bis 30 mm, 0,034 bis 60 mm, 0,036 bis 80 mm, 0,038 bis 160 mm, 0,04 über
160 mm.
3.4 Ergebnisse
Wie erwähnt wurden die Simulationsrechnungen zunächst für vier verschiedene
Dämmstandards im Vergleich durchgeführt:
•
“minimal”: Das Gebäude weist lediglich einen gewissen Mindest-Wärmeschutz
auf, der geeignet ist, Oberflächentauwasser zu verhindern. Die U-Werte betragen
im Dach 1,0 W/(m²K) (massives Dach südlich der Alpen) bzw. 0,84 W/(m²K)
(Sparrendach nördlich der Alpen) und in der Wand 1,16 W/(m²K). Kellerdecke,
Kellerwand und Bodenplatte sind nicht gedämmt. Viele bestehende Altbauten
haben Wärmeschutzstandards, die jedenfalls nicht besser sind als der hier
verwendete Dämmstandard “minimal”.
•
“mäßig”: Die Altbau-Bauteile sind mit zusätzlicher Wärmedämmung versehen.
Der Dämmstandard entspricht in etwa dem eines im Laufe der letzten Jahre
errichteten Gebäudes.
•
“gut”: Hier ist ein nochmals besserer Wärmeschutz realisiert worden. In
verschiedenen Studien ([Kah 2005], [Rabenstein 2006]) wurden wirtschaftlich
optimale Dämmstoffstärken für den Fall ermittelt, dass keine Wechselwirkungen
mit anderen Kosten auftreten (z. B. Fördermittel oder durch bessere Dämmung
-8-
ermöglichte Einsparungen in der Haustechnik). Die Ergebnisse solcher
Optimierungsrechnungen dienten für diesen Fall als Richtlinie für die Bestimmung
der Dämmstoffstärken. Das Gebäude ist näherungsweise repräsentativ für ein
Niedrigenergiehaus.
•
“sehr gut”: Der Wärmeschutz orientiert sich am Passivhaus-Standard. Südlich der
Alpen wurde ein Dämmniveau angenommen, das etwa dem Anforderungsniveau
des deutschen Neubaus entspricht.
Der Übersichtlichkeit halber wurden die Gebäudeeigenschaften für die vier
Klimazonen nördlich der Alpen nicht mehr weiter differenziert, das Gleiche gilt für die
beiden Klimazonen südlich der Alpen. In der folgenden Tabelle sind die
Dämmstoffstärken und die U-Werte der Außenbauteile für die untersuchten Fälle
zusammengefasst.
Nördlich der Alpen
Fall
Dämmung Dämmung Dämmung Kellerwand
Dach cm
Wand cm
BP cm
cm
minimal
0
0
0
0
mäßig
10
8
4
4
gut
15
15
8
8
sehr gut
30
30
20
20
Fall
minimal
mäßig
gut
sehr gut
minimal
mäßig
gut
sehr gut
In den Grafiken auf den folgenden Seiten sind die thermischen Eigenschaften des
Beispielgebäudes und die in Abschnitt 3.1 erläuterten Ergebnisse zusammengefasst.
Nördlich der Alpen zeigte die Simulation, dass Raumkühlung bzw. Überhitzung für
das Beispielgebäude unbedeutend sind: Der errechnete Kühlenergiebedarf lag in
allen Fällen unter 2 kWh/(m²a); ohne Kühlung wird eine Raumtemperatur von 25 °C
für weniger als eine Woche im Jahr überschritten. Daher sind diese Daten in den
Diagrammen nicht dargestellt.
Durchgehend ist festzustellen, dass sich durch verbesserten Wärmeschutz der
Energiebedarf und die Umweltbelastung bedeutend reduzieren lassen. Gleichzeitig
ist bei den südlichen Klimata der Kühlenergiebedarf besser gedämmter Gebäude
geringer, und der sommerliche Komfort verbessert sich.
Unter den hier getroffenen Annahmen (Unterstützung der aktiven Kühlung durch
mäßige Fensterlüftung, soweit dies sinnvoll ist; Kühlung auf 25 °C Lufttemperatur,
vgl. Anhang) ist der Nutzkältebedarf in den meisten Fällen wesentlich geringer als
der Heizwärmebedarf. Nur in Sevilla kehrt sich diese Relation für die gut gedämmten
Beispiele um: In diesen Fällen wird fast keine Heizwärme mehr benötigt, während ein
gewisser Nutzkältebedarf von ca. 10 kWh/(m²a) verbleibt.
U-Wert
U-Wert
U-Wert
U-Wert
Dach
Wand
Bodenplatte Kellerwand
W/(m²K)
W/(m²K)
W/(m²K)
W/(m²K)
0,839
1,158
4
4
0,181
0,297
0,694
0,699
0,13
0,18
0,4
0,4
0,07
0,098
0,19
0,19
Südlich der Alpen
Fall
Dämmung Dämmung Dämmung
Dach cm
Wand cm
BP cm
minimal
0
0
mäßig
4
4
gut
8
10
sehr gut
15
15
Fall
Kellerwand
cm
0
0
0
0
0
2
4
6
U-Wert
U-Wert
U-Wert
U-Wert
Dach
Wand
Bodenplatte Kellerwand
W/(m²K)
W/(m²K)
W/(m²K)
W/(m²K)
1,019
1,158
4
4
0,368
0,473
4
1,139
0,224
0,251
4
0,699
0,133
0,18
4
0,496
-9-
- 10 -
Warschau
Frankfurt/M.
350
350
Wärmeschutzniveau:
minimal
mäßig
gut
Wärmeschutzniveau:
sehr gut
200
150
100
Heizenergie
Primärenergie
CO2-Emissionen
250
200
150
100
Heizwärme
Heizenergie
Primärenergie
Dämmstoffstärken: keine Wärmedämmung
Zweifach-Isolierverglasung, U ≈ 2,8 W/(m²K), g ≈ 0,76*
68 mm-Holzfensterrahmen
Luftdichtheit: n50 = 6 h-1
Fensterlüftung
Fensterlüftung
minimal
CO2-Emissionen
Dämmstoffstärken: Dach 10 cm, Wand 8 cm, Kellerwand und Bodenplatte 4 cm
Zweifach-Wärmeschutzverglasung, U ≈ 1,2 W/(m²K), g ≈ 0,53*
Abluftanlage
Abluftanlage
mäßig
Luftdichtheit: n50 = 1,5 h-1
Abluftanlage
Abluftanlage
gut
Dreifach-Wärmeschutzverglasung, U ≈ 0,51 W/(m²K), g ≈ 0,52*
Passivhaus-Fensterrahmen
Lüftungsanlage mit 85 % Wärmerückgewinnung
sehr gut
minimal
sehr gut
0
Heizwärme
mäßig
gut
50
0
gut
Energie [kWh/(m²a)], CO2 [kg/(m²a)]
250
50
sehr gut
mäßig
300
Wärmeschutz-Standard
300
minimal
* Nennwerte der verwendeten Verglasungen. Das Simulationsprogramm berücksichtigt die
Abhängigkeit der Verglasungseigenschaften von den jeweiligen Randbedingungen
- 11 -
- 12 -
London
Paris
350
350
Wärmeschutzniveau:
minimal
mäßig
gut
Wärmeschutzniveau:
sehr gut
200
150
100
Heizenergie
Primärenergie
CO2-Emissionen
250
200
150
100
Heizwärme
Heizenergie
Primärenergie
Fensterlüftung
Fensterlüftung
minimal
CO2-Emissionen
Abluftanlage
Abluftanlage
mäßig
Abluftanlage
Abluftanlage
gut
sehr gut
minimal
sehr gut
0
Heizwärme
mäßig
gut
50
0
gut
250
50
sehr gut
mäßig
300
300
minimal
- 13 -
- 14 -
Rom
Sevilla
gut
Stunden im Jahr über 25 °C [%], Spitzentemperatur [°C]
120
100
80
60
40
20
140
30
25
20
15
10
5
Heizenergie
Nutzkälte
Strom
Kühlung
Primärenergie
CO2Emissionen
minimal
mäßig
gut
120
100
80
60
40
20
Heizwärme
Heizenergie
Nutzkälte
Strom
Kühlung
Primärenergie
Einfachverglasung, U ≈ 5,7 W/(m²K), g ≈ 0,85*
Fensterlüftung
Fensterlüftung
minimal
35
30
25
20
15
10
5
0
0
Stunden
Spitzenüber 25 °C temperatur
sehr gut
40
CO2Emissionen
Stunden
Spitzenüber 25 °C temperatur
Dämmstoffstärken: Dach 4 cm, Wand 4 cm, Kellerwand 2 cm, Bodenplatte 0 cm
Abluftanlage
Abluftanlage
mäßig
Abluftanlage
Abluftanlage
Lüftungsanlage mit 85 % Wärmerückgewinnung (falls Kühlung)
sehr gut
mäßig
minimal
Heizwärme
gut
35
0
0
sehr gut
160
gut
140
Wärmeschutzniveau:
sehr gut
40
Stunden im Jahr über 25 °C [%], Spitzentemperatur [°C]
mäßig
minimal
Wärmeschutzniveau:
160
Lüftungsanlage mit 85 % Wärmerückgewinnung (falls Kühlung)
- 15 -
- 16 -
4 Wirtschaftlichkeit der Wärmedämmung
4.1 Randbedingungen und Rechenverfahren
In Abschnitt 3.4 wurde gezeigt, dass sich durch verbesserten Wärmeschutz in allen
untersuchten Klimata erhebliche Umweltentlastungen und Energieeinsparungen
erzielen lassen. In diesem Abschnitt wird nun die Frage der Wirtschaftlichkeit von
Dämmmaßnahmen beleuchtet.
Die Wirtschaftlichkeitsberechnung erfolgt nach der Barwertmethode. Dabei wird
berücksichtigt, dass aufgrund der Verzinsung des für baulichen Mehraufwand
aufgenommenen Kapitals Beträge, die erst in der Zukunft fließen, mit einem
entsprechend reduzierten Wert angesetzt werden müssen. Im vorliegenden Fall
wurde diese Abzinsung für die eingesparten Energiekosten vorgenommen. Der zu
Grunde gelegte Realzins beträgt 3,5 % (Markt-Hypothekenkredit, nominal, ohne
Förderung).
Für die Dämmmaßnahmen wird generell eine Lebensdauer von 50 Jahren angesetzt.
Dieser Zeitraum wird auch für die Wirtschaftlichkeitsberechnung betrachtet.
Für die Energiekosten wurden zwei Varianten untersucht. In Variante 1 wird lediglich
ein moderater realer Preisanstieg über den Betrachtungszeitraum zu Grunde gelegt.
Die Preise orientieren sich an den Energiebezugskosten des Jahres 2005 in
Deutschland.
Variante 2 nimmt einen Energiepreisanstieg in der Größenordnung des angesetzten
Realzinssatzes von 3,5 % an. In diesem Fall würde die Barwertmethode gerade einer
stationären Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ohne Berücksichtigung von Zinseffekten
entsprechen. Allerdings wird hier berücksichtigt, dass der Preis für Strom zur Zeit nur
etwa zu einem Drittel vom Energiepreis bestimmt wird. Nur für dieses Drittel wird in
dieser Variante die entsprechende Preissteigerung zu Grunde gelegt.
Die folgende Tabelle zeigt die resultierenden Mittelwerte der Energiepreise für den
Betrachtungszeitraum von 50 Jahren.
Heizwärme
Strom
Variante 1:
0 % Energiepreissteigerung
0,061 €/kWh
0,17 €/kWh
Variante 2:
3,5 % Energiepreissteigerung
0,167 €/kWh
0,268 €/kWh
Zur Ermittlung der erforderlichen Investitionen für die Dämmung werden die Kosten
eines zusätzlichen Zentimeters Wärmedämmung benötigt. Die Preise für
Wärmedämmung können, wie Baupreise generell, von Bauvorhaben zu
Bauvorhaben erheblich variieren. Basierend auf einer Recherche in den in dieser
Studie untersuchten Ländern werden die folgenden Werte für die variablen
Dämmstoffkosten, also den zusätzlichen Zentimeter Dämmstoff einschließlich
etwaigem Mehraufwand für längere Befestigungsmittel, tiefere Fensterbänke,
aufwendigere Gerüste o.ä. verwendet:
- 17 -
- 18 -
Neopor
Elastopor H
Styrodur 3035 CS
1,06 €/(cm m²)
1,77 €/(cm m²)
1,30 €/(cm m²)
Diese Kostenansätze können dazu dienen, die ökonomischen Auswirkungen
verschiedener Dämmstoffstärken im Neubau zu ermitteln. Es wird also
angenommen, dass ohnehin eine Wärmedämmung aufgebracht wird; die Kosten für
Gerüststellen, Befestigung, Verputzen usw. sind dann nahezu unabhängig von der
Dämmstoffstärke.
Auf die Modernisierung von Wand und Dach im Altbau lassen sich diese
Kostenansätze ebenfalls anwenden, falls ohnehin die Anbringung einer
Wärmedämmung geplant ist. Auch hier ist der Großteil der Kosten unabhängig von
der Dämmstoffstärke. Die nachfolgend berechneten Kostenunterschiede
verschiedener Dämmstoffstärken dürfen jedoch nicht als Kosten einer energetischen
Altbaumodernisierung fehlinterpretiert werden.
4.2 Wirtschaftlichkeit der Wärmedämmung in Dach, Wand
und Keller
Investition [€]
Einsparung
[€/a]
statische
Amortisationszeit [a]
Barwert
Gewinn
Variante 1 [€]
Barwert
Gewinn
Variante 2 [€]
Warschau
5500
Frankfurt/M. London
5500
5500
930
870
470
360
4.7
5.8
5.9
6.3
5.9
7.8
21700
16600
16400
15000
8300
5600
51600
40900
40500
37600
20000
13200
In allen Klimata führt die verbesserte Wärmedämmung im Laufe ihrer Lebensdauer
zu Netto-Gewinnen. Erwartungsgemäß ist die Einsparung in den kältesten Klimata
am höchsten, doch lassen sich selbst im warmen Klima von Sevilla durch bessere
Wärmedämmung noch wirtschaftliche Gewinne erzielen. Die statischen
Amortisationszeiten liegen in allen Fällen deutlich unter 10 Jahren.
Die folgende Tabelle zeigt für die 6 untersuchten Klimata
die Investitionskosten für die bessere Wärmedämmung
die Energiekosteneinsparung pro Jahr bei unveränderten Energiekosten
•
die statische Amortisationszeit, d.h. die Zeit, nach der sich die Investition bei
stationärer Betrachtung bezahlt gemacht hätte
•
den Barwert des Netto-Gewinns durch die verbesserte Dämmung für die beiden
Varianten der Energiepreisentwicklung.
- 19 -
Sevilla
2800
940
Im zweiten Schritt wurden die zusätzlichen Kosten bestimmt, die sich durch die
bessere Wärmedämmung ergeben. Dabei wird vorausgesetzt, dass auch das
Gebäude mit minimalem Wärmeschutz bereits über eine Wärmedämmung des
gleichen Systems verfügt, wie es im Beispiel verwendet wird, nur mit wesentlich
geringerer Dicke. In diesem Fall werden die zusätzlichen Kosten der besseren
Dämmung nur durch die oben angegebenen variablen Dämmkosten bestimmt.
•
Rom
2800
1160
Die ökonomischen Vorteile der Wärmedämmung werden am besten deutlich, wenn
man sie am Beispielgebäude selbst betrachtet und dabei die Auswirkungen der
Dämmung an den opaken Bauteilen getrennt von den übrigen Komponenten
analysiert. Mit Hilfe der Simulation wurde zunächst die Energieeinsparung ermittelt,
die sich ergibt, wenn man Dach, Wände und Keller statt wie im minimal gedämmten
Altbau auf dem Dämmniveau “gut” ausführt. Fenster, Lüftung usw. bleiben dabei
unverändert auf dem jeweils besseren Niveau, so dass nur der Effekt der
Wärmedämmung ermittelt wird; die Raumtemperatur im Winter beträgt 21 °C.
•
Paris
5500
- 20 -
5 Phasenwechselmaterialien
5.1 Phasenwechselmaterial: Micronal® PCM
Beim Übergang aus der festen in die flüssige Phase nehmen Materialien oft große
Wärmemengen auf, ohne dabei ihre Temperatur bedeutend zu verändern. Dieser
Effekt lässt sich zur Stabilisierung der Raumtemperatur in Gebäuden nutzen. Dafür
muss der Schmelzpunkt in einem baupraktisch relevanten Bereich liegen, die
Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCM) müssen vom Raum her
thermisch zugänglich sein, und das geschmolzene PCM darf keine Baustoffe
durchfeuchten. Mikroverkapselte Paraffine als Teil von Gipsputzen oder
Gipsbauplatten erfüllen diese Anforderungen, die fertigen Produkte lassen sich wie
konventionelle Putze bzw. Bauplatten verarbeiten.
Nachfolgend wird das Produkt “Micronal® PCM SmartBoard” in einer Anwendung für
die Klimatisierungsunterstützung in einem Bürogebäude untersucht. Micronal® PCM
SmartBoardTM ist eine Gipsbauplatte von 15 mm Dicke, die einen Masseanteil von
26 % microverkapselten Paraffinen enthält.
Abbildung 3: Struktur des Beispielobjekts für die Simulationsrechnungen mit Micronal PCM
(nicht maßstäblich, Grafik: BASF)
5.2 Simulationsmodell
Phasenwechselmaterialien sind besonders wirksam, wenn die Temperaturen im
Raum im Laufe des Tages regelmäßig stark anwachsen und wieder absinken,
beispielsweise aufgrund hoher solarer oder interner Gewinne. Ein typisches Beispiel
hierfür stellen Büros dar, aber auch in Kindergärten, Schulen und Hörsälen, in der
Gastronomie oder Großküchen gibt es ausgeprägte Tagesgänge, die in bestimmten
Perioden ein tägliches Be- und Entladen des Speichers zur Folge haben können.
In den Simulationsrechnungen wurde ein Einzelbüro als Ausschnitt aus einem
größeren Bürogebäude betrachtet (Abbildung 3). Das Gebäude ist komplett in
Leichtbauweise erstellt. Die beiden Büros auf der Nord- bzw. Südseite werden als
kleine Einzelbüros angenommen, sie sind jeweils 1,80 m breit, 4 m tief und 2,80 m
hoch (Innenmaße). Die Fenster sind als Bandfassade mit 1,80 m Höhe und 1,60 m
Breite ausgeführt. Der Flur hat eine Breite von 1,20 m.
Die Außenwand ist in Spanien und Italien mit 8 cm, nördlich der Alpen mit 15 cm
Neopor® gedämmt. Die Fenster besitzen nördlich der Alpen eine ZweifachWärmeschutzverglasung, südlich der Alpen wird eine Zweifach-Isolierverglasung
verwendet. Das Büro ist Nord-Süd-orientiert, eine außenliegende temporäre
Verschattung ist nicht vorhanden.
- 21 -
Das Büro weist hohe spezifische interne Lasten auf: Es ist mit einer Person belegt,
die montags bis freitags von 8 bis 18 Uhr mit einer Stunde Mittagspause anwesend
ist. Die Arbeitshilfen (PC, Monitor, Drucker, Fax etc.) benötigen in dieser Zeit eine
Leistung von 220 W. Hinzu kommt eine Grundlast von 15 W, die kontinuierlich anfällt.
Die internen Wärmelasten summieren sich an einem Arbeitstag auf 400 Wh/(m²d).
Aufgrund der hohen internen Lasten ist in allen untersuchten Klimata eine aktive
Kühlung der Büros erforderlich. Diese begrenzt die Lufttemperatur auf 25 °C. Zur
Energieeinsparung wird die Klimaanlage durch ein nächtliches Kippen der Fenster
unterstützt, so dass die Oberflächentemperaturen an vielen Tagen des Jahres
während der Nacht wieder unter den Schmelzpunkt des Micronal PCM SmartBoard
absinken. Die beiden 1,80 m hohen Fenster in jedem Büro ermöglichen in
Kippstellung bereits bei einer Temperaturdifferenz von 1 K einen Volumenstrom von
40 m³/h. Durch eine geeignete Steuerung werden die Fenster geschlossen, wenn die
Raumtemperatur nachts zu weit absinkt oder zu hohe Luftwechsel (über 200 m³/h
pro Büro) entstehen.
Die Simulationsrechnungen setzen voraus, dass die thermisch aktiven
Bauteiloberflächen im Wesentlichen vom Raum her zugänglich sind. Gravierende
Abtrennungen der Micronal-haltigen Schichten, etwa durch großflächige
Schrankwände, sind nicht berücksichtigt.
- 22 -
5.3 Simutionsergebnisse
London
Nachfolgend sind die wichtigsten Kennwerte, die sich aus den Simulationen ergeben,
grafisch dargestellt.
100
ohne PCM
mit PCM
Warschau
100
ohne PCM
mit PCM
90
80
70
60
50
90
80
70
60
50
40
30
20
40
10
30
0
Heizwärme
Nutzkälte
Primärenergie
CO2
20
10
Paris
0
Heizwärme
Nutzkälte
Primärenergie
100
CO2
ohne PCM
mit PCM
Frankfurt/M.
100
ohne PCM
mit PCM
90
80
70
60
50
90
80
70
60
50
40
30
20
10
40
0
30
Heizwärme
Nutzkälte
20
10
0
Heizwärme
Nutzkälte
- 23 -
Primärenergie
CO2
- 24 -
Primärenergie
CO2
Rom
100
ohne PCM
mit PCM
90
80
Die Verwendung von Micronal® PCM SmartBoardTM wirkt sich in allen Fällen positiv
aus, und zwar sowohl auf den Wärme- als auch auf den Kältebedarf der Räume. Im
Bereich der Kühlung ist der Effekt bedeutender als im Bereich der Heizung, da die
unterstützende Nachtlüftung größere Temperaturdifferenzen zur Folge hat und damit
der Schmelzbereich des Micronal® PCM SmartBoardTM häufiger durchfahren wird.
5.4 Wirtschaftlichkeit
70
5.4.1 Theoretische Grenzen
60
Der maximale Effekt der Schmelzenthalpie von Micronal® PCM SmartBoard TM auf
die Gebäudeenergiebilanz lässt sich leicht abschätzen. Diese Berechnung wird im
Folgenden vorgenommen.
50
40
30
20
10
0
Heizwärme
Nutzkälte
Primärenergie
CO2
Sevilla
100
ohne PCM
mit PCM
90
80
70
Von 1 m² Micronal PCM® SmartBoard TM wird im Temperaturbereich zwischen 21
und 25 °C eine Wärmemenge von 357 kJ aufgenommen, 313 kJ mehr als bei der
konventionellen Gipsbauplatte. Der weit überwiegende Teil dieser Differenz ist auf
die Schmelzwärme des Paraffins zurückzuführen, etwa 3 % davon auf die gegenüber
einer konventionellen Gipsbauplatte ohnehin höhere Wärmekapazität des Micronal®
PCM SmartBoard TM.
Wenn in einem Gebäude täglich z.B. tagsüber gekühlt und nachts geheizt werden
muss und der Temperaturbereich von 21 bis 25 °C einmal täglich in beide
Richtungen durchschritten wird, kann die oben errechnete Differenz von 313 kJ
sowohl als Nutzwärme als auch als Nutzkälte eingespart werden. Im Laufe eines
Jahres werden dann bei optimaler Ausnutzung (365 Tage im Jahr) je 130 MJ oder
31,7 kWh Nutzwärme bzw. -kälte pro Quadratmeter Micronal® PCM SmartBoard TM
eingespart. Mit den in dieser Studie verwendeten Energiepreisen und
Systemnutzungsgraden und mit Kosten von 40 €/m² für das Micronal PCM
SmartBoard ergibt sich daraus eine statische Amortisationszeit von 11 Jahren.
Es ist zu beachten, dass die tatsächliche Einsparung gewöhnlich erheblich geringer
ausfällt: In den meisten Gebäuden muss nicht an jedem Tag sowohl geheizt als auch
gekühlt werden, und die Temperatur des PCM schwankt nicht täglich über den
gesamten genannten Temperaturbereich. Auch dynamische Effekte verringern die
Effektivität des Materials. Die durch Micronal® PCM SmartBoard TM tatsächlich
erzielbare Einsparung kann nur durch eine dynamische thermische
Gebäudesimulation unter den Randbedingungen des jeweiligen Einzelfalls ermittelt
werden.
60
50
40
30
20
10
5.4.2 Simulationsergebnisse
0
Heizwärme
Nutzkälte
- 25 -
Primärenergie
CO2
Aus den in Abschnitt 5.3 dokumentierten Simulationsrechnungen lassen sich die
Betriebskosteneinsparungen, die sich unter den angenommenen Randbedingungen
erzielen lassen, berechnen. Bezogen auf den eingesetzten Quadratmeter Micronal®
PCM SmartBoard TM sind sie in der folgenden Tabelle zusammengefasst
- 26 -
Einsparung [€/(m² PCM a)]
Warschau Frankfurt/M.
0.38
London
Paris
Rom
Sevilla
0.40
0.42
0.51
0.80
0.42
theoretische
Grenze
3.62
5.4.3 Weitere Aspekte zur Ökonomie von Micronal® PCM
SmartBoard TM
Das Grundprinzip der passiven Kühlung besteht darin, verschiedene Komponenten
so aufeinander abzustimmen, dass sich ein funktionierendes Gesamtgebäude ergibt.
Gewöhnlich kann die passive Kühlung eines Gebäudes also nicht durch eine
einzelne Maßnahme realisiert werden, sondern es ist stets ein Bündel von
Maßnahmen erforderlich, zu denen neben Micronal® PCM SmartBoard TM
beispielsweise die folgenden gehören können:
•
energieeffiziente Arbeitshilfen
•
energieeffiziente Beleuchtung
•
nächtliche freie Lüftung über die Fenster oder Lüftungsklappen
•
nächtliche mechanische Lüftung
•
wirkungsvolle, d.h. außen liegende temporäre Verschattung
•
feststehende Verschattungselemente
•
6 Zusammenfassung
Mit der Methode der dynamischen thermischen Gebäudesimulation wurde in der
vorliegenden Studie der Einfluss verschiedener BASF-Produkte auf den
Energiehaushalt von Gebäuden untersucht. Die Studie gliedert sich in zwei Teile: Der
erste Teil befasst sich mit den Auswirkungen von Wärmedämmung mit den
Materialien Neopor®, Styrodur® C und Elastopor® H in einem Reihenendhaus mit
Wohnnutzung, der zweite Teil mit dem Effekt von Micronal® bei Anwendung in einem
Zellenbüro mit hoher Belegungsdichte. Die Berechnungen wurden jeweils für die
sechs Klimata von Warschau, Frankfurt/M., Paris, London, Rom und Sevilla
durchgeführt.
In den Untersuchungen zur Wärmedämmung wurden 4 verschiedene
Dämmstandards (dies bezieht sich nicht nur auf die Dämmung von Dach, Wänden
und Bodenplatte, sondern auch auf die Fensterqualität und die Lüftung) verglichen.
Es zeigte sich, dass besserer Wärmeschutz in allen untersuchten Klimata zahlreiche
Vorteile besitzt:
•
Der Heizwärmebedarf wird reduziert.
•
Dadurch sinkt auch der dem Gebäude zuzuführende Energiebedarf für die
Raumheizung.
•
Die in den wärmeren Klimata durch die Klimaanlage abzuführende Wärmemenge
verringert sich, der Strombedarf für die Raumkühlung wird entsprechend geringer.
Wärmedämmung der Außenbauteile
•
Folglich verringern sich auch der Primärenergiebedarf und die CO2-Emissionen.
•
Farbgebung der Außenbauteile
•
•
hohe thermische Masse
Die Wirksamkeit einer verstärkten Nachtlüftung zur Raumkühlung ohne
Klimaanlage wird verbessert: Die Zahl der Stunden über 25 °C und die
Spitzentemperaturen sinken.
•
Kälterückgewinnung durch die Lüftungsanlage
•
Verdunstungskühlung
•
Luft-Luft- oder Luft-Sole-Erdwärmeübertrager
•
Erdsonden
Ein schlüssiges passives Kühlkonzept kann die aktive Klimatisierung überflüssig
machen. Die Investitionskosten einer Vollklimaanlage (Heizung, Kühlung,
Befeuchtung, Trocknung) kann man überschlagsmäßig mit 2000 bis 2600 € pro
Arbeitsplatz ansetzen, die Lebensdauer beträgt nur 15 Jahre [Recknagel 2003].
Hinzu kommen die nicht unerheblichen Kosten für Wartung und Reparatur mit 3,5 %
der Investitionskosten pro Jahr, die bei vielen passiven Komponenten geringer sind;
bei Micronal® PCM SmartBoard TM entfallen sie beispielsweise vollständig. Wenn es
durch ein passives Kühlkonzept, zu dem auch Micronal® PCM SmartBoard TM
gehören kann, gelingt, eine solche Vollklimaanlage in einem Gebäude überflüssig zu
machen, ist vielfach auch die Wirtschaftlichkeit des Konzepts gegeben.
- 27 -
Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung kam zu dem Ergebnis, dass durch verbesserten
Wärmeschutz auch ökonomische Vorteile erzielt werden können. Werden Dach,
Wände und Boden eines Gebäudes auf den Standard “gut” (je nach Bauteil 8 bis
15 cm Dämmung nördlich, 4 bis 10 cm südlich der Alpen) anstatt auf den Standard
“minimal” (entsprechend einem Mindestwärmeschutz zur Vermeidung von
Oberflächentauwasser) gedämmt, ergeben sich für die entstehenden zusätzlichen
Investitionskosten je nach Klima Amortisationszeiten von 4 bis 8 Jahren. Bereits bei
Zugrundelegung heutiger Energiepreise entstehen so aufgrund der langen
Lebensdauer der Dämmung erhebliche wirtschaftliche Vorteile.
Die Vorteile des Phasenwechselmaterials (PCM) Micronal werden vor allem im
Zusammenhang mit intensiven Nutzungen in leichten Gebäuden und entsprechenden Temperaturschwankungen deutlich. Durch Verwendung von Micronal PCM
SmartBoard anstelle einer konventionellen Gipsbauplatte entsteht eine
ausgleichende Wirkung auf das Raumklima. Im untersuchten Bürogebäude mit durch
Nachtlüftung unterstützter Kühlung wurde in allen Klimata sowohl der Heizwärme- als
auch der Kühlbedarf verringert; der Primärenergiebedarf sinkt je nach Klima um 15
bis 32 Prozent. Die Auswirkungen auf den Kühlbedarf sind dabei deutlich
ausgeprägter als diejenigen auf den Heizwärmebedarf.
- 28 -
Als Teil eines passiven Kühlkonzepts, das eine konventionelle Klimaanlage
überflüssig macht, kann der Einsatz von Micronal auch wirtschaftlich interessant
werden. Positiv wirken sich dabei insbesondere die lange Lebensdauer und der
Wegfall von Wartungskosten aus.
- 29 -
7 Literatur
[IWEC 2001]
American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning
Engineers (ASHRAE): International Weather for Energy Calculations
(IWEC Weather Files), Atlanta 2001.
[DWD 2004]
Christoffer, Jürgen, Thomas
Deutschländer, Monika Webs:
Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse. Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes, Offenbach 2004
[Feist 1999]
Feist, Wolfgang: Das Passivhaus-Konzept für den Sommerfall. In:
Feist, Wolfgang (Hrsg.): Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser,
Protokollband Nr. 15: Passivhaus-Sommerfall. Passivhaus Institut,
Darmstadt 1999
[PHPP 2004] Feist, Wolfgang (Hrsg.): Passivhaus Projektierungs Paket 2004,
Anforderungen an qualitätsgeprüfte Passivhäuser, Darmstadt, Passivhaus Institut, April 2004
[Kah 2005]
Kah, Oliver, Wolfgang Feist: Wirtschaftlichkeit von WärmedämmMaßnahmen im Gebäudebestand 2005. Studie im Auftrag des Gesamtverbands der Dämmstoffindustrie GDI, Frankfurt. Passivhaus
Institut, Darmstadt 2005
[Rabenstein 2006] Rabenstein,
Dietrich:
Die
Klimaabhängigkeit
optimaler
Wärmedämmung. Bauphysik 28(2006), Heft 1, S. 13-26
[Recknagel 2003] Schramek, Ernst-Rudolf: Recknagel Sprenger Schramek,
Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik, Oldenbourg, München,
2003
[Schmidt 2006] Schmidt, Marco: Persönliche Mitteilung vom 3.1.2006
[Schossig 2005]
Schossig, Peter: Persönliche Mitteilungen vom 2.12.2005 und
3.1.2006
- 30 -
A.3
Anhang
Grundrisse
A Dokumentation des Beispielgebäudes für die
Untersuchungen zur Wärmedämmung
Raum 1
Schlafzimmer
A.1
Allgemeines
Windfang
Abstellraum
Esszimmer
Für die Simulationsrechnungen wurde das Modell eines zweigeschossigen,
unterkellerten Reihenendhauses verwendet. Die Abbildungen in den folgenden
Abschnitten zeigen Pläne und die Zoneneinteilung, wie sie für die Simulation erfolgte.
Im Erdgeschoss befinden sich ein offener Wohn-/Ess-/Kochbereich und ein WC. Im
OG gibt es ein etwas größeres Bad, nach Süden hin sind zwei Wohnräume
vorhanden, nach Norden ein etwas größerer Raum. Das Untergeschoss gliedert sich
in einen nördlichen und einen südlichen Kellerraum sowie einen Heizungskeller.
Flur
Abstellraum
Küche
Flur
Heizung
WC
Flur
Bad
Kinderzimmer
Kinderzimmer
1.OG
Auf der Westseite befindet sich die Giebelwand der Reihenhauszeile, auf der
Ostseite grenzt das Nachbarhaus an.
EG
KG
Raum 2
Wohnzimmer
A.2
Ansichten von Süden (links) und Norden (rechts)
A.4
Schnitt von Osten
5,405
2,85
0,00
-0,225
-0,525
-2,85
- 31 -
- 32 -
A.5
Zoneneinteilung
A.6
Bauteile
Zone 6
Kellerwand gegen Erdreich
OG
Zone 5
Zone 4
Das Gebäude ist in Massivbauweise errichtet. Das Dach ist nördlich der Alpen als
konventionelle Leichtbaukonstruktion mit Sparren ausgeführt. Für die Standorte
Sevilla und Rom wurde aufgrund des dort üblichen Baustandards eine massive
Dachkonstruktion verwendet. Die Aufbauten der opaken Bauteile sind nachfolgend
zusammengefasst.
Zone 3
U-Wert des ungedämmten Bauteils [W/(m²K)]
Material
Dicke
Dichte
d
ρ
[cm]
[kg/m³]
BASF Styrodur 3035 CS
0-30
33
Normalbeton
17.5
2400
4
Wärmekapazität C
[kJ/(kgK)]
1.5
1.08
Wärmeleitfähigkeit λ
[W/(mK)]
0.032-0.04
2.1
1.16
Wärmekapazität C
[kJ/(kgK)]
1.08
1.21
0.836
1
[W/(mK)]
0.8
0.032
0.58
0.35
1.6
Wärmekapazität C
[kJ/(kgK)]
1
0.836
1
[W/(mK)]
0.4
0.58
0.4
Außenwand
U-Wert des minimal gedämmten Bauteils [W/(m²K)]
Material
Dicke
Dichte
d
ρ
[cm]
[kg/m³]
Außenputz
1.5
1800
EPS-WDVS Neopor
0-30
18
Ziegelmauerwerk
36.5
1400
Gipsputz EN 12524
1.5
1000
EG
Zone 1
Innenwand
Zone 2
Zone 3
U-Wert des Bauteils [W/(m²K)]
Material
Dicke
d
[cm]
Gipsputz EN 12524
1.5
Ziegelmauerwerk
17.5
Gipsputz EN 12524
1.5
Dichte
ρ
[kg/m³]
1000
1400
1000
Zwischendecke
Zone 7
UG
- 33 -
0.89
Material
Dicke
Dichte
Wärmed
kapazität C
ρ
[cm]
[kJ/(kgK)]
[kg/m³]
Gipsputz EN 12524
1.5
1000
1
Normalbeton
25
2400
1.08
Trittschalldämmung*
2.5
45
0.504
Nadelholz
2
415
2.72
* Im minimal gedämmten Gebäude ist keine Trittschalldämmung vorhanden.
- 34 -
[W/(mK)]
0.4
2.1
0.045
0.13
Dämmstandard verfügt zusätzlich über eine hocheffiziente Wärmerückgewinnung
aus der Abluft (südlich der Alpen nur in Verbindung mit Klimaanlage).
Dach massiv
Material
Dicke
Dichte
d
ρ
[cm]
[kg/m³]
Betondachsteine
4
2100
Luftschicht horizontal
2
42
Elastopor H
0-30
30
Styropor
2
15
Normalbeton
14
2400
Gipsputz EN 12524
1.5
1000
1.0
Wärmekapazität C
[kJ/(kgK)]
1
0.272
1.5
1.21
1.08
1
[W/(mK)]
1.5
0.12
0.023
0.038
2.1
0.4
0.84
Wärmekapazität C
[kJ/(kgK)]
1
0.272
1.5
1.98
0.272
0.415
1
[W/(mK)]
1.5
0.12
0.023
0.13
0.452
0.05
0.35
0.53
Wärmekapazität C
[kJ/(kgK)]
1.08
0.504
1.08
[W/(mK)]
2.1
0.04
2.1
Dach leicht
Material
Dicke
Dichte
d
ρ
[cm]
[kg/m³]
Betondachsteine
4
2100
Luftschicht horizontal
2
42
Elastopor H
0-30
30
Spanplatte
1.3
600
Luftschicht (10% Sparren)
9
42
Sparren mit Dämmung
2.5
82
Gipsbauplatte 750
1.5
750
Wohnungstrennwand
Material
Dicke
d
[cm]
Normalbeton
12
Schalldämmung
6
Normalbeton
12
Dichte
ρ
[kg/m³]
2400
45
2400
Je nach Dämmstandard und Klimazone kommen verschiedene Fenster zum Einsatz.
Details sind in den Ergebnisübersichten angegeben. Das Fenster wird in der
Dämmebene eingebaut, sofern deren Dicke das zulässt, ΨEinbau bewegt sich
dementsprechend zwischen 0.1 W/(mK) für ungedämmte Wände und 0.01 W/(mK)
ab einer Dämmstoffstärke von 10 cm.
Die Außenoberflächen der Wände sind verputzt, der Absorptionsgrad für
Solarstrahlung beträgt α = 0,6. Das Dach ist mit dunklen Tonziegeln gedeckt, hier ist
α = 0,72.
A.7
Lüftung
Die Art der Belüftung richtet sich nach dem Baustandard. Im ungedämmten Haus ist
keine Lüftungsanlage vorhanden, es wird nur über die Fenster gelüftet. Die besser
gedämmten Objekte besitzen Lüftungsanlagen. Diese gewährleisten, bezogen auf
das Volumen der Wohnräume (Zone 1-6), einen 0,25-fachen Luftwechsel. Der beste
- 35 -
Zum mechanischen Luftwechsel kommt die Infiltration, wobei die Gebäudeluftdichtheit vom Baustandard abhängt.
Die Innentüren vom Treppenhaus zu den angrenzenden Räumen (Zone 1, 4, 5, 6)
werden nur gelegentlich geöffnet. Im Mittel findet durch diese Türen ein
Luftaustausch von 50 m³/h statt.
Für den Sommer wird angenommen, dass eine zusätzliche Wärmeabfuhr durch
Fensteröffnung stattfindet. Der Luftaustausch hängt dabei von der Temperaturdifferenz zwischen innen und außen ab, Querlüftung und Windeinfluss werden nicht
berücksichtigt. In den Zonen 1, 4 und 5 werden bei operativen Temperaturen über
22 °C die Fenster gekippt, falls die Außenlufttemperatur unter der Raumlufttemperatur liegt. Südlich der Alpen kann in den Fällen, in denen keine aktive Klimatisierung
vorhanden ist, auch über weit geöffnete Fenster gelüftet werden. Der erreichbare
Luftwechsel wird dadurch etwa 10-mal so groß. Im letzteren Fall ist der Luftwechsel
auf einen Höchstwert von 8 h-1 beschränkt.
A.8
Heizung und Kühlung
Jeder Raum kann individuell beheizt werden. Die Wärmeabgabe erfolgt dabei
vollständig konvektiv und wird so geregelt, dass die operative Temperatur (der
Mittelwert aus Luft- und Strahlungstemperatur im Raum) gerade dem Sollwert (hier:
20 °C) entspricht.
Für den sommerlichen Komfort wurden jeweils zwei Fälle untersucht: Im ersten Fall
ist keine aktive Kühlung vorhanden, das Gebäude wird nur durch geeignetes Öffnen
der Fenster kühl gehalten (s.o.).
Im zweiten Fall kann in den größeren Wohnräumen, d.h. den Zonen 1, 4, 5 und 6,
aktiv gekühlt werden. Hierbei wird eine ideale Kühlung angenommen, die die
Lufttemperatur auf einem Sollwert von 25 °C hält.
A.9
Interne Wärmegewinne
Es wird angenommen, dass keinerlei Anstrengungen zur Verbesserung der
Energieeffizienz von Haushaltsgeräten, Beleuchtung etc. unternommen wurden. In
den Simulationsrechnungen betragen die internen Wärmegewinne daher im Mittel
3,0 W/m². Relevante Wärmegewinne treten in Zone 1 (Wohnen) von 7 bis 22 Uhr, in
Zone 4 (Kinder) sowohl tagsüber als auch nachts, und in Zone 5 (Schlafen) zwischen
22 und 7 Uhr auf.
Hinzu kommt die Wärmeabgabe von Heizkessel, Warmwasserspeicher und
Leitungen im Heizungskeller. Diese hängen von der Größe des notwendigen
Wärmeversorgungssystems ab, sie bewegen sich zwischen 60 und 120 W.
A.10 Verschattung
Das Beispielgebäude ist genau in Nord-Süd-Richtung orientiert. Im EG ist auf der
nach Süden zeigenden Terrasse ein 2 m breiter seitlicher Sichtschutz zum Nachbarn
- 36 -
angeordnet. Die nächste Hauszeile in südlicher Richtung befindet sich in 23 m
Entfernung.
Wo dies mit dem sommerlichen Komfort noch vereinbar ist, wird man aus
Kostengründen häufig auf einen außenliegenden Sonnenschutz verzichten. Für die 4
nördlichen Klimata wurde der außenliegende Sonnenschutz daher weggelassen. In
den beiden südlichen Klimata sind dagegen traditionelle Fensterläden vorhanden, die
bei Raumtemperaturen oberhalb von 23 bis 25 °C geschlossen werden.
B Klima
Für Deutschland lagen die 2004 veröffentlichten Testreferenzjahre des deutschen
Wetterdienstes [DWD 2004] vor. Verwendet wurde das dem Standort Frankfurt/M.
zugeordnete Testreferenzjahr 12.
Für die übrigen Standorte konnte auf das von ASHRAE veröffentlichte International
Weather for Energy Calculations [IWEC 2001] zurückgegriffen werden. Die
ASHRAE-CD enthielt für alle 5 untersuchten Standorte entsprechende Datensätze.
D Eigenschaften von Micronal PCM
Die Basis für die Modellierung der PCM-haltigen Materialien bildeten Messungen an
einem Latentwärmespeicherputz, die das Fraunhofer-Institut für Solare
Energiesysteme ISE in Freiburg durchgeführt hat [Schossig 2005]. Abbildung 4 zeigt
den Verlauf der Wärmekapazität über der Temperatur.
Wärmekapazität [kJ/kgK]
14
12
10
8
6
4
2
0
Messwert cp
Basislinie
10
C Energiebedarf und Emissionen
Die Aufwandszahl des Heizsystems beträgt 1,1, die des Kühlsystems 0,31. Für
Hilfsstrom wurde entsprechend DIN 4701-10 ein von der Heizlast und der Dauer der
Heizperiode abhängiger Anteil angerechnet, der typischerweise einige Prozent des
Heizwärmebedarfs beträgt.
Für die haustechnischen Systeme wurde mit pauschalen Aufwandszahlen (das
Verhältnis zwischen Heizenergie- und Heizwärmebedarf, vgl. Abschnitt 3.1,
entsprechend für die Kühlung) gerechnet. Die Beheizung der untersuchten
Beispielgebäude erfolgt mit einem Niedertemperatur-Gaskessel mit einer
Aufwandszahl von 1,1. Hinzu kommt der Hilfsstrombedarf, der sich aus dem
Stromverbrauch der Heizungs-Umwälzpumpe (hier: konstant 35 W) und dem
Hilfsstromverbrauch des Kessels ermitteln lässt. Letzterer wurde entsprechend
[PHPP 2004] berechnet zu
0 , 48
⎛P
⎞
PHilf = 15 W ⋅ ⎜⎜ Kessel ⎟⎟ .
⎝ 1 kW ⎠
Dabei wurde angenommen, dass die Kessel-Nennleistung PKessel um 30 % über der
erforderlichen Gebäudeheizleistung liegt.
Die Aufwandszahl für die Raumkühlung beträgt 0,31.
Die folgenden Primärenergie- und CO2-Faktoren wurden verwendet:
Heizung (Gas)
Strom
Primärenergiefaktor
[kWhPrimär/kWhEnd]
1.1
2.7
- 37 -
CO2-Faktor
[kg/kWhEnd]
0.25
0.68
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Temperatur [°C]
Abbildung 4: Wärmekapazität als Funktion der Temperatur für den Latentwärmespeicherputz
maxit clima 24. Messwerte des ISE.
Die abgebildete Schmelzkurve bezieht sich auf das Produkt maxit clima 24. In der
Abbildung ist zu erkennen, dass das Material einen relativ breiten Schmelzbereich
besitzt. Die Schmelzenthalpie wird daher wie folgt definiert: Man legt Beginn und
Ende des Schmelzbereichs fest und zieht, wie im Diagramm dargestellt, eine Linie
zwischen diesen beiden Punkten. Die von dieser Linie und dem Graphen der
gemessenen Wärmekapazität eingeschlossene Fläche stellt die Schmelzenthalpie
dar.
Für die vorliegenden Messdaten ergibt sich im Temperaturbereich zwischen 10,85 °C
und 24,85 °C eine Schmelzenthalpie des Putzes von 18 kJ/kg. Zu über 90 % wird die
Schmelzenthalpie dabei in einem Temperaturband von 4 K Breite, etwa zwischen 20
und 24 °C, umgesetzt.
Aus den Eigenschaften des abgebundenen Putzes konnte mit diesen Daten auf eine
Schmelzenthalpie des reinen PCM-Materials in dieser speziellen Probe von
100 kJ/kg zurückgerechnet werden. Nach Angaben der BASF [Schmidt 2006] beträgt
der am häufigsten gemessene Wert 110 kJ/kg. Die vorliegenden Messwerte für das
PCM-Material wurden dementsprechend korrigiert und auf die Eigenschaften der
Gipsbauplatte Micronal PCM SmartBoard umgerechnet.
Nach Angaben des ISE liegt die abgebildete Kurve für das Produkt maxit clima 26
um ca. 1.5 K höher. Diese verschobene Kurve wurde in der vorliegenden Studie
verwendet, da der Schmelzpunkt mit ca. 24 °C für den sommerlichen Wärmeschutz
günstiger liegt. Für die Simulationsrechnungen wurde die Kurve in fünf Bereiche
aufgeteilt, in denen die Wärmekapazität jeweils als konstant angenommen wird.
- 38 -
B r a n d s c h u tz te c h n is c h e S te llu n g n a h m e
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B a u t e ile n u n d d e n ü b r ig e n B e s ta n d te ile n z u d if fe r e n z ie r e n ,
3 0 /6 0 /9 0 -A B u n d F 3 0 /6 0 /9 0 -B .
A ls w e s e n tlic h e T e ile s in d g e m . d e r D I N
a u s s te if e n d e n T e ile u n d b e i n ic h t tr a g e n d e n B a u
S ta n d s ic h e r h e it ( z .B . R a h m e n k o n s t r u k tio n e n
g e m e in t.
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w e rd e
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Technische Information
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Micronal DS 5007 X
Polymer Dispersions for Construction
Charakteristik/Chemie
Wässrige Dispersion eines mit hochvernetztem Polymethylmethacrylat
mikroverkapselten Paraffingemischs,
Formaldehyd frei.
Technische Daten
Feststoffgehalt
ca. 42 % in Wasser
pH-Wert
ca. 7,5 – 8,5
Viskosität
ca. 200–600 mPas
Dichte
ca. 0,98
Schmelz
temperatur
ca. 23°C
Schmelzenthalpie
ca. 41 kJ/kg
(Emulsion, flüssig)
Gesamtkapazität
(Integr. 10-30°C)
ca. 55 kJ/kg
Schmelzenthalpie
ca. 100 kJ/kg
(Wirkstoffanteil)
Gesamtkapazität
(Integr. 10-30°C)
ca. 135 kJ/kg
Elektronenmikroskopische Aufnahme:
Mikrokapseln in einer zementären Matrix.
Einsatzgebiete
Micronal DS 5007 X (wässrige Dispersion eines mikroverkapselten Latentwärmespeichers) verdankt seine
ausgezeichnete Wärmekapazität dem
physikalischen Vorgang des Schmelzens und Erstarrens. Das Produkt
besteht aus mikroskopisch kleinen
Polymerkügelchen, die einen Kern aus
hochreinen Paraffin-Wachsen enthalten.
Micronal DS 5007 X kann in gängige,
dickschichtige hydraulisch und nicht
hydraulisch abbindende Baustoffe (wie
z. B. Putze, Gipsbauplatten, Spachtelmassen, Estriche, Beton oder auch
Holzwerkstoffe) integriert werden und
auf diese Weise deren thermische
Masse deutlich erhöhen. Beim Schmelzen des Wachses in den Mikrokapseln
wird eine erhebliche Energiemenge
gespeichert, die umgekehrt beim
Erstarren des Wachses wieder freigesetzt wird. Die in dieser Phasenumwandlung „versteckt“ gespeicherte
Wärme wird als latente Wärme bezeichnet.
Micronal DS 5007 X zeichnet sich auf
Grund des besonderen Mikroverkapselungsverfahrens durch seine Formaldehyd- Freiheit aus.
Ein mit Micronal DS 5007 X modifizierter Baustoff ist für den Einsatz in Innenräumen konzipiert, um dort die
Temperatur für einen von der Aufwandmenge abhängigen Zeitraum auf
etwa 23°C nahezu konstant zu halten.
Dies führt zu einem deutlichen Komfortgewinn für den Nutzer und ggf. auch zur
Verringerung von Heiz- und Kühllasten.
Der Einsatz von Micronal DS 5007 X
kann in „passiver“ Anwendung oder in
Kombination mit aktiven Kühlsystemen
erfolgen. Dabei ist das PCM als Element im Klimakonzept zu betrachten.
Es entkoppelt den Wärmeanfall von der
Wärmebehandlung. Umweltenergie
(z.B. Erdkälte aus Sondenbohrungen)
lässt sich zeitversetzt besser nutzen.
Die nächtliche Reaktivierung kann
durch Wasser oder Luft als Energieträgermedium erfolgen. Die maximal
benötigte Kühlleistung lässt sich reduzieren, was zu energieeffizienteren
TGA- Lösungen führt. In günstigen
Fällen bis hin zur völligen Eliminierung
von aktiver Klimatisierung.
Anw endungshinw eise I
Beim Herstellen und Verarbeiten von
Produkten auf Basis von Micronal DS
5007 X sind die Verträglichkeit der
Rezeptbestandteile untereinander, das
Abbindeverhalten der hydraulischen
Bindemittel, die Benetzung und Haftung
auf verschiedenen Untergründen usw.
von vielen Gegebenheiten abhängig,
die wir in unseren Versuchen nicht alle
erfassen können. Deshalb sind sorgfältige eigene Versuche erforderlich.
Mitunter kann es notwendig sein,
Micronal DS 5007 X vor der Verarbeitung noch einmal aufzurühren. Dies hat
keinen Einfluss auf die Eigenschaften
des Produkts in der Anwendung.
Micronal DS 5007 X ist verpackt in
Fässern oder IBC-Containern und lose
im Tankzug erhältlich.
Seite 1 von 2
®
Micronal DS 5007 X
Anw endungshinw eise II
Grundsätzliche Hinweise bei zementären und gipsbasierten Formulierungen:
• Micronal PCM erhöht den Wasseranspruch.
• Fließmittel können der auftretenden
Verdickung entgegenwirken.
• Micronal PCM verzögert. Eventuell
mit Beschleuniger gegenhalten.
• Micronal PCM führt zu mehr Luftporen. Entschäumer einsetzen.
• Micronal PCM kann wie ein Füllstoff
mit 2-20µm Durchmesser betrachtet
werden. Feinanteil in der Sieblinie zu
reduzieren kann helfen.
Als Modifizierungsraten in zementären
Systemen können bis ca. 15% Vol. und
in Gips-Systemen bis ca. 25% Vol.
erreicht werden. Höhere Modifizierungsgrade führen meist zu Rheologieproblemen und Festigkeitsabfall.
Die erhaltene Gesamtwärmespeicherfähigkeit lässt sich unabhängig von der
Trägermatrix mit folgender Formel
bestimmen:
QPCM = mPCM x ΔH
QMatrix = mMatrix x cp x ΔT
Qges = QPCM + QMatrix
ΔH
cp
m
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= 100kJ/kg = 28Wh/kg
= spez. Wärmekapazität der Matrix
= Masseanteile von PCM oder Matrix
= Temperaturintervall
BASF SE
Regional Business Unit Adhesive
and Construction Polymers Europe
Ein großer Vorteil der Mikroverkapselung ist, dass das Paraffinwachs eine
dichte und dauerhafte Verpackung
erhält. Damit handelt es sich um ein
geschlossenes System, welches z.B.
Emissionen und Leckage im Bereich
der Nutztemperatur effektiv vermeidet.
Je nach thermischer Belastung bei der
Verarbeitung, wird mehr oder weniger
Stress auf die Kapseln ausgeübt. Dieser
kann von teilweisem Volumenverlust
der Paraffinfüllung bis hin zur kompletten Zerstörung der Kapseln führen.
Genaue Angabe von Temperaturobergrenzen ist nicht möglich. Diese hängen
vom Herstellprozess, den Behandlungszeiten oder den herrschenden
Drücken usw. ab. Die Tauglichkeit kann
darum nur in praktischen Versuchen
festgestellt werden. In der Regel sind
Temperaturen >140°C nicht anwendbar.
Der erreichbare Effekt in Innenräumen
bezüglich Komfortverbesserung (Zeiten
im Komfortbereich von 20-23°C) und
Energieeinsparung (Reduktion von
Heiz- und Kühllasten) lässt sich nicht
mit Überschlagsrechnungen ermitteln.
Er muss für jedes Gebäude individuell
bestimmt werden. Es wird dynamische
Gebäudesimulation benötigt, um das
reale Verhalten im Voraus zu bestimmen. Hierfür steht das Simulationsprogramm „PCMexpress“ kostenfrei unter
www.micronal.de zur Verfügung.
Für eigene Berechnungen mit marktüblichen Simulationsprogrammen muss
das instationäre Verhalten von PCMhaltigen Baustoffen besonders berücksichtigt werden. Ist kein spezielles PCM
Modul in der Software vorhanden, muss
die spez. Wärmekapazität (cp) variabel
über die Temperatur angepasst werden.
Micronal DS 5007 X ist für die Anwendung als dezentraler Wärmespeicher in
Bauprodukten mit Arbeitstemperaturen
im Bereich der Raumtemperatur gedacht. Die Anwendung als gepumptes
Wärmeträgerfluid oder als konzentrierte
Wärmespeicherflüssigkeit in größeren
Behältern wird nicht empfohlen.
Beispiel der Schmelzenthalpie eines nach RAL
Gütezeichen PCM gemessenen Baustoffs.
Die Angaben in dieser Druckschrift basieren auf unseren derzeitigen Kenntnissen und Erfahrungen. Sie
stellen nicht die vertraglich vereinbarte Beschaffenheit des Produktes dar und befreien den Verarbeiter
wegen der Fülle möglicher Einflüsse bei Verarbeitung und Anwendung unseres Produktes nicht von
eigenen Prüfungen und Versuchen. Die mit uns vereinbarte vertragliche Beschaffenheit des Produktes bei
Gefahrübergang ergibt sich ausschließlich aus den Angaben des Spezifikationsdatenblatts. Alle in dieser
Druckschrift enthaltenen Beschreibungen, Zeichnungen, Fotografien, Daten, Verhältnisse, Gewichte u.ä.
können sich ohne Vorankündigung ändern. Etwaige Schutzrechte sowie bestehende Gesetze und
Bestimmungen sind vom Empfänger unseres Produktes in eigener Verantwortung zu beachten.
Ausgabe: Dezember 2008
Bei Erscheinen einer Neuauflage verliert dieses Datenblatt seine Gültigkeit.
www.basf.de/dispersionen
® = registrierte Marke der BASF SE
TI/ED 252 d
®
Micronal DS 5008 X
Charakteristik/Chemie
Trockene Pulvervariante eines mit
hochvernetztem Polymethylmethacrylat
mikroverkapselten Paraffingemischs,
Formaldehyd frei.
Technische Daten
Feststoffgehalt
pulverförmig
Partikelgröße
ca. 0,1–0,3 mm
Schüttdichte
ca. 250-350kg/m³
Schmelztemperatur
ca. 23°C
Schmelzenthalpie ca. 100 kJ/kg
Gesamtkapazität
(Integr. 10-30°C)
ca. 135 kJ/kg
Sonstiges
staubarm
Elektronenmikroskopische Aufnahme:
Micronal DS 5008 X – Pulverpartikel sind
Agglomerate der einzelnen Mikrokapseln.
Beispiel der Schmelzenthalpie nach RAL Gütezeichen PCM gemessen: (Grafik setzen auf Seite2)
Einsatzgebiete
Micronal DS 5008 X (sprühgetrocknete
Pulvervariante des wässrigen, mikroverkapselten Latentwärmespeichers
Micronal DS 5007 X) verdankt seine
ausgezeichnete Wärmespeicherfähigkeit dem physikalischen Vorgang des
Schmelzens und Erstarrens. Das
Produkt besteht aus mikroskopisch
kleinen Polymerkügelchen, die einen
Kern aus hochreinen Paraffin-Wachsen
enthalten.
Micronal DS 5008 X kann in gängige,
dickschichtige hydraulisch und nicht
hydraulisch abbindende Baustoffe (wie
z. B. Putze, Gipsbauplatten, Spachtelmassen, Estriche, Beton oder auch
Holzwerkstoffe) integriert werden und
auf diese Weise deren thermische
Masse deutlich erhöhen. Beim Schmelzen des Wachses in den Mikrokapseln
wird eine erhebliche Energiemenge
gespeichert, die umgekehrt beim
Erstarren des Wachses wieder freigesetzt wird. Die in dieser Phasenumwandlung „versteckt“ gespeicherte
Wärme wird als latente Wärme bezeichnet.
Micronal DS 5008 X zeichnet sich auf
Grund des besonderen Mikroverkapselungsverfahrens durch seine Formaldehydfreiheit aus.
Ein mit Micronal DS 5008 X modifizierter Baustoff ist für den Einsatz in Innenräumen konzipiert, um dort die
Temperatur für einen von der Aufwandmenge abhängigen Zeitraum auf
etwa 23°C nahezu konstant zu halten.
Dies führt zu einem deutlichen Komfortgewinn für den Nutzer und ggf.
auch zur Verringerung von Heiz- und
Kühllasten.
Der Einsatz von Micronal DS 5008 X
kann in „passiver“ Anwendung oder in
Kombination mit aktiven Kühlsystemen
erfolgen. Dabei ist das PCM als Element im Klimakonzept zu betrachten.
Es entkoppelt den Wärmeanfall von der
Wärmebehandlung. Umweltenergie
(z.B. Erdkälte aus Sondenbohrungen)
lässt sich zeitversetzt besser nutzen.
Die nächtliche Reaktivierung kann
durch Wasser oder Luft als Energieträgermedium erfolgen. Die maximal
benötigte Kühlleistung lässt sich reduzieren, was zu energieeffizienteren
TGA- Lösungen führt. In günstigen
Fällen bis hin zur völligen Eliminierung
von aktiver Klimatisierung.
Anw endungshinw eise I
Beim Herstellen und Verarbeiten von
Produkten auf Basis von Micronal DS
5008 X sind die Verträglichkeit der
Rezeptbestandteile untereinander, das
Abbindeverhalten der hydraulischen
Bindemittel, der Einfluss auf das Brandverhalten, der Festigkeitseinfluss usw.
von vielen Gegebenheiten abhängig,
die wir in unseren Versuchen nicht alle
erfassen können. Deshalb sind sorgfältige eigene Versuche erforderlich.
Micronal DS 5008 X ist in Säcken zu
15kg erhältlich. Es ist im Sinne des
vorbeugenden Arbeitsschutzes weitestgehend staubfrei eingestellt. Die üblichen Vorkehrungen beim Umgang mit
pulverförmigen Produkten sind anzuwenden.
Seite 1 von 2
®
Micronal DS 5008 X
Anw endungshinw eise II
Grundsätzliche Hinweise bei zementären und gipsbasierten Formulierungen:
• Micronal PCM erhöht den Wasseranspruch.
• Fließmittel können der auftretenden
Verdickung entgegenwirken.
• Micronal PCM verzögert. Eventuell
mit Beschleuniger gegenhalten.
• Micronal PCM führt zu mehr Luftporen. Entschäumer einsetzen.
• Micronal PCM kann wie ein Füllstoff
mit 2-20µm Durchmesser behandelt
werden. Feinanteil in der Sieblinie
reduzieren kann helfen.
• Die agglomerierten Sekundärpartikel
des Pulvers können unter Scherung
und Wassereinfluss wieder zerfallen.
Die ansteigende innere Oberfläche
kann zu ansteigendem Wasseranspruch beim Mischen führen.
Die erhaltene Gesamtwärmespeicherfähigkeit lässt sich unabhängig von der
Trägermatrix mit folgender Formel
bestimmen:
QPCM = mPCM x ΔH
QMatrix = mMatrix x cp x ΔT
Qges = QPCM + QMatrix
ΔH
cp
m
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In zementären Systemen werden i.d.R.
bis ca. 15% Vol. und in Gips-Systemen
bis ca. 25% Vol. Modifizierung erreicht.
Höhere Modifizierungsgrade führen
meist zu Rheologieproblemen und/oder
Festigkeitsabfall.
Ein großer Vorteil der Mikroverkapselung ist, dass das Paraffinwachs eine
dichte und dauerhafte Verpackung
erhält. Damit handelt es sich um ein
geschlossenes System, welches z.B.
Emissionen und Leckage im Bereich
der Nutztemperatur effektiv vermeidet.
Je nach thermischer Belastung bei der
Verarbeitung, wird mehr oder weniger
Stress auf die Kapseln ausgeübt. Dieser
kann von teilweisem Volumenverlust
der Paraffinfüllung bis hin zur kompletten Zerstörung der Kapseln führen.
Genaue Angabe von Temperaturobergrenzen ist nicht möglich. Diese hängen
vom Herstellprozess, den Behandlungszeiten oder den herrschenden
Drücken usw. ab. Die Tauglichkeit kann
darum nur in praktischen Versuchen
festgestellt werden. In der Regel sind
Temperaturen >140°C nicht anwendbar.
= 100kJ/kg = 28Wh/kg
= spez. Wärmekapazität der Matrix
= Masseanteile von PCM oder Matrix
= Temperaturintervall
BASF SE
Regional Business Unit Adhesive
and Construction Polymers Europe
Micronal DS 5008 X ist für die Anwendung als dezentraler Wärmespeicher in
Bauprodukten mit Arbeitstemperaturen
im Bereich der Raumtemperatur gedacht. Die Anwendung als konzentrierte
Wärmespeicherfüllung in größeren
Behältern wird nicht empfohlen.
Der erreichbare Effekt in Innenräumen
bezüglich Komfortverbesserung (Zeiten
im Komfortbereich von 20-23°C) und
Energieeinsparung (Reduktion von
Heiz- und Kühllasten) lässt sich nicht
mit Überschlagsrechnungen ermitteln.
Er muss für jedes Gebäude individuell
bestimmt werden. Es wird dynamische
Gebäudesimulation benötigt, um das
reale Verhalten im Voraus zu bestimmen. Hierfür steht das Simulationsprogramm „PCMexpress“ kostenfrei unter
www.micronal.de zur Verfügung.
Für eigene Berechnungen mit marktüblichen Simulationsprogrammen muss
das instationäre Verhalten von PCMhaltigen Baustoffen besonders berücksichtigt werden. Ist kein spezielles PCM
Modul in der Software vorhanden, muss
die spez. Wärmekapazität (cp) variabel
über die Temperatur angepasst werden.
Die Angaben in dieser Druckschrift basieren auf unseren derzeitigen Kenntnissen und Erfahrungen. Sie
stellen nicht die vertraglich vereinbarte Beschaffenheit des Produktes dar und befreien den Verarbeiter
wegen der Fülle möglicher Einflüsse bei Verarbeitung und Anwendung unseres Produktes nicht von
eigenen Prüfungen und Versuchen. Die mit uns vereinbarte vertragliche Beschaffenheit des Produktes bei
Gefahrübergang ergibt sich ausschließlich aus den Angaben des Spezifikationsdatenblatts. Alle in dieser
Druckschrift enthaltenen Beschreibungen, Zeichnungen, Fotografien, Daten, Verhältnisse, Gewichte u.ä.
können sich ohne Vorankündigung ändern. Etwaige Schutzrechte sowie bestehende Gesetze und
Bestimmungen sind vom Empfänger unseres Produktes in eigener Verantwortung zu beachten.
Ausgabe: Dezember 2008
Bei Erscheinen einer Neuauflage verliert dieses Datenblatt seine Gültigkeit.
® = registrierte Marke der BASF SE
TI/ED 252 d
Vorläufiges Spezifikationsdatenblatt
Seite: 1/2
BASF Spezifikationsdatenblatt
Datum / überarbeitet am: 29.02.2008
Produkt: Micronal* DS 5007 X
Version: 2.0
(30244261/SPV_GEN_C/DE)
Druckdatum 29.02.2008
1. Stoff/Zubereitungs- und Firmenbezeichnung
Micronal* DS 5007 X
Veredlungspolymere E-EDK
67056 Ludwigshafen
BASF SE
2. Chemische Charakterisierung
Wässrige Dispersion auf Basis: Polymethylmethacrylat, hochvernetzt, Paraffingemisch, mikroverkapselt
3. Spezifizierte Prüfungen
Eigenschaft
Prüfmethode (Parameter)
Wert
Feststoffgehalt
DIN EN ISO 3251
41 - 43 %
pH-Wert
DIN ISO 976 (23 °C)
7,5 - 8,5
Viskosität, dynamisch
DIN EN ISO 3219 (23 °C, 500 1/s)
100 - 300 mPa.s
Schmelz - Enthalpie
DIN EN ISO 11357-1
>= 45 J/g
Schmelztemperatur
(bezogen auf Paraffin)
DIN EN ISO 11357-1
ca. 23 °C
4. Handhabung und Lagerung
Seite: 2/2
Version: 2.0
(30244261/SPV_GEN_C/DE)
Lagerstabilität:
6 Monate bei 10 - 30 °C
Weitere Angaben zu den Lagerbedingungen:
Frostgeschützt lagern.
Um Probleme bei der Lagerung zu vermeiden (Einwirkung von Mikroorganismen), empfehlen wir die
Nachstabilisierung mit Bioziden.
Das Produkt darf beim Lagern und Verarbeiten nicht mit ungeschütztem Eisen oder mit Buntmetallen in
Berührung kommen.
Senkrechte Striche am linken Rand weisen auf Änderungen gegenüber der vorangehenden Version hin.
Die vorstehenden Angaben stellen die mit uns vereinbarte vertragliche Beschaffenheit des Produktes
bei Gefahrübergang dar. Sie werden von uns im Rahmen unserer Qualitätssicherung regelmäßig
überprüft. Diese Angaben und die Eigenschaften von Produktmustern sind keine Garantie von
Eigenschaften und enthalten insbesondere keine Aussagen über die Eignung des Produkts für
bestimmte Einsatzzwecke, so dass daraus keine Schadensersatzansprüche gegen uns hergeleitet
werden können.
Die Produktspezifikation wurde maschinell ohne Unterschrift erstellt.
Vorläufiges Spezifikationsdatenblatt
Seite: 1/2
Version: 2.0
(30244268/SPV_GEN_C/DE)
1. Stoff/Zubereitungs- und Firmenbezeichnung
Micronal* DS 5008 X
BASF SE
Veredlungspolymere E-EDK
67056 Ludwigshafen
2. Chemische Charakterisierung
Pulver auf Basis: Polymethylmethacrylat, hochvernetzt, Paraffingemisch, mikroverkapselt
3. Spezifizierte Prüfungen
Eigenschaft
Prüfmethode (Parameter)
Wert
Feststoffgehalt
DIN EN ISO 3251
99 - 100 %
Schmelz - Enthalpie
DIN EN ISO 11357-1
>= 110 J/g
Schmelztemperatur
(bezogen auf Paraffin)
DIN EN ISO 11357-1
ca. 23 °C
4. Handhabung und Lagerung
Lagerstabilität:
12 Monate
Höhere Temperatur und Druckbelastung vermeiden. Hierdurch könnte Zusammenbacken auftreten.
Seite: 2/2
Version: 2.0
(30244268/SPV_GEN_C/DE)
Weitere Angaben zu den Lagerbedingungen:
Behälter trocken und dicht geschlossen halten.
Kühl aufbewahren.
Senkrechte Striche am linken Rand weisen auf Änderungen gegenüber der vorangehenden Version hin.
Die vorstehenden Angaben stellen die mit uns vereinbarte vertragliche Beschaffenheit des Produktes
bei Gefahrübergang dar. Sie werden von uns im Rahmen unserer Qualitätssicherung regelmäßig
überprüft. Diese Angaben und die Eigenschaften von Produktmustern sind keine Garantie von
Eigenschaften und enthalten insbesondere keine Aussagen über die Eignung des Produkts für
bestimmte Einsatzzwecke, so dass daraus keine Schadensersatzansprüche gegen uns hergeleitet
werden können.
Die Produktspezifikation wurde maschinell ohne Unterschrift erstellt.
Project Reference
Reducing CO 2
In Buildings
Energy Efficient Training Academy
Project:
The Academy, Warwick
Client:
Jaguar Land Rover
Scope of Project:
4,500m2 Renovation
Carbon Savings:
284.9 tonnes of CO2 per annum
Year Completed:
2008
Project Description:
BASF, the chemical company, provided advice and products to help Jaguar Land Rover create an energy efficient Technical Academy for its dealer
technicians and apprentices.
This new training academy was opened in Warwick after an extensive refurbishment program to renovate this old, derelict steel framed warehouse
facility. BASF, the leading raw material supplier to the construction industry, assisted Jaguar Land Rover with the renovation of the new Academy
building by offering advice and solutions for environmental efficiency and to provide alternative sustainable materials for the project.
Thermal Assessment
LUWOGE consult, an energy consultancy team from the real estate
company of BASF, carried out a thermal assessment of the building’s
fabric and its heating and power systems. This revealed that without
improvement the building would emit 417.9 tonnes of carbon dioxide
a year. Using new products and sustainable building solutions
suggested by the BASF consultants, Jaguar Land Rover hope to
cut this to 133 tonnes. This provides a staggering saving of
284.9 tonnes of CO2 per annum being lost from the building.
Insulation & Air tightness
To reduce heat loss through the walls and roof, over 4,500 square
metres of spray foam insulation was applied to the inside of the steel
structure. Elastopor® H, from BASF subsidiary Elastogran, forms a
continuous, even insulating layer, with no joints, gaps, or thermal
bridges. It has a much better thermal conductance than other insulating
materials with the same layer thickness, helping to significantly reduce
the cost of insulating and sealing the building.
Flooring and Tiling Solutions
A range of BASF Construction Chemicals floor preparation materials
were specified throughout the office, catering and workshop areas.
PCI Nanolight® is the first universal tile adhesive based on a patented
combination of special fillers and binders that specifically form
nanostructures. As a result, adhesion, strength and application
properties are substantially improved. PCI Nanolight® is suitable for
wall and floor applications and provides 30% greater coverage than
conventional tile adhesives.
Cooling
Instead of using conventional air conditioning in the classroom areas,
the design team chose innovative new plasterboard which
incorporates Micronal® PCM, a BASF phase change material
consisting of microscopically small polymer spheres containing a wax
storage medium. When the temperature rises, the phase change
material inside the polymer capsules absorbs heat and melts. When
the temperature falls, the liquid solidifies and emits heat. This ensures
a more uniform room temperature without the carbon emissions and
costs associated with conventional air conditioning.
About BASF
BASF is the world’s leading chemical company: The Chemical
Company. Its portfolio ranges from oil and gas to chemicals, plastics,
performance products, agricultural products and fine chemicals. As a
reliable partner BASF helps its customers in virtually all industries to
be more successful. With its high-value products and intelligent
solutions, BASF plays an important role in finding answers to global
challenges such as climate protection, energy efficiency, nutrition and
mobility. BASF has more than 95,000 employees and posted sales of
almost €58 billion in 2007. BASF shares are traded on the stock
exchanges in Frankfurt (BAS), London (BFA) and Zurich (AN). Further
information on BASF is available on the Internet at www.basf.com.
BASF plc
PO Box 4, Earl Road
Cheadle Hulme, Cheadle
Cheshire SK8 6QG
http://www.basf.com
www.energyefficiency.basf.com
DBX478 Icf Brochure Q
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Building a Sustainable Future
The BASF House - UK Project
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Building a sustainable future with
innovative chemistry
BASF is committed to energy efficiency and saving resources by developing innovative solutions. This can only be achieved through joint efforts by
politics, society, science and business. In its role as The Chemical Company, BASF is dedicated to using energy efficient production processes at
The UK Code For Sustainable Homes
The Code for Sustainable Homes introduces new mandatory minimum levels of performance
across five of the key categories:
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Energy efficiency/CO2
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Water efficiency
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Use of Materials
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Surface Water Management
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Household and Site Waste Management
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Pollution
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Health and Well-being
What We Achieve
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Management
Our goal is to use our products and services to successfully shape the future of our customers, business partners and employees.
Through profitable growth we aim to consistently increase the value of our company.
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Ecology
How We Shape The Future
The Government is committed to cutting carbon dioxide emissions by 60% by 2050, relative to the 1990 levels. However, building sustainable
homes is not just about cutting CO2 levels – how we build and use homes also has an impact on the environment. In April 2007 the Code for
We develop new technologies and use them to meet the challenges of the future and open up additional market opportunities.
We combine economic success with environmental protection and social responsibility. This is our contribution to a better future for
Sustainable Homes replaced Ecohomes for the assessment of new housing in England. This environmental assessment method is based on
its major sites worldwide. In 2007, BASF invested £1.4 billion in research and development and approximately one-third of this figure was
dedicated to energy efficiency, and saving resources.
Who We Are
BASF is the world’s leading chemical company. Our portfolio ranges from chemicals, plastics, functional solutions, performance products,
agricultural products, oil and gas. As a reliable partner to all industries, our high-value products and intelligent system solutions help our customers
to be more successful.
us and for coming generations.
BASF 2015 “ENSURE SUSTAINABLE DEVELOPMENT”
Creating
Values
Reducing Risk
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Integrated sustainability in customer relationships
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Develop new target groups and markets
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Identify relevant sustainability issues
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Develop tailored solutions
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Reduce reputational risks
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Transparent communication
Ecohomes and many house builders who currently use Ecohomes will find the credit system of the code familiar. One of the key differences
between Ecohomes and the Code is that Ecohomes is based on the overall rating for the site, built up from various elements including location,
ecology and amenities. The Code assesses the sustainability of individual dwelling types against the specific design categories. Site wide issues are
also considered and the results are by dwelling type.
The Creative Energy Homes Project
THE SITE
THE SITE
The Creative Energy Homes project is a showcase of innovative state of the art energy efficient homes of the future being built on the University
Park at Nottingham.
Public Recognition for Sustainability and Transparency
Six houses will be designed and constructed to various degrees of innovation and flexibility to allow the testing of different aspects of modern
methods of construction.
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BASF shares included in top sustainability
indexes such as DJSI World
BASF included in the Global 100 list
of the world’s most sustainable
companies for the 7th year running
The BASF House is the first to be completed. The build took just 25 weeks during a very wet and cold winter.
The project aims to stimulate sustainable design ideas and promote new ways of providing affordable, environmentally sustainable houses that are
innovative in their design.
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BASF is a member of the World Business
Council for Sustainable Development
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BASF as a founding
member of the UN Global
Compact
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Achieving the CODE and a ‘Passivhaus’
for the UK
The BASF House - UK Project
The key effect of the design criteria means the house has a compact floor area and relies as much as possible on passive solar design. In essence
the design is extremely simple. The house has highly insulated north, east and west walls with the minimum number of openings compatible with
Energy and Carbon Dioxide Emissions
acceptable daylight levels. The southern elevation consists of a fully glazed two-layer sun space. A number of different opening apertures of various
configurations ensure that both of the glazed screens to the sun space can be opened or closed to facilitate heating or cooling. The space will
Energy Efficient Design
contribute to heating by the admittance of solar gain and for air pumped into the building below ground in the winter to pre-heat the space. The
sun space will contribute to cooling by the admittance of pre-cooled air in the summer from below ground and by minimising the effects of solar
gain through enhanced natural ventilation utilising a stack effect, induced by creating a low-pressure zone above the mechanically opening vents
The collaboration between the School of the Built Environment at the University of Nottingham and BASF started as part of a research and
dissemination project which explored the application of the German ‘Passivhaus’ Standard to other countries in Europe. The success of the
below ridge level.
Passivhaus Institute in developing and implementing an approach to house design which is not only very energy efficient, but also meets
year-round comfort criteria, naturally led to the question of whether this is applicable in other countries and other climates.
From April 2008 every new residential property will require an Energy Performance Certificate for the Building Control Officer or Accredited
Inspector. This will include:
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The energy efficiency of the dwelling
The carbon emissions figure
The cost of lighting, heating and hot water per annum
Recommendations on ways to improve the home's energy efficiency
SIP’s first floor and roof uses
Elastopor® H and OSB.
Elastopor® H is a PU with
A “Cool” metal roof uses IR
excellent insulation credentials.
Corus-BASF Coatings and
reflective pigments to prevent
metal from over heating.
BASF Pigments.
In the UK, as part of the Creative Energy Homes Project at Nottingham University’s School of the Built Environment, BASF, helped by its customers
and partners, has built a house to demonstrate how BASF raw materials and products can be used to create an energy efficient and affordable
home. This house, whilst initially experimental, has been designed by Derek Trowell Architects to function as a conventional dwelling.
In designing the BASF House in Nottingham, BASF has taken into consideration a number of issues currently affecting the construction industry
and how these could be overcome:-
Energy Efficient and to have as near as possible Carbon Zero emissions
The total annual heating load is around 1200Wh which translates into 12.5kWh/m2. The house complies with the Passivhaus standards of
15kWh/m2 and can be called a 1.5l house. This demand will be met by a renewable source of energy: biomass.
Affordable and Economical Design
Materials selected to balance the cost of building an energy efficient house against the requirement to make the house affordable to
a first time buyer, based on whole life performance cost and energy use. Alternative and new methods of construction selected to ensure a fast
track build to speed up the house build process.
Address the issue of Shortage in Skilled Labour
Alternative methods of construction such as Insulated Concrete Formworks and Structural Insulated Panels were selected over
traditional brick and block work construction for a new source of labour.
Lack of Available Building Land
Ground Floor using ICF Neopor® blocks and concrete
Rheocell® ICF. the Neopor is an EPS containing graphite
which considerably enhances the insulative capacity.
The Rheocell® admixture enables a lower carbon
footprint concrete to be supplied and reduces the
demand for natural fine aggregate by more than 12%.
Micronal® Phase Change Material
combined in internal plasterboard
15mm depth giving the same
thermal mass as 9cm bricks or
12cm of concrete and provide
passive air cooling/heating.
The BASF Materials and Products selected in the project demonstrate the flexibility of alternative building materials designed to exceed
Code Level 4 and their suitability for semi-detached, multi-storey and terraced design.
Offer Heating and Cooling Solutions to ensure comfortable living
An affordable Ground Air Heat and Cooling Exchange system and renewable energy sources have been incorporated into the design to
provide an effective, affordable heat and cooling source. The careful design of the ventilation system of the house ensures that the house can
achieve comfortable temperatures naturally by combining solar gains, natural ventilation and thermal mass provided by a new phase change
material suitable for light-weight buildings. The energy use within the house is to be optimised by using WebBrick technology. This system will
allow the University to oversee and control the ventilation, heating, lighting, security and blinds remotely via the internet, or, from inside the
house. The house will be occupied by students as a living experiment to experience how comfortable life is within a house designed to
exceed code level 4.
Ground Floor Plan
Designed For Climate
Protection
First Floor Plan
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Ventilation
Internal Planning and
Flexible Space
Thermal Mass
Solar Shading
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Building Fabrics and Materials
The design of the house limits heat loss throughout the building. All materials have been responsibly sourced to ensure lower environmental impact
over their life cycle.
Solar Collection and Glazing
Windows
Solar Area
Practically 100% of the south facing façade and approximately 23%
of the whole north façade are windows (frame plus glass). There are
A unique solar area has been designed by REHAU and the project
design team to ensure the house benefits from the heat of the sun
no windows on the East and West elevations. This then enables the
house to be built also as a terrace or semi detached unit. REHAU
but prevents cool air from affecting the inside temperature.
and Astraseal have provided the structural glazing and windows for
the house.
To prevent overheating, the metal louvre system on the south
elevation provides summer time solar shading from the high summer
sun. Solar access is provided in the winter months.
The southern facing roof slope houses solar collectors, which will
provide around 80% of the house's hot water heating requirement.
The Porch
These have been provided by Hoval.
The use of a Biomass boiler will provide an additional heat source for
the house. This boiler requires a pellet store, which has been located
U-Values of Windows
in the small porch to the north elevation to allow deliveries from the
point closest to the access road. The single storey porch also creates
a buffer zone between the outside and the heated interior and
storage for bicycles.
South Elevation: Internal curtain wall (double glazed):
1.7 W/m2 oC
External curtain wall (double glazed):
2.7 W/m2 oC
Health and Well being: Daylight
North Elevation: Double Glazed windows: 1.66 W/m2 oC
The house has been designed to improve the quality of life in the
home by utilising good daylight. This also then cuts the energy
required to light the home.
U-Value of Walls
The walls and roof have a maximum U-Value of 0.15W/m2 oC
Key
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-
Pellet and Bike Store
Porch
WC
Dining
Study Landing
Sun Space
7 - Balcony
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BASF Insulation Solutions
Foundations
BASF is one of the largest suppliers of raw materials to the construction industry for insulation materials.
Roger Bullivant’s have supplied the sub-structure for the house using a new foundations solution called System First. This system uses driven steel
piles, topped off with pile caps cast into shuttering. These points are then spanned by lightweight steel formers that then carry a grid of shallower
Energy-saving homes with BASF technologies contribute worldwide to lowering CO2 emissions. BASF insulating materials such as Styropor,
Neopor, Styrodur C (XPS) and Elastopor H help to reduce energy consumption and conserve resources.
trays and Neopor insulation boards. In-situ concrete then completes a homogenous, load-bearing floor with excellent U-Values. Although this
system is no faster than a beam and block installation, there is no requirement for a crane or other mechanised lifting device as all the components
are low in weight.
The BASF expertise in Germany to use innovative materials to build homes according to energy efficient methods has been transferred to other
countries. From its own property company, LUWOGE and consultancy LUWOGE consult show homes in Germany, Italy, France, the United States
and South Korea demonstrate how energy and money can be saved in the long term. An appropriately improved insulation level, combined with
phase change materials is a simple, cost effective means of increasing comfort and drastically reducing the heating demand in cold countries and
the cooling demand in hot ones.
Roof and Walls
In order to minimise fabric and infiltration losses, high levels of insulation were selected for the house. This achieved a u-value of 0.15 for the walls
and roof respectively.
SIPS First floor and
roof using Elastopord H
ICF using Neopor®
Springvale Platinum Insulation
for additional insulation values
EPS Insulation
Neopor®, an expandable polystyrene (EPS), is the innovative refinement of the classic BASF invention for insulation
Ground Floor: ICF
and packaging, Styropor®. Foams made of Neopor® are silver-grey because they contain graphite, which
considerably enhance the insulating capacity. Foam manufacturers can save up to 50% raw material for the same
BASF Neopor® Insulating Concrete Formwork
lambda value and installers can work with panels that are 50% lighter in weight or up to 20% thinner.
is based on lightweight CFC-free expanded polystyrene moulded blocks made from BASF
Neopor. These blocks were assembled and supplied by Logix to create the shape of the
building, including window and door openings. The core was then filled with a pumpable
concrete which contains a specially formulated BASF concrete admixture; Rheocell ICF mix,
For the ground floor walls the BASF Neopor insulating concrete formwork (ICF) system,
supplied by Bardon Concrete.
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Nominal density 25kg/m3
Nominal thermal conductivity: 0.030 W/(m-K)
Once set, the concrete becomes a monolithic structure and the formwork remains in place
as thermal insulation, with U-Values ranging from 0.30 w/m≤k down to 0.11 w/m≤k, ideal
for zero energy buildings.
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Sustainable Concrete Solutions
BASF Rheocell ICF Mix
This new, pumpable ICF concrete mix enables a lower carbon footprint concrete to be supplied because it reduces the demand for natural fine
aggregate, such as sand by more than 12% over traditional concrete. This Rheocell ICF mix also improves the thermal and acoustic qualities of
First Floor: SIPS
Structural Insulated Panels
suitably designed concrete.
Elastogran
The keys to admixture sustainability:
The Elastogran Group is one of the worldwide leaders in polyurethanes (PU). As part of the BASF Group, we have over 40 years' experience in the
PU industry. Elastogran is the market and technology leader for polyurethane systems and polyurethane special elastomers, as well as the leading
BASF’s Construction Chemicals division is the leading supplier of chemical systems and formulations for the construction industry. Continuous
innovation and tailor-made solutions ensure its customers are more successful. Its Admixture Systems business unit provides a comprehensive
supplier of polyurethane basic products.
range of technologies which is backed up by expert consulting and professional services improving the quality, safety and economy of construction.
Elastopor H - Rigid Foam Systems
Ready mixed concrete has to fulfil a variety of requirements, depending on its end user, its field of application and the environment in which it is
placed. For producers, economical concrete production is vital, whereas contractors need concrete with long workability and easy placing
characteristics, and engineers are mainly concerned with high durability.
Elastopor H is a closed-cell polyurethane rigid foam used for many applications in the field of heat and cold protection due to its excellent
insulation properties.
This "made-to-measure insulant" boasts extremely low thermal conductivity levels matched by no other conventional insulant. Good mechanical
properties and excellent adhesion mean the material has a wide range of applications. Its insulation properties are very high even when thin.
Increased fluidity: reduces noise and energy requirements during placing
쮿 Auditable reductions in energy and therefore CO2 levels
쮿 Optimised mix design: reducing embodied carbon dioxide and energy by enhancing the effectiveness of the cement component
쮿 Reduced permeability: increases the durable life of the concrete with an associated long term environmental benefit
쮿 Reduced damage from harsh environments: including marine, freeze-thaw and sub-zero situations, giving longer life
쮿 Improved quality: better finish and reduced service life repair
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Air Tightness/Thermal Bridges
A common failing in housing is air leakage and cold bridges. The monolithic structure of ICFs provides a significant reduction of the number of
joints in a wall structure and requires simple detailing for windows and doors which significantly reduces the risk of air tightness failures.
Elastopor H systems are a significant component of multi-layer construction elements (known as sandwich panels) featuring a polyurethane
insulating core and diffusion-resistant metal coatings. These are used as facade or roofing elements in the building of cold stores, warehouses
and factory buildings as well as in the building of containers and vehicle super-structures. Sectional gate elements, doors and garage doors are
also produced with an insulating PU core. These metal composite elements are manufactured in continuous twin belt and intermittent
(press) production.
Elastopor H insulation elements with flexible coatings (e.g. aluminium, paper) are used in housing construction for sloping, flat-roof, cavity wall and
floor insulation. Elastopor H's excellent mechanical properties mean it can also be used in areas subject to pressure like parking decks, terraces
and roof gardens.
External Render Systems for ICFs
A prefabricated timber insulated sandwich panel containing rigid polyurethane foam insulation has been used on the house. This material has been
chosen because of its lightweight, high insulation factor and the ability to prefabricate off-site non-rectangular shapes i.e. to the gable walls.
The roof is constructed of the same material. This avoids the need for a separate roof structure, as one would need for a traditional build.
Since the integration of the RELIUS Group in early 2007, BASF Coatings has offered construction paints
for interior and exterior applications as well as external wall insulation systems in Europe.
The use of these materials creates a highly insulated and energy efficient quick to erect building envelope. For this project Elastogran customer
SIP Building Systems Ltd., manufactured these panels and SIP IT Scotland carried out the installation.
ICF’s are becoming increasingly popular for many projects due to the speed of construction, energy
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saving benefits, design versatility and sustainability. Relius Render Systems are ideal for application to
ICF structures.
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Reduced energy consumption
Lower energy bills
쮿 90 percent less air leakage than timber stick-framed structures
쮿 No thermal bridging or convection looping
Cement based, polymer modified, reinforcement layer incorporating fibreglass mesh for increased
crack resistance
Relius Silicone and Acrylic based finishing renders do not require over painting. They are vapour
permeable yet weather resistant
Relius Silicone and Acrylic renders are supplied with Relius Algosilan fungicide. Delays the onset of
algae growth on finishing renders
Relius Express grade silicone render allows application of finishing layer in temperatures from +1°C.
Relius Silicone and Acrylic renders are available in over 500 colours
Relius render systems have been applied to EPS substrates for over 30 years and offer proven
performance with many millions of square metres completed
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Air Leakage Testing
The new Part L1A Regulations came into effect on 7 April 2006 and concentrates on the Conservation of Fuel and Power within New Dwellings.
All new dwellings will require an Airtightness Test to achieve the standard. During the design stage a great deal of attention was given to the details
ensuring high-quality finishing, air-tightness and avoidance of heat loss through thermal bridges.
Thermal modelling by the University of Nottingham and Energist highlighted sections of the building which could be susceptible to air tightness
failings. To prevent this from happening additional preventative measures were undertaken on the first floor to address this.
Additional Insulation
Springvale Platinum EPS Insulation
An additional layer of insulation was added internally to the SIPs panels and internally and externally to the ICF to
ensure a U-Value of 0.15 was achieved. Springvale Platinum EPS insulation was used to do this. The product
used here was similar to the ground floor foundations, where eight cubic metres of Springvale Platinum
Floorshield EPS 120 high-grade insulation had already been used at 120mm thickness to provide high levels of
thermal performance.
Springvale Platinum is a rigid, light-weight insulation board with a closed cell structure that incorporates BASF’s
Neopor® graphite component, enabling it to deliver high insulation values. The product is supplied in various
grades, depending on the compressive strength requirements and in standard board sizes of 1200 x 2400mm.
Springvale Platinum is manufactured without the use of CFC’s or HCFC’s. It has zero ODP (Ozone Depletion
Potential) and zero GWP (Global Warming Potential). Using the BRE environmental profiling system, Platinum
scores as few as 0.043 Ecopoints over a 60 year lifespan. For the upper storeys, this was then overclad with
Knauf's Futurepanel with SmartBoard® installed in all south facing rooms' ceilings.
PCI Pecidur®
Within the bathroom area, PCI Pecidur® tile backer boards were used instead of Neopor® on the SIPs sloping ceiling panels & walls as a waterproof
and insulating solution. This additional insulation was required to achieve a higher U-Value and ensure airtightness was maintained.
As part of the BASF group PCI are specified throughout sports, leisure, housing, retail and health care facilities for tiling and contract flooring
solutions whether traditional methods of construction or offsite modular build techniques are applied.
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Cladding and Roofing
Phase Change Materials
PLASTICERAM
Micronal PCM and SmartBoard™
Now that all new builds have to be highly insulated to meet the code for sustainable homes,
The first floor and roof required a lightweight, durable, waterproof cladding. Colorcoat Urban by Corus was selected. When used in conjunction
with Confidex Sustain™ it provides the world’s first "cradle to cradle" Carbon Neutral building envelope. Standing seam steel clad roofing, whilst
the energy cost for cooling these houses down is of great concern.
not particularly common in housing in the United Kingdom, is widely used elsewhere in Europe and the USA and is similar in many ways to
traditional lead rolled roofing.
To overcome this issue, SmartBoard™ a Micronal phase change material modified plasterboard
has been used internally within the BASF house to help regulate the temperature. Incorporating
BASF’s PCM materials into the design is a new way to reduce heat build up in properties
providing in this way an alternative solution to using air conditioning.
Solar Heat Management
The low carbon Colorcoat Urban roof from Corus features a BASF Coil Coating infused with specially selected BASF pigments that have solar
heat reflective properties which can contribute to reducing any local environmental heat island effect, a growing problem in urban areas particularly
highlighted by the Greater London Authority.
Traditional roofing materials absorb solar energy, generating heat that is transported by thermal conduction into the roof and by convection to the
surrounding air. Due to the reflective properties of the roof, the BASF House absorbs less solar energy so less heat is available to be released when
the temperature drops, which can affect local micro-climates.
The project at Nottingham is one of the first UK applications of a coated roof using heat management pigments on a single dwelling domestic
property. The system uses a new enhanced version of BASF’s Coil Coating, PLASTICERAM. The new coating features superb UV durability and
corrosion protection as well as offering solar reflective capability. Using their in-house developed computer program, CoolSim, BASF calculates
the best combination of pigments to add to a chosen paint colour to maximise solar reflection.
A terracotta colour has been used at the Creative Energy Homes Project site, in keeping with the traditional roofing tile used in the area. However,
in response to the demand for a matt colour range suitable for the urban environment. BASF Coil Coatings and Corus have developed a range of
different matt colours that open up new possibilities in urban building design and aesthetics.
Microscopically small polymer spheres contain in their core a storage medium of waxes.
On heating and cooling, the wax in the reservoir capsules melts and solidifies, respectively. When
the temperature rises, the phase changing materials absorb heat. When the temperature falls,
they emit heat. During the phase change, the temperature remains constant. This stored heat
which is ‘concealed’ in the phase change is known as latent heat. It is a reversible process which
occurs within the melting range of the wax.
A building material modified with Micronal® PCM is capable of providing an active temperature
management. Typically, it keeps the air temperature in office spaces and living rooms almost
constant at the melting point level throughout the period of phase change. Nature, through it’s
day to night temperature differential, ensures a cycle sequence of ‘melt and solidify’. Day-time
peak temperatures are lessened, with low night-time temperatures used to dissipate heat from
the building through pervading the room with night-air, at no charge.
Once the room temperature rises to above melting temperature the microcapsules begin their
‘work’. Surplus heat is dissipated into the ceiling to be stored there. As a consequence, temperature peaks are cut off, thus ensuring a more
uniform room temperature. SmartBoard™ is available in the UK through Knauf at two switching temperatures of 230c and 260c. Smartboard™ 230c
was used in the ceiling of the south facing rooms in the BASF house.
With a U-Value of only 0.15, the low carbon environmental credentials of the roof are backed by Corus who can provide full traceability and
composition information for all elements of the material and system. Even when compared to using eco-concrete roof tiles, specifying a
Colourcoat Urban roof saved almost 2 tons of CO2. The roof is BS6920 approved, drinking water safe, contains 20% recycled content, is 100%
recyclable and has a 40 year BBA certificate.
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Materials: Finishing Elements
The BASF product portfolio ranges from chemical, plastics, performance products, agricultural products and fine chemicals to crude oil and
natural gas. As a reliable partner to virtually all industries, BASF’s intelligent system solutions and high-value products help its customers to be
more successful. BASF develops new technologies and uses them to open up additional market opportunities. It combines economic success
with environmental protection and social responsibility, thus contributing to a better future.
By working with these BASF divisions the design team has been able to specify a range of materials for the house which have
been responsibly sourced.
Plasterboard – Futurepanel
The plasterboard for the house was supplied by Knauf. Their new Futurepanel was specified throughout the house because it is the industry’s first
Carbon Neutral Plasterboard. The Knauf Futurepanel combines excellent sound and fire resistance with ‘green’ credentials that are a positive
response to the government’s Code for Sustainable Homes. Knauf Futurepanel is a premium plasterboard with a core made from at least 10%
recycled gypsum and the rest from the most sustainable sources available. The liners are made from 100% recycled paper. Knauf Futurepanel is a
10kg/m2 board and can be substituted for standard wallboard in partition and lining specifications, giving identical or better system performance.
Timber
The softwood timbers used in the house have been treated with Wolsit KD20, a wholly organic wood preservative from Dr Wolman GmbH.
Wolman has been at the forefront of development in industrial wood preservation since its creation by Dr Karl Heinrich Wolman more than a
century ago. The timber was treated by Harlow Brothers in the double-vacuum process. This process injects preservative into an envelope of
protection around each component and results in service lives of many decades by protecting against attack from xylophagous insects and fungi.
Stairs
Kloepping TSS were selected to provide the bespoke stairs, oak supporting beams and the balconies balustrades within the house.
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External and Internal Doors
Tiling
The house also includes thermally efficient, engineered timber, external doors manufactured by
Manse Masterdor Ltd. and Leaderflush Shapland interior door frames, both of which use BASF’s
As part of the BASF group, PCI has provided the complete specification for all tiling and contract flooring requirements within the BASF House. Key
requirements in product selection were sustainability and affordability. As a result, affordable tiles were sourced locally from the Nottingham branch
PermaSkin coating system. PermaSkin is a new and unique system for finishing of three dimensional timber products using a weatherable, high
performance thermoplastic film. This cost effective system produces a long life, maintenance free finish in a single step and retains the original
of East Midlands Ceramics, natural stone was sourced from a local quarry and a local tiler & flooring contractor were used.
appearance of the wood grain.
PCI also supplied grouts and adhesives for the tiling for the ground floor’s downstairs toilet, kitchen and solar area. PCI Nanolight was used
extensively in the project because of its high yield and coverage.
Styles
Based on Luran S materials used in external applications for over 30 years, the polymer ASA used in Permaskin provides very high resistance to
weathering and discolouration.
Flooring
Prefabrication
Manse Masterdor door sets are prefabricated with a tailored fit made before arrival to site.
BASF's technologies for flooring also extended into the upstairs bedroom carpets with a 100% BASF granulate Polyamide carpet being supplied by
Balta Industries. This was chosen because of its low maintenance and cleanability. The ground floor flooring was supplied by BASF's customers
Secured by Design
Polyflor and entrance matting by Bonar Floors. All of which were fixed using PCI flooring adhesives and levellers and selected for their fast
installation, affordability and low maintenance costs.
Manse Masterdor Ltd. provides the largest range of Secured by Design door sets on the market, as well as the Masterdor double door. Masterdor
exceeds PAS23/24 Bsi tests, meet the requirements of Part M of the building regulations, and fire check versions have also been successfully
tested to BS476 Part 22.
Airtight
Kitchen
The Manse Masterdor door set consistently achieves the highest exposure category in testing, showing it is one of the most airtight door sets on
the market.
Paula Rosa cabinets and worktops were selected for the kitchen. Paula Rosa is currently working towards ISO14001 accreditation.
Renewable Timber
The Manse Masterdor is also engineered from renewable timber material, which utilises converted coppiced cropwood, specifically grown for this
purpose in managed forests. All timber used in Masterdor construction conforms to L.A.21 sustainability requirements.
The kitchen cabinets are made from melamine faced chipboard with dowel and glue pressed construction in a “Lean Manufacturing” environment.
All the chipboard used carries FSC certification. This type of kitchen was selected because it makes use of timber and wood trimmings and waste
not otherwise useable. The drawer system is guaranteed for life of the kitchen and is recyclable energy and water efficient kitchen appliances were
supplied by Beko.
Access for All
To consider the main recommendations of the DDA and requirements of the Approved Document M (2004 edition) and BS8300:2001
in relation to access systems, the Manse Masterdor door solutions where chosen to ensure access for disabled people.
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Low to Zero Carbon (LZC) Technologies
To reduce carbon emissions and atmospheric pollution by encouraging local energy generation from renewable sources to supply a significant
proportion of the energy demand.
Heating and Cooling
Meeting the Code for Sustainable Homes level 6 relies upon the use of renewable technologies to produce energy to power, heat and cool
new build houses.
From the outset of the BASF house project it was recognised that a limited amount of renewable technologies would be incorporated into the
design. This approach has demonstrated that a typical 20 homes development, based upon the BASF design, can be built for £70,000. This
provides specifiers and housebuilders with a realistic airtight, thermal efficient building which exceeds code level 4 at an affordable build cost.
Ground-Air Heat Exchanger
One of BASF’s key partners in the project is REHAU who are supplied their Awadukt Thermo® ground-air heat exchanger system for controlled
ventilation. Fresh air is drawn through an underground network of pipes and is then either pre-heated in the winter or pre-cooled in the summer by
exploiting the energy stored in the ground.
REHAU has developed the first ground to air heat exchanger with an antimicrobial inner layer which, as well as saving both costs and energy, will
ensure a considerable improvement to the quality of air.
Biomass Boiler
The BASF House will be thermally efficient, using its passive house design to provide heat, but a biomass stove has been installed to ensure the
comfort of the occupants. This will also provide an additional hot water supply on winter days. This system will allow the University of Nottingham
to carry out research into this field.
The advantages of using locally grown biomass as feedstocks in domestic heating are very important. The BASF House will be using a boiler
which runs on renewable energy from the waste meal of rape seed. This will be added to the the boiler on a regular basis to provide top up heat
for the residents. The Baxi boiler can also run on a variety of different fuel sources allowing the houseowner to choose the most cost effective fuel
at the time. A suitable multi-heat flue was supplied and installed by Dunbrik Flues.
Solar Power
Solar power will provide up to 80% of the hot water using Hoval’s Solkit® solar system with its revolutionary LowFlow technology.
This is a compact system for solar-powered DHW generation. It is combined with solar collectors which are suitable for all roof types or for wall
mounting. Available with either 250 or 470 litre DHW capacity.
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Water Conservation and Rainwater
Harvesting System
Hertel’s crew excavated the ground to the front left of the BASF plot to enable REHAU's Raurain Rainwater collection tank to be lowered into place.
The REHAU Raurain rainwater harvesting system will enable rainwater to be collected from the BASF House's roof, stored and pumped back into the
Bio Diversity
BASF has led the way for a Bio Diverse strategy for the whole of the creative homes project. By teaming up with BASF's Sustainability Manager,
University of Nottingham and landscape designer Sarah Hawkins, measures have been put in place to encourage the promotion of Bio Diversity
within the grounds. These measures will be implemented during 2008. These will include solutions for composting, use of mulches, letting part of
the area go wild, selecting plants to conserve and harvest water, encourage wildlife, birds and beneficial insects to the gardens. Good planting
conditions are essential to establish plant growth. Planting is to take place in the spring. The concept of an allotment area has also been proposed
for the site.
house to be used instead of drinking water for the machine washing of clothes, flushing of toilets, household cleaning and watering of the garden.
Used this way, rainwater not only saves valuable drinking water but cuts bills too.
A person living in the UK consumes on average 130 litres of potable (drinking quality) water each day. Of this 130 litres of water used over 50% is
used in applications where drinding water quality is not necessary:
Waste Management
With the introduction of the Pre-treatment of Non-Hazardous Waste Regulations 2007, it is now a legal requirement for all UK businesses to
demonstrate that they are segregating recyclable materials from their waste prior to landfill.
Household Waste Storage and Recycling Facilities
Veolia Environmental Services have been servicing the University of Nottingham for several years. During this time they have made significant
improvements to recycling activities at the University, introducing various different initiatives and campaigns to raise awareness at the University.
These facilities will be extended to those homes used within the Creative Homes Project. All houses have an adequate internal and external storage
space for household and recycling waste in accordance with the criteria set out in the Code for Sustainable Homes.
Construction Site Waste Management
A site waste management plan was produced and implemented for the BASF House site. Veolia Environmental Services were the appointed
licensed external contractor.
Minimising Construction Waste
Appropriate measures were put in place to sort, re-use and recycle construction waste.
ICF and SIPS materials were specified for the house because they promote resource effiency. By using these materials instead of traditional bricks
and blocks has significantly reduced the amount of waste generated on site.
Composting
Home composting facilities have been provided for in the garden of the house.
House Management
Home User Guide
To encourage the home owner/occupier to understand and operate their home efficiently and to make the best use of local facilities,
BASF have created a Home User Guide.
Considerate Constructors Scheme
Best practice site management principles were adopted on site. Many of the contractors used on site were certified under the Considerate
Constructors Scheme or other locally or nationally recognised schemes.
Permeable Paving
Putting safety first Hertel were selected to supply and manage the scaffolding and electrical programme for the BASF site project. Hertel combines
a large number of activities for its clients by capturing best practices, utilising resources better and driving improvements through multi-discipline
and multi-site contracts. At the BASF Seal Sands production plant, Hertel's full range of project, maintenance and support services have been
used because of the outstanding service which they provide. For this reason they have been used on the BASF House project.
Construction Site Impacts
Site management procedures were put in place to monitor, report and set targets to mitigate environmental impact.
Water entry, infiltration speed and rainfall intensity, duration and frequency have had a great bearing upon the type of SUDS required for the house.
Aggregate Industries' Rainwater Harvesting System utilises both hard and soft surfaces for collecting and storing rainwater that would otherwise have
gone into the drainage system, into the ground or be lost to the atmosphere through evaporation. A variety of solutions are available from Aggregate
Industries and are being demonstrated around the house. These include a new permeable concrete solution from Bardon Concrete and BASF
Admixtures Division.
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Selection of Suppliers and Partners
To balance the choice of materials, colour and composition of the house with the need to fulfil a challenging brief the selection of suppliers and
partners was fundamental to the success of the project. By being aware of new technologies and science available the BASF house has been built
using suppliers and partners who are experts and innovators in their field.
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Energy Efficiency and Monitoring
The house will initially be occupied by University staff or students and carefully monitored, but it has been designed to function as a conventional
dwelling. This real life experiment will provide the University of Nottingham, BASF and industry with vital data on the advantages and disadvantages
of living in an airtight, highly insulated structure.
To meet the low budget remit, a completely different approach was
required from the more traditional systems, where cost of entry is
prohibitive.
The WebBrick system was chosen for its affordability, flexibility,
expandability and future integrity, and provides benefits that developers,
home owners, University research groups and other building system
manufacturers truly value as each extend their experimental research into
Eco-homes.
The WebBrick system currently oversees and controls the ventilation,
heating, lighting, security, and blinds. It can additionally interface with the
entertainment systems but in this particular house this was not
considered essential at the outset.
Smart meters have been installed to measure the use of resources in the
house, i.e. electricity and water, with the data being presented on a touch
screen panel mounted in the kitchen. This same touch screen also provides
a user interface with a menu of options for controlling the home. Similarly
home PC’s, office PC’s and many ‘off the shelf’ internet gadgets like smart
phones, PDA’s and internet phones can be used to securely control and
monitor the Eco-house from inside, or indeed anywhere in the world.
Elsewhere the house lighting system, which includes mains power battery
backup, maximises the use of low energy, low voltage LED
(light emitting diode) lighting technology.
kWh/m2
Annual Heating Demand
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Standard
Building Regs
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Higher limit for
PassivHaus
Germany
BASF House
(predicted)
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Supplier and Partners
Key Partners:
Partner:
Key Supplier:
Harlow Bros Ltd
Supplier:
BASF Group Registered Trade Marks
BASF SE
Neopor
BASF Coatings AG
Plasticeram
Styropor
Styrodur C
Permaskin
Elastogran GmbH
Elastopor H
Luran S
Coolsim
PCI Augsburg GmbH
Pecidur
Micronal PCM
Nanolight
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Image courtesy of Derek Trowell Architects
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BASF plc
PO Box 4
Earl Road
Cheadle Hulme
Cheadle
Cheshire
SK8 6QG
Tel: 0161 485 5323
Fax: 0161 485 5487
www.house.basf.co.uk
www.energyefficiency.basf.com
www.basf.de/sustainability
www.luwoge.de
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„Wirklich innovative Lösungen“
Energieeffizienz durch Innovationen –
Bauen und Wohnen mit der LUWOGE
LUWOGE
Das Wohnungsunternehmen der BASF
www.luwoge.de
Innovationen, die bewegen
Energie aus Luft und Wasserstoff
Dämmen macht´s möglich
Immer saubere und gesunde Luft
– Brennstoffzelle –
– Neopor® –
– Kontrollierte Lüftung mit –
Wärmerückgewinnung
Das 3-Liter-Haus besitzt eine der fortschrittlichsten Varianten der Energieerzeugung: eine Brennstoffzelle. In ihr
wird die chemisch gebundene Energie eines Brennstoffes in Nutzenergie
umgewandelt. Die Stromerzeugung
in der erdgasbetriebenen Brennstoffzelle geschieht bei der elektrochemischen Reaktion zwischen
Wasserstoff und Luftsauerstoff. Die
Strom- und Wärmegrundversorgung
ist daher über die Brennstoffzelle viel
effizienter und mit deutlich geringeren Emissionen verbunden. Die Bewohner des 3-Liter-Hauses beziehen
Strom und Warmwasser direkt vor
Ort aus diesem Mini-Kraftwerk. Benötigt das Haus mehr Energie, als die
Brennstoffzelle liefern kann, wird diese durch einen Heizkessel oder das
öffentliche Stromnetz bereitgestellt.
Überschüssiger Strom wird wiederum in das Netz eingespeist.
Energie und Kosten sparen und
gleichzeitig den CO2-Ausstoß reduzieren: Das macht ein spezieller
Dämmstoff möglich: Neopor®. Der
BASF-Werkstoff ist eine Weiterentwicklung von Styropor®. Neopor®
enthält mikroskopisch kleine Grafitplättchen. Diese reflektieren und
absorbieren die Wärmestrahlung
und setzen die Wärmeleitfähigkeit
herab. Der Effekt: Die silbergraue
Neopor®-Platte dämmt mit einem
deutlich geringeren Rohstoffeinsatz
genau so gut, wie eine doppelt so
schwere Platte aus Styropor®. Damit
ergeben sich für Umwelt und auch
Bauherr Vorteile: Mit einer Tonne
Neopor® können beispielsweise im
3-Liter-Haus 1.260 Liter Heizöl pro
Jahr eingespart werden.
Alle Räume der Energiesparhäuser
werden durch eine kontrollierte Lüftung optimal be- und entlüftet. Die
Lüftungsanlage saugt die verbrauchte Wohnungsluft aus Küche und Bad
ab und führt sie über einen Wärmetauscher. Der überträgt bis zu 85 Prozent der Wärme auf die Frischluft, die
dann wohltemperiert in Wohn- und
Schlafzimmer strömt. Vorteil: 85 Prozent der Abluftwärme verbleiben im
Haus, gesunde Raumluft wird kontinuierlich frisch und gefiltert zugeführt
und Schadstoffe werden beständig
abgeführt.
Im Winter warm, im Sommer kühl
Fenster halten dicht
Rühren, fertig, los
– PCM-Material –
– Dreifach-Wärmeschutzverglasung –
– XfastTM –
Baustoffe mit PCM (Phase Change
Materials = Phasenwechselmaterialien, Latentwärmespeicher) sorgen für
einen aktiven Temperaturausgleich.
Mit diesem physikalischen Kniff können Baustoffe Wärme jetzt zusätzlich
latent speichern: Die mikroskopisch
kleinen Kunststoffkügelchen enthalten in ihrem Kern ein Speichermedium aus Wachs. Die kleinen Wachskügelchen nehmen im Sommer bei
großer Hitze die Wärme auf und
geben sie verzögert wieder ab. Der
Effekt: An heißen Tagen bleibt die
Wohnung länger angenehm kühl.
Ein Wandputz, der beispielsweise
zu einem Drittel mit PCM versehen
ist, hat in dem für den Wohnbereich
entscheidenden Temperaturbereich
(22 bis 26°C) die gleiche wärmespeichernde Wirkung, wie eine 20 Zentimeter dicke Ziegelwand.
Die Fenster der Energiesparhäuser
und dem Dienstleistungs- und Servicecenter sind gleich dreifach verglast, die Kunststoffrahmen mit einem Dämmkern ausgestattet, der
optimal isoliert. Zwischen den Scheiben sorgt Edelgas für einen idealen
Wärmeschutz. Zum Vergleich: Durch
ein einfach verglastes Fenster entweicht rund die fünffache Menge an
Wärme.
Mit Stir-in-Pigmenten namens XfastTM
erleichtert die BASF ihren Kunden in
der Farben- und Lackindustrie die
Arbeit deutlich: Sie bekommen jetzt
Pigmente, die bereits gebrauchsfähig sind. Herkömmliche Pigmente
können nicht einfach in den Weißbinder – die Grundsubstanz einer
Anstrichfarbe – eingerührt werden.
Wegen seiner feinen, staubigen
Konsistenz würde das Pigmentpulver zusammenklumpen wie Mehl
in der Soße. Deshalb muss es in
einem aufwändigen Verfahren „angerieben“ werden: Mit Wasser und
weiteren Additiven wird in einem
Mahlverfahren eine Paste erzeugt,
die dann erst zu einer Anstrichfarbe oder einem Lack weiterverarbeitet werden kann. XfastTM macht
jetzt alles leichter. Die mediterranen
XfastTM-Farben, angebracht an den
1-Liter-Stadtreihenhäusern, bringen ein
farbenfrohes Flair in das Brunckviertel.
Innendämmung in
der Altbausanierung
Die LUWOGE hat erstmalig mit dem
BASF-Schaumstoff Neopor® in einem
freistehenden Wohnhaus in Ludwigshafen eine Innendämmung realisiert.
Ergebnis: Das über 100 Jahre alte
Meisterhaus verbraucht nur noch
sechs Liter Heizöl pro Quadratmeter
und Jahr Primärenergie für Heizung
und Warmwasser. Dadurch hat sich
der Energiebedarf um bis zu 80 Prozent reduziert.
Der niedrige Energieverbrauch wird
dadurch erreicht, dass Wände, Dach
und Keller mit Neopor® gedämmt sind.
Weitere wichtige Bausteine des Modernisierungskonzepts sind dreifach
verglaste Kunststoff-Fenster mit Edelgasfüllung, eine ausgeklügelte Lüftungsanlage mit 80 Prozent Wärmerückgewinnung und Solarkollektoren
zur Unterstützung der Warmwassererzeugung. Zudem werden im Dachgeschoss Micronal® PCM Gipsbauplatten eingesetzt, um das Haus im
Sommer zu kühlen. Der Vorteil: Zwei
Zentimeter PCM Gipsbauplatte entsprechen rund neun Zentimeter massivem Mauerwerk.
Das Doppelhaus aus dem Jahr 1892
ist Teil der ältesten Ludwigshafener
BASF-Werkssiedlung „Alte Kolonie“
in unmittelbarer Nähe des Werksgeländes. Mit der Maßnahme nimmt die
LUWOGE am bundesweiten Pilotprojekt „Niedrigenergiehaus im Bestand“
der Deutschen Energie-Agentur (dena)
teil, um Hauseigentümern und der
Baubranche ein Beispiel zu geben,
einen Altbau mit Innendämmung zu
modernisieren.
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Neue Wege in der
Stadtentwicklung
Mit dem Brunckviertel hat die LUWOGE
einen ganzen Stadtteil modernisiert.
Vorzeigeprojekte wie das Brunckviertel tragen dazu bei, innerstädtische
Wohngebiete zu stärken und aufzuwerten. Gemeinsam erarbeiteten das
Wohnungsunternehmen, die Stadt
Ludwigshafen und das Land Rheinland-Pfalz 1997 das Konzept. Es umfasste neben der energetischen Modernisierung vieler Altbauten auch den
Abriss und Neubau von Wohnungen.
Darüber hinaus legte die LUWOGE
neue Grünanlagen an und beruhigte das Wohngebiet mit einem eigenen Verkehrskonzept. So wurde die
Wohnqualität nachhaltig verbessert.
Im Brunckviertel zeigt die LUWOGE
ihre technische Kompetenz in Verbindung mit dem Einsatz von innovativen
BASF-Produkten. Beispiele hierfür
sind die 1-Liter-Stadtreihenhäuser,
Heizenergieverbrauch
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CO2-Emission
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Heizkostenverbrauch
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das Dienstleistungs- und Servicecenter und europaweit das erste 3-LiterHaus in der Altbaumodernisierung. In
den modernisierten Wohneinheiten
der BASF-Werkssiedlung liegt der
Heizwärmebedarf im Schnitt bei fünf
Litern pro Quadratmeter und Jahr.
Zusammen mit den Neubauten reduzieren sich Energieverbrauch und
CO2-Emissionen für das gesamte
Wohngebiet um 80 Prozent.
Verbrauch und Energievergleich am Beispiel einer ölbeheizten
100 m2 Wohnung –
berechnet auf ein Jahr
Prima Klima: Ausgeklügeltes
Energie- und Lüftungskonzept
4.000 von 7.500 Quadratmeter Außenfassade des Dienstleistungs- und
Servicecenters sind verglast. Die ansprechende Optik des Hauses ist Resultat eines überregionalen Architekturwettbewerbs. Das dreigeschossige
Bürogebäude dient als Schallschutz für
das dahinterliegende Wohngebiet, das
Brunckviertel. Transparente Treppenund Eingangsbereiche unterbrechen
optisch die Gestaltung der Gebäudefront und geben den Blick auf die dahinter
liegenden Grünflächen und Gärten frei.
Einzigartig am Gebäude ist das Energie- und Lüftungskonzept – eine Kombination aus Erdkanal, Erdabsorber,
Bauteilkühlung und Lüftung. Auf eine
konventionelle Klimaanlage kann verzichtet werden.
Be- und Entlüftung der Büroflächen
und der Kundenhalle funktioniert über
die Nutzung der Erdwärme/-kälte
durch einen Erdkanal. Sommer wie
Winter herrscht in der Erde eine Temperatur von 12° bis 15°C. Frische Luft
wird aus dem Grünbereich angesaugt
und über einen drei Meter tiefen Betonkanal im Erdreich zum Bürokomplex geleitet. Die natürlich temperierte
Luft strömt über Steigschächte und
Lüftungsrohre in die einzelnen Stockwerke und gelangt über Bodenauslässe in die Räume. Die Abluft verlässt
die Büroräume über Lüftungsgitter in
der Fassade.
Auch die Beheizung bzw. Kühlung der
Räume erfolgt über ein besonderes
System. Unter dem Gebäude verlau-
fen Rohrschlangen, durch die warmes
bzw. kaltes Wasser bis in die Decke
gepumpt wird. Der Wasserkreislauf
gibt die Wärme/Kühlung an die Räume ab.
Ein erhöhter Wärmeschutz der Fassade
sorgt für eine Verringerung des Heizwärmebedarfs um rund 20 Prozent.
1-Liter-Stadtreihenhäuser: Technik
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Das 1-Liter-Haus –
Cleverness
zahlt sich aus
Die LUWOGE hat im Brunckviertel
46 Mietwohnungen im Reihenhausstil neu gebaut. Das Besondere:
Durch die umfassende Gebäudedämmung mit einer Plattendicke
von mindestens 30 Zentimeter
Neopor® der BASF liegt der Heizwärmeverbrauch durchschnittlich bei
umgerechnet nur einem Liter Heizöl
pro Quadratmeter und Jahr.
Zur Verbesserung des Wärmeschutzes wurden dreifach verglaste
Kunststoff-Fenster mit Edelgasfüllung
eingesetzt. Ein spezielles Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung sorgt für
Frischluft, ohne dass durch zu häufiges
Fensteröffnen die Wärme verloren geht.
Insgesamt lassen sich durch diese kontrollierte Lüftung rund 85 Prozent der
Wärme rückführen. Der Vorteil: Auf eine
konventionelle Heizung kann verzichtet
werden. Nur bei extrem niedrigen Außentemperaturen unterstützt ein zentrales
Blockheizkraftwerk die Erwärmung der
frischen Luft. Das Kleinkraftwerk dient
ansonsten der Warmwasserbereitung
und Stromversorgung.
Das 3-Liter-Haus –
die Zukunft hat begonnen
Auf den ersten Blick nur ein ganz
normales Mietshaus, doch steckt
das 3-Liter-Haus voller technischer
Raffinessen und innovativer Ideen.
Bei der Modernisierung des Altbaus ist Neopor® das wesentliche
Erfolgselement. Die umfassende
Dämmung der Gebäudehülle mit
Neopor ® führt dazu, dass nur noch
drei Liter Heizöl pro Quadratmeter
und Jahr für die Beheizung des
rundum modernisierten Gebäudes
verbraucht werden. Unterstützt wird
dieser Effekt durch dreifach verglaste Kunststoff-Fenster und eine Lüftungsanlage mit 85-prozentiger Wärmerückgewinnung. Alle Maßnahmen
senken die Heizosten beispielsweise
bei einer 100-Quadratmeter-Wohnung
von jährlich 1.400 auf 200 Euro. Die
Mieter zahlen deshalb eine Warmmiete. Die erfolgreich durchgeführte Alt-
baumodernisierung in Ludwigshafen
führte zu dem Vorschlag des Rates
für Nachhaltige Entwicklung, in allen
Bundesländern Leuchtturmprojekte
für eine beispielgebende Altbaumodernisierung durchzuführen. Dieser
Vorschlag wird mit Unterstützung
durch die BASF von der Deutschen
Energie-Agentur (dena) federführend
in dem Projekt „Niedrigenergiehaus
im Bestand“ umgesetzt.
Messergebnisse
des Pilotprojekts
Ein umfangreiches Messprogramm
begleitete das im April 2001 fertig
gestellte 3-Liter-Haus. Vor und nach
der Sanierung wurden thermographische Untersuchungen durchgeführt,
des Weiteren wurde im Haus ein kontinuierlich arbeitendes Messsystem
eingebaut. Folgende Ergebnisse lieferten die wissenschaftlichen Untersuchungen über drei Jahre:
Das Planungsziel – ein Verbrauch
von durchschnittlich drei Litern Heizöl pro Quadratmeter und Jahr – ist
mehr als erreicht: Der Verbrauch lag
in den Jahren 2001 bis 2004 bei einem mittleren Wert von nur 2,6 Litern
Heizöl.
Modernisierung 3-Liter-Haus
Der hohe Wärmeschutz durch Neopor®-Dämmung bringt speziell im
Winter ein behagliches Raumklima.
Bei der Brennstoffzelle, die erstmalig in einem modernisierten Wohnhaus eingesetzt wurde, erreichten
die Zellstapel eine durchschnittliche
Standzeit von zirka 10.000 Stunden
(Anfangswert: 2.000 Stunden). Die
Anlage läuft vollautomatisch und ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb.
Dies ist ein entscheidender Faktor für
einen erfolgreichen Markteintritt und
den breiten Einsatz von Brennstoffzellen.
Das 3-Liter-Haus hat eine sehr gute
Luftqualität. Diese ist auf den kontrollierten und permanenten Luftwechsel durch die Lüftungsanlage
zurückzuführen. Dabei wird über die
Wärmerückgewinnung aus der Abluft die Zuluft so stark erwärmt, dass
ein Nachheizen kaum noch nötig ist.
Dies wirkt sich positiv auf den Heizenergieverbrauch aus.
Innovative Bausteine beim 3-Liter-Haus
LUWOGE
Das Wohnungsunternehmen der BASF
www.luwoge.de
Themeninfo I /2009
Energieforschung kompakt
Latentwärmespeicher
in Gebäuden
Wärme und Kälte kompakt
und bedarfsgerecht speichern
Ein Service von FIZ Karlsruhe
2
BINE themeninfo I/2009
„“
Zur Sache
Lässt sich Wärme – oder Kälte – direkt in Wänden und Decken speichern? Kann man
Wärme exakt auf dem Temperaturniveau speichern, auf dem sie später genutzt werden
soll? Und lässt sich der Wärmespeichereffekt zeitlich und in seiner Intensität dosieren?
Die Antwort lautet eindeutig: Ja – mit Materialien, die Wärme latent speichern, das heißt
auf einem definierten Temperaturniveau und in hoher „Konzentration“. Der englische Begriff
Phase Change Materials – kurz: PCM – deutet an, dass es eine Vielzahl von Materialien für
unterschiedliche Temperaturbereiche gibt, mit denen das Wärmemanagement in Gebäuden
individuell auf die jeweiligen Anforderungen zugeschnitten werden kann.
Ein Blick in die Vergangenheit zeigt, dass das Thema Latentwärmespeicher nicht neu ist.
Wasser ist bei 0 °C ein klassischer Latentwärmespeicher, der bereits seit vielen Jahren in
der Kältetechnik eingesetzt wird. Als Alternative zu den traditionellen Warmwasserspeichern sollten Latentwärmespeicher bereits vor vielen Jahren in die Heizungstechnik
eingeführt werden, um das Wärmespeichervermögen deutlich zu erhöhen. Neu ist allerdings die Idee, Phase Change Materials flächig in Wände und Decken zu integrieren. Das
Wärmemanagement bzw. die angestrebte Stabilisierung der Raumtemperaturen funktioniert weitgehend passiv, wenn für das nächtliche Abführen der Wärme per Nachtlüftung
gesorgt wird. PCM lassen sich auch sehr gut in thermoaktive Bauteilsysteme integrieren.
So erhält man aktive Systeme, mit denen das Wärmemanagement nach Wunsch gesteuert
werden kann. Aufgrund der geringen Temperaturdifferenzen beim Heizen und Kühlen
werden Niedrig-Exergie-Systeme realisierbar, die sich durch einen besonders effizienten
Umgang mit den Energieressourcen auszeichnen.
Niedrig-Exergie-Systeme und -Technologien stehen im Fokus von LowEx – einem Schwerpunkt der Forschungsinitiative EnOB des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi). Hier werden Systeme für Gebäude, Gebäudetechnik und Energieversorgung
entwickelt, die bei der Wärme- und Kälteerzeugung und bei der Wärme- und Kälteverteilung
im Raum mit möglichst geringen Temperaturdifferenzen auskommen. Auf diese Weise
können auch regenerative Energiequellen genutzt werden – so z. B. die natürliche Kühle
des Erdreichs oder des Grundwassers zum Kühlen sowie solare Wärme zum Heizen. Ein
Schlüssel zu LowEx-Systemen sind Latentwärmespeicher bzw. Phase Change Materials.
Impressum
ISSN
1610 - 8302
Herausgeber
FIZ Karlsruhe GmbH
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Autoren
Dr. Harald Mehling, ZAE Bayern
Dr. Peter Schossig, Fraunhofer ISE
Doreen Kalz, Fraunhofer ISE
Fachliche Beratung
Prof. Dr. Dirk Müller, RWTH Aachen
Redaktion
Uwe Friedrich
Mit diesem Themeninfo präsentieren wir deren Entwicklungsstand, aktuelle PCM-Produkte
und Einsatzmöglichkeiten. Hinzu kommt eine fundierte Auswertung erster Pilotprojekte.
Titelbild
GLASSX, Gaston Wicky
Version in Englisch
Ihre BINE-Redaktion
redaktion@bine.info
Das Dokument finden Sie unter
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Urheberrecht
Inhalt
3
Phasenübergang puffert Wärme
6
Baustoffe stabilisieren Raumklima
7
Frostschutz für den Apfelbaum
10
Aktives Wärmemanagement
11
Aus der Praxis: Sanierung einer Druckerei
13
Demonstrationsgebäude mit PCM-Kühldecken
14
PCM-Konzepte für die Gebäudetechnik
15
Aus der Praxis: PCM-Lüftungsgerät im Test
17
Im Portrait: Hersteller, Entwickler und Anwender
19
Neuartiges Rückkühlkonzept mit PCM
Eine Verwendung von Text und
Abbildungen aus dieser Publikation ist nur mit Zustimmung
der BINE-Redaktion gestattet.
Sprechen Sie uns an.
BINE Informationsdienst wird vom
Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie (BMWi) gefördert.
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Tel. 0228/92379-0
Fax 0228/92379-29
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www.bine.info
3
Abb. 1 Der Einsatz von
PCM dient der Vermeidung von Spitzentemperaturen im Gebäudeinnern und somit der
Einsparung von Kühlenergie. Bei konventioneller Nachtlüftung
wird die Warmluft im
Gebäude durch kalte
Nachtluft ersetzt.
Quelle: GLASSX,
Gaston Wicky
Phasenübergang puffert Wärme
Wärmespeicherung ist in vielen Fällen notwendig für den effizienten
Umgang mit Energie. Mit Materialien, die Wärme latent speichern,
sind angepasste Lösungen für viele Anwendungsbereiche möglich.
Entscheidend für den Einsatz ist eine geeignete Konfektionierung der
Phase Change Materials, um einen effektiven Wärmeaustausch zu
ermöglichen. Besonders flexibel sind mikroverkapselte PCM, die in
viele Baustoffe und Bausysteme integriert werden können.
gehend konstanter Betriebstemperatur. Die für das
Schmelzen von einem Kilogramm Wasser notwendige
Energiemenge würde bei einer sensiblen Speicherung
zur Temperaturerhöhung auf ungefähr 80 °C führen. So gilt
für viele Materialien, dass bei einer Temperaturänderung
um wenige Grad (10K) beim Schmelzvorgang gegenüber
sensibler Speicherung eine bis zu 10-fach höhere Wärmespeicherdichte erzielt werden kann. Abbildung 2 zeigt:
Die Speicherung von Wärme ist gewöhnlich mit einer
Temperaturerhöhung des Speichermaterials verbunden,
die der gespeicherten Wärmemenge proportional ist
(blaue Kurve). Bei der „latenten“ (versteckten) Wärmespeicherung erfolgt nach Erreichen der Phasenübergangstemperatur eine Zeit lang keine Erhöhung der Temperatur – solange, bis das Speichermaterial vollständig
geschmolzen ist (rote Kurve). Beim Erstarren wird die
eingespeicherte Wärme wieder abgegeben.
Temperatur
Wärmespeicherung spielt immer dort eine wichtige Rolle,
wo es gilt, Angebot und Nachfrage von Wärme oder Kälte
im Zeitverlauf und in der Leistung anzupassen; aber auch
dort, wo Versorgungssicherheit und netzunabhängige
Versorgung gewährleistet sein muss. Durch Wärmespeicherung können viele „Wärmequellen“ wie Solarenergie
oder Abwärme aus Industrieprozessen und Kraftwerken
wirtschaftlich nutzbar, d. h. verfügbar gemacht werden,
wenn sie gebraucht werden. Die Wärmebereitstellung
durch eine Heizungs- oder Solaranlage muss somit nicht
auf die maximale Nachfrage ausgelegt, sondern kann an
den mittleren Bedarf angepasst werden. Alternativ lassen
sich die niedrigen Temperaturen in der Nacht zum Kühlen
am Tag verwenden.
Bedarfsgerechte Wärmespeicherung erfolgt heute üblicherweise durch Warmwasserspeicher – indem die Temperatur des gespeicherten Wassers auf die Bedarfstemperatur oder darüber erhöht wird. Die so gespeicherte
Wärme nennt man sensible Wärme, da es sich um eine
„fühlbare“ Speicherung handelt. Wasser für diesen Prozess zu nutzen hat den Vorteil, dass es meist gleichzeitig
das Medium ist, das anschließend auch benötigt wird –
z. B. kann es direkt zum Duschen aus dem Speichertank
entnommen werden. Zudem ist Wasser in der Regel
kostengünstig. Die sensible Wärmespeicherung wird z. B.
auch beim Aufheizen der Kacheln eines Kachelofens
genutzt. Diese geben die Wärme über viele Stunden ab –
auch wenn das Feuer längst erloschen ist.
sensibel
Temperatur des
Phasenübergangs
sensibel
latent
Latentspeichermaterialien, auch PCM (Phase Change
Materials) genannt, speichern große Mengen Wärme
durch einen Phasenwechsel – etwa von fest zu flüssig.
Gegenüber konventionellen sensiblen Wärmespeichern
ermöglichen PCM-Speicher hohe Energiedichten bei weit-
sensibel
gespeicherte Wärmemenge
Abb. 2 Temperaturverlauf
als Funktion der
gespeicherten Wärmemenge bei sensibler und
latenter Wärmespeicherung.
Quelle: ZAE Bayern
4
Abb. 4 Beispiele von Makroverkapselungen.
Quelle: ZAE Bayern
Abb. 3 Materialklassen,
Schmelzenergie [kJ/L]
die als PCM untersucht
und eingesetzt werden.
Quelle: ZAE Bayern
Welche Speichermaterialien werden eingesetzt?
PCM – gut verkapselt und portioniert
Aufgrund intensiver Forschung in den letzten beiden Jahrzehnten sind heute viele Phasenwechsel-Materialien
bekannt, die sich für den Einsatz als Latentwärmespeicher
eignen und mit ihren Schmelzpunkten einen weiten Temperaturbereich abdecken (Abb. 3). Durch unterschiedliche Mischungen von Wasser mit Salzen können z. B.
eutektische Salzlösungen mit Schmelzpunkten weit unter
0 °C hergestellt werden – oder Salzhydrate mit Schmelzpunkten im Temperaturbereich von 5 °C bis 130 °C. Dadurch
ergeben sich viele Anwendungen in den Bereichen Heizen,
Kühlen und Klimatisieren. Sie zeichnen sich vor allem
durch hohe Speicherdichten aus und sind vergleichsweise kostengünstig. Als organische Materialien eignen
sich vor allem Paraffine und Fettsäuren. Sie haben meist
niedrigere Speicherdichten und vergleichsweise höhere
Kosten als Salzhydrate. Im Gegensatz zu Salzhydraten
sind sie jedoch technisch leichter handhabbar.
PCM eignen sich zum Bau von Speichern mit hoher
Speicherdichte sowie aufgrund des Schmelzens bei konstanter Temperatur zur passiven Temperaturstabilisierung.
Da PCM bei ihrer Nutzung flüssig werden, ist es im Allgemeinen notwendig, sie in einem Behältnis zu kapseln.
Bei konventionellen Speichern geschieht dies durch den
Speicherbehälter. In vielen Anwendungen werden PCM
jedoch als eigenständige Speicherelemente in einem
bestehenden System eingesetzt.
Obwohl die Kombination Baustoffe und PCM auf den
ersten Blick recht unspektakulär erscheint, sind jedoch
eine Reihe von Anforderungen zu erfüllen. So muss neben
einem ausreichenden Brandschutz – Paraffine z. B. sind
brennbar – auch die mechanische Festigkeit der PCMMaterialien gegeben sein. Oft ist es auch sinnvoll, PCM zu
modifizieren, um ihre Eigenschaften zu verändern. Beispiele
sind schütt- und rieselfähige Granulate oder PCM-GrafitVerbundmaterialien für hohe Heiz- oder Kühlleistungen.
1.000
Fluoride
Karbonate
800
Chloride
wässrige Salzlösungen
600
400
Wasser
Hydroxide
Salzhydrate
Nitrate
200
Chlatrate
Paraffine
Fettsäuren
0
0
100
200
–100
Schmelztemperatur [°C]
0,1 kWh/L
Zuckeralkohole
300
400
500
600
700
800
In diesem Fall werden die eingesetzten Speicherbehälter
der Phase Change Materials "Verkapselung" genannt.
Sie werden nach ihrer Größe unterschieden in Makroverkapselungen mit mehr als 1 cm Durchmesser, Mikroverkapselungen mit weniger als 100 μm sowie Mesoverkapselungen, die den Zwischenbereich abdecken.
Beispiele für konventionelle Makroverkapselungen zeigt
Abbildung 4: Kunststoffbehälter in flacher Ausführung
oder als Kugeln, Beutel usw. … Mit dieser Technik lassen sich beliebige Materialklassen “verpacken“. Jedoch
sind solche Verkapselungen aufgrund ihrer Größe nicht
überall einsetzbar.
Um PCM anderen Materialien, z. B. Baustoffen, zugeben
zu können, ist es notwendig, die Mikroverkapselung einzusetzen. Durch die geringe Größe können die Kapseln
gleich bei der Herstellung des Baustoffes beigemischt
werden, sodass sich dessen Handhabung auf der Baustelle nicht von einem herkömmlichen Baustoff unterscheidet. Auch ein weiteres Bearbeiten während der
Nutzungsphase ist möglich, denn die Kapseln werden
aufgrund ihrer geringen Größe mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht beschädigt. Sollten einzelne dennoch Schaden nehmen, so ist die austretende Menge verschwindend gering. Mikroverkapselte Paraffine sind seit etwa
10 Jahren kommerziell erhältlich. Die Mikroverkapselung
von Salzhydraten sowie erste Ansätze zur Mesoverkapselung sind Gegenstand intensiver Forschung.
Generell erfordert die meist geringe Wärmeleitfähigkeit
des Materials beim Bau von Wärmespeichern mit PCM
ausgeklügelte Be- und Entladesysteme. Diese müssen
ebenso wie die Speicherhülle auf oft beträchtliche Volumenänderungen von PCM ausgelegt sein. Zentrale
Abb. 5 Mikroverkapselung.
Abb. 6 Beispiele von PCM-Verbundmaterialien: Mechanisch stabiles,
Quelle: Fraunhofer ISE, BASF
schüttfähiges Granulat der Rubitherm GmbH; PCM-Grafit-Verbund mit
hoher Wärmeleitfähigkeit.
Quelle: ZAE Bayern
Anwendungsmöglichkeiten von PCM
der Gebäudeklimatisierung und bei der Nutzung industrieller Prozesskälte Stand der Technik. Aufgrund ihrer
Einbindung in das Kühlsystem über einen Solekreislauf
mit Pumpe können die Speicher aktiv angesteuert werden, um sie gezielt zu be- und entladen sowie ihre Leistung zu regeln. Eine weitere Möglichkeit zur aktiven Einbindung bilden luftführende Heiz- und Kühlsysteme.
Die meisten Anwendungen von PCM mit dem Motiv „Energiesparen“ dienen dem Puffern von Temperaturzyklen in
Gebäuden. Schwerpunkt ist die Vermeidung von Spitzentemperaturen und somit die Einsparung Kühlenergie. Bei konventioneller Nachtlüftung wird die Warmluft
im Gebäude durch kalte Nachtluft ersetzt; mit PCM kann
die Wärmekapazität eines Gebäudes erhöht und dadurch
die Nachtkälte in der Gebäudemasse gespeichert werden. Eine weitere wichtige Anwendung sind Speicher,
die zur Unterstützung der Gebäudeheizung eingesetzt
werden.
Zur passiven Temperaturstabilisierung hingegen werden
PCM ohne äußere Steuerung eingesetzt. Ein Beispiel
dafür ist der Einsatz makroverkapselter PCM in Transportboxen für temperaturempfindliche Güter wie Pharmazeutika und Blutplasma. In den letzten Jahren wurde
vermehrt auch PCM in Bekleidung eingebracht. Hier
puffern PCM kurzzeitig überschüssige Wärme und reduzieren das Schwitzen; oder sie nutzen gespeicherte
Wärme, um Frieren zu verhindern. Für diese Fälle wird
zumeist mikroverkapseltes PCM mit dem Bekleidungsstoff kombiniert.
Generell lassen sich folgende Anwendungen von Phase
Change Materials in Gebäuden unterscheiden:
• PCM in die Gebäudestruktur integriert
(Wand, Decke)
• PCM in sonstigen Gebäude-Komponenten
(z. B. Fassadenelement)
• PCM in separaten Wärme- und Kältespeichern
Dieser Ansatz wird seit einigen Jahren auch zur passiven Temperaturstabilisierung in Gebäuden eingesetzt.
Verglichen mit der Wärmespeicherfähigkeit von Baumaterialien wie Gips, Holz, Zement oder Steinen – die
im Bereich von 0,8 bis 1,5 kJ/kg in einem 1 °C Intervall
liegen – können PCM beim Schmelzen ein Vielfaches an
Wärme speichern. Zumeist werden mikroverkapselte PCM
in Baumaterialien eingebracht.
Kriterien für die Auswahl geeigneter Materialien sind
hierbei Energie- und Leistungsdichten; aber auch Speicherverluste, Kosten und Sicherheit spielen eine wichtige Rolle.
Die ersten beiden Anwendungen sind passive Systeme,
die die gespeicherte Wärme oder Kälte automatisch abgeben. Das dritte System benötigt aktive Komponenten –
wie Lüfter und Pumpen – sowie eine Regelung. Sie bietet
jedoch den Vorteil, dass die gespeicherte Wärme oder
Kälte bei Bedarf gezielt abgerufen werden kann. Abhängig vom Einsatzbereich werden PCM mit unterschiedlichen
Phasenübergangstemperaturen eingesetzt. Bevorzugt
werden in Gebäuden Speichertemperaturen von 0 °C bis
40 °C, mit Ausnahme der Warmwasser- und Heizwasserbereitung mit Temperaturen zwischen 50°C und 60 °C.
Die Integration von PCM in die Gebäudestruktur ist auf
den Temperaturbereich von 21 °C bis 26 °C fokussiert.
Eisspeicher mit ihrer im Vergleich zu Kaltwasserspeichern
um ein Vielfaches höheren Speicherdichte sind heute in
Ein weiteres Anwendungsfeld ergibt sich aus bereits etablierter Gebäudetechnik: So werden Gebäude mit bauteilintegrierten Rohrregistern gekühlt, um das Raumklima
komplett oder unterstützend zu konditionieren. Diese
thermoaktiven Bauteilsysteme (TABS) lassen sich kombiniert mit konventionellen Heizsystemen (Heizkörpern)
sowie natürlicher oder maschineller Lüftung einsetzen.
Bei dieser Anwendung ersetzen sie eine konventionelle
Gebäudekühlung. Bei rein passiven Systemen – oder
auch im Falle der TABS – sollte aufgrund des schlechten
Wärmeübergangs zur Luft eine große Wärmeübertragerfläche zur Verfügung stehen. Bei aktiven Systemen ist
dies nicht notwendig, denn bereits eine geringe Bewegung der Luft erhöht den Wärmeübergang und damit die
Leistungsfähigkeit des Systems um ein Vielfaches.
5
6
Abb. 7 Moderne Architektur zeichnet sich immer
mehr durch leichte
Konstruktionen und energieoptimierte Planung aus –
ohne dass auf Komfort
verzichtet werden muss.
In Baustoffe integrierte
PCM – z. B. in Form von
Gipsbauplatten – sorgen
per Temperaturausgleich
für ein gutes Raumklima.
Quelle: BASF
Baustoffe stabilisieren Raumklima
Die Wärmekapazität von Gebäuden in Leichtbauweise kann
deutlich erhöht werden, indem Latentwärmespeicher in die Oberfläche
der Bausubstanz eingelagert werden. Der Effekt: Eine verbesserte
„passive“ Gebäudekühlung und Innentemperaturregulierung – und
damit Energieersparnis und Komfortzuwachs. Baustoffe mit PCM zur
passiven Gebäudekühlung sind bereits marktverfügbar.
In Gebäuden mit freiliegenden, massiven Betonwänden
oder Mauerwerk ist es im Sommer oft angenehm kühl.
Dieser Kühleffekt wird durch die hohe Wärmekapazität
der Bausubstanz ermöglicht. Massive, freiliegende
Gebäudeteile fungieren als Wärmepuffer – sie können
tagsüber Wärme aufnehmen und diese während der
Nacht wieder abgeben. In Gebäuden mit geringer Wärmekapazität – in Leichtbauweise z. B. mit Bauteilen aus
Holz oder Gipskarton errichtet – steigt die Raumtemperatur dagegen schnell.
Wärme- und Kälteschutz in Gebäuden vollzieht sich allgemein durch ein Zusammenwirken von Wärmespeicherung in der Gebäudemasse und geeigneten Dämmmaßnahmen: Die Wärme wird von der Gebäudemasse
ohne weitere technische Vorrichtung aufgenommen bzw.
abgegeben. Daher nennt man sie „passive Temperaturstabilisierung“. Aufgrund der hohen Speicherfähigkeit
in einem schmalen Temperaturbereich eignen sich PCM
hervorragend dazu, die Fähigkeit unterschiedlichster
Materialien zur passiven Temperaturstabilisierung zu verbessern. Dieser Effekt wird deshalb seit einigen Jahren
auch in der Gebäudetechnik kommerziell eingesetzt.
Den Grundstein für viele der im Folgenden dargestellten
Entwicklungen und Produkte bilden die Arbeiten der Forschungsprojekte „Innovative PCM-Technologie“ und
„Mikroverkapselte Latentwärmespeicher“. Die Forschungsarbeiten zu PCM-Technologieanwendungen wurden mittlerweile im BMWi-Förderkonzept EnOB gebündelt. Zum Einsatz von PCM in Gebäuden wurden die drei
Fälle „Einbringen in den Außenputz, ins Mauerwerk und
in den Innenputz“ untersucht. Für jeden dieser Fälle wur-
den wiederum die Schmelztemperaturen im Hinblick auf
den Anwendungsfall und die eingebrachten Mengen in
Simulationsstudien variiert.
Bewertet wurden die Aspekte der Energieersparnis, der
Komfortsteigerung und bei den Außenanwendungen des
Bauteilschutzes. Aufgrund der deutlich geringeren Wärmeströme und des direkten Einflusses der Oberflächentemperaturen auf das Komfortempfinden der Nutzer ist
der Einsatz von PCM im Innenbereich am vielversprechendsten. Werden PCM in unserer Klimazone eingesetzt, so sind die Heizenergieeinsparungen bei den üblichen Wohn- und Bürobauten bisher noch zu gering.
Andererseits wird durch den Einsatz von PCM in Baustoffen jedoch der Nutzungskomfort in Gebäuden im Sommer
deutlich verbessert. Und zusätzlich kann bei geeigneter
Gebäudeplanung unter Umständen auf weitere Maßnahmen zur Kühlung verzichtet werden.
Vielversprechend ist der Einsatz von PCM in Leichtbauten;
hier insbesondere Bürobauten aufgrund des stärker
schwankenden Tag/Nacht-Lastprofils. Der Schmelzpunkt
sollte so gewählt werden, dass Temperaturen über 26°C
zeitlich stark beschränkt und über 28 °C möglichst ganz
vermieden werden. Dies erfordert den größten Teil der
Schmelzwärme unter 25 °C. Eine nächtliche Entladung
des Speichers ist für die Funktion des Systems unabdingbar und durch geeignete Maßnahmen sicherzustellen. Generell müssen die auftretenden Lasten in einem
sinnvollen Verhältnis zur Speicherfähigkeit des Systems
stehen. Es ist also auf ausreichend verfügbare, unverstellte PCM-Flächen zu achten. Ein Sonnenschutzsystem
kann durch diese Materialien nicht oder nur bei sehr
geringer Einstrahlung ersetzt werden.
Aus der Praxis
En passant
Prototyp Wohnen 2015
Abb. 10 Frostberegnung von Apfelbäumen im Alten
Land bei Hamburg.
Frostschutz für den Apfelbaum
Abb. 8 Nordost-Ansicht des Prototyps Wohnen 2015.
Quelle: TU Darmstadt, Kubina
Der von Studenten der TU Darmstadt konzipierte Solarhaus-Prototyp hat im Jahr 2007 den internationalen Wettbewerb "Solar Decathlon" um das attraktivste und energieeffizienteste Solarhaus in den
USA gewonnen. Das energieautarke Gebäude wurde auf dem
Campus der TU Darmstadt erbaut und nach Fertigstellung in die
USA transportiert. Das Haus ist ein Holzleichtbau mit geringerer
Wärmespeichermasse gegenüber Gebäuden in Massivbauweise. Es
umfasst 80 Quadratmeter Grundfläche. Um höchsten Wohnkomfort
mit niedrigstem Energieaufwand zu vereinen, wurde eine kompakte
und hochgedämmte Gebäudehülle gewählt. In die Wände wurden
50 Quadratmeter einer PCM-haltigen Gipsbauplatte der BASF integriert. Hinzu kamen 50 Quadratmeter aktive, wasserdurchströmte
PCM-Kühldeckenelemente der Firma Ilkazell.
Im Energiekonzept des Darmstädter Gebäudeprototyps trug der
PCM-Einsatz entscheidend dazu bei, die geforderte konstante Innentemperatur des Gebäudes zu halten. Um die im geschmolzenen
Wachs gespeicherte Wärme aus dem Haus zu transportieren,
setzen die Studenten ein ausgeklügeltes System ein: Aus einem
Wassertank leiten sie tagsüber 16 °C kaltes Wasser durch die
Kühldeckenelemente und können dadurch den Raum aktiv kühlen.
Nachts leiten sie das erwärmte Wasser auf die außen auf dem Dach
angebrachten Photovoltaik-Module, wo ein Teil verdunstet. Die
dabei anfallende Verdunstungskälte kühlt das restliche Wasser
wieder ab, das zurück in den Wassertank geführt wird. Durch den
Einbau der 15 mm starken PCM-Gipsbauplatten lässt sich im
Darmstädter Leichtbau genau so viel Wärme speichern wie mit
einer 90 mm starken Betonwand.
Abb. 9 Innenansicht: Der Einsatz von PCM-Gipsbauplatten trug neben
Kühldeckenelementen entscheidend dazu bei, die geforderten konstanten
Innenraumtemperaturen zu erreichen.
Quelle: TU Darmstadt, Christian Stumpf
Da Pflanzen keine eigene Körperwärme aufweisen, sind sie
niedrigen Umgebungstemperaturen direkt und meist ohne
Abwehrmöglichkeit ausgesetzt. Es gibt allerdings Pflanzen im
Hochland der südamerikanischen Anden, die Wasser in
einem Hohlraum ihres Stammes speichern und zur Abwehr
von Frostschäden nutzen. In kalten Nächten beginnt dieses
Wasser zu gefrieren und setzt somit die Kristallisationswärme –
auch Erstarrungswärme – frei, die das weitere Abkühlen und
damit das Einfrieren der Pflanze verhindert.
Der Mensch nutzt heute denselben Ansatz: Um Obstbäume
vor Frostschäden zu bewahren, werden diese in kalten Nächten
künstlich mit Wasser besprüht. Die Beregnung bewirkt, dass
die Blüten und Knospen mit einer Eisschicht überzogen werden. Der Frostschutz-Effekt entsteht durch die Abgabe von
Wärme zum Zeitpunkt der Erstarrung (Gefrieren) des Wassers
auf den Blüten. Durch die fortdauernde Benetzung wird ein
ständiger Gefrierprozess erzeugt, der eine konstante Temperatur von 0,5 °C im Inneren des Eispanzers gewährleistet.
Die Knospen bzw. Blüten werden damit vor dem Erfrieren
geschützt.
Quelle: Obsthof Axel Schuback, www.apfelpatenhof.de
7
Abb. 12 PCM Gipsbauplatte von Knauf.
Quelle: ZAE Bayern
Abb. 13 Gipsinnenputz mit PCM.
Abb. 14 PCM-Platte von DuPont Energain.
Quelle: Maxit Deutschland
Quelle: ZAE Bayern
Baustoffe mit PCM
Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten am Fraunhofer ISE
wurden in Zusammenarbeit mit Industriepartnern
verschiedene PCM-Baustoffe entwickelt und in Testräumen unter realem Außenbezug vermessen. Abbildung
11 zeigt das Potenzial eines PCM-Baustoffs zur Temperaturreduktion in Gebäuden unter optimalen Bedingungen. Eingesetzt wurde hier ein PCM-Gipsputz, der in einer
Schichtstärke von 15 mm auf Wände und Decken aufgetragen wurde. Am Tag 1 (Idealfall) wurde der PCMSpeicher nur leicht überladen und es konnte ein Temperaturunterschied von bis zu 3,5 K zwischen Referenz- und
PCM-Raum gemessen werden. Die folgenden Tage
zeigen, dass vor der Verwendung von PCM-Baustoffen
in der Regel weitere Wärmeschutzmaßnahmen – wie eine
Verschattung oder die Optimierung innerer Lasten –
erfolgen sollte. Hinzu kommt, dass insbesondere in
warmen Nächten nicht auf eine mechanische Lüftung zur
Regenerierung des Wärmespeichers verzichtet werden
kann. Ist die Entladung des PCM nicht gewährleistet,
so kann eine Überhitzung am Folgetag nicht sicher vermieden werden.
Temperatur [°C]
8
Einige Produkte zur passiven Gebäudekühlung sind
bereits marktverfügbar und werden hier kurz vorgestellt.
Dabei wird unterschieden in Produkte auf Basis mikroverkapselter sowie makroverkapselter PCM:
• Gipsplatte: Knauf PCM Smartboard
Für Trockenbau-Anwendungen verfügbare
PCM-Gipskartonplatte mit rd. 30% Massenanteil
PCM bei einer Schichtdicke von 15 mm.
Verfügbare Schmelzbereiche: 23 °C und 26 °C;
Speicherkapazität latent rd. 90 Wh/m2;
Herstellung und Vertrieb: Knauf Gips KG.
• Gipsputz: Maxit
Gips-Maschinenputz mit rd. 20% Massenanteil
PCM bei einer Schichtdicke bis zu 15 mm. Der Putz
kann zusätzlich auch über wasserführende Systeme
aktiviert werden. Verfügbare Schmelzbereiche:
21 °C, 23 °C und 26 °C; Speicherkapazität latent
rd. 70 Wh/m2; Herstellung und Vertrieb:
Maxit Deutschland GmbH.
36
Luft Referenz
Luft PCM
Schicht 1
Schicht 2
Schicht 3
34
32
30
28
26
24
22
20
27/07
12:00
28/07
00:00
28/07
12:00
29/07
00:00
29/07
12:00
Abb. 11 Messung zweier
Testräume mit 15 mm
PCM-Gipsputz auf allen
opaken Innenflächen –
außer dem Boden.
Unter idealen Bedingungen
kann eine Temperaturreduktion von rd. 3,5 K
durch das PCM erzielt werden.
30/07 Quelle: Fraunhofer ISE
00:00
Abb. 15 Beispiele von PCM-Komponenten: PCM-Kühldecke, PCM-Sonnenschutz, Fassadenbauelement GLASSXcrystal.
Quelle: Dörken, ZAE Bayern, GLASSX
Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Baumaterialien, in die mikroverkapselte PCM als Zuschlagstoff
eingebunden sind, entwickelte die Firma DuPont eine
Platte, in der Paraffin in eine Kunststoffmatrix integriert
ist.
• Integrierter Speicherbehälter:
DuPont Energain® hat eine Dicke von 5 mm
und ein Gewicht von rund 4,5 kg/m2. Etwa 60%
der Masse ist Paraffin, das einen Schmelzbereich
von 18 °C bis 22 °C besitzt. Die Platten wurden in
einem Gebäude der Universität Lyon getestet,
wobei zwei identische Räume jeweils mit und
ohne PCM-Platten ausgestattet waren.
Gebäudeintegration
Die bisher beschriebenen Baumaterialien nutzen
überwiegend mikroverkapselte PCM als Zuschlagstoff.
Daher ist es möglich, diese Baumaterialien in nahezu
beliebigen Mengen und Formen ins Gebäude zu integrieren. Die Verarbeitung unterscheidet sich nicht von
der konventioneller Baustoffe. Die geschilderten Ansätze
zur Integration von PCM sind bisher lediglich für Paraffine
oder Fettsäuren technisch ausgereift. Im Gegensatz zu
Baumaterialien können die PCM-Komponenten komplett
vorgefertigt werden, sodass bei der Installation keinerlei
Bearbeitung notwendig ist. Daher ist es möglich, bei der
Herstellung solcher Komponenten makroverkapselte PCM
einzusetzen – z. B. von Salzhydraten.
Anwendungsbeispiele von PCM-Komponenten zeigt
Abbildung 15: Erstes Beispiel ist die Integration von PCM
in einer Decke – wobei das PCM vor allem zur Kühlung
des Raumes eingesetzt werden soll. Die Firma Dörken
verwendet hierzu verkapselte Salzhydrate. Erhöht sich
die Lufttemperatur im Raum, so steigt die warme Luft
nach oben, schmilzt das PCM und wird dadurch wiederum gekühlt. Dabei können maximale Kühlleistungen
von 40 W/m2 bis 45 W/m2 erreicht werden. Zum Abführen
der Wärme in der Nacht wird allerdings eine aktive
Ventilation empfohlen. Die Ventilatorleistung ist in der
Energiebilanz zu berücksichtigen.
Ein weiterer interessanter Ansatz, PCM in Gebäudekomponenten zu integrieren, ist ein PCM-Sonnenschutzverbundsystem. Ein solches System wurde von der Firma
Warema in Zusammenarbeit mit dem ZAE Bayern innerhalb eines vom BMWi geförderten Projekts entwickelt.
Ein innenliegender Sonnenschutz dient im Allgemeinen
dazu, das Sonnenlicht zu reduzieren. Dabei heizt sich
der Sonnenschutz jedoch auf und gibt diese Wärme an
den Raum ab. Die Integration von PCM in den Sonnenschutz führt zu einer geringeren oder verzögerten Erwärmung des Raumes. Untersuchungen an Labormustern
haben ergeben, dass das Maximum der Behangtemperatur um 3 Stunden verschoben wird und der Raum 2°C
kühler bleibt. Die Strahlungsasymmetrie lässt sich um
6 °C verringern. Wie in allen anderen Anwendungen ist
jedoch eine Wärmeentsorgung durch Nachtlüftung notwendig. Dieser Ansatz wird z. Zt. im Projekt PCM-Demo in
realen Installationen untersucht.
Das transparente Fassaden-Bauelement der Firma GLASSX
ist ein passives System, das vorwiegend zum Heizen,
aber auch zum Kühlen eines Raumes dient. Es besteht
aus mehreren Schichten: Eine PCM-Schicht auf der dem
Raum zugewandten Seite speichert die Wärme der einfallenden Solarstrahlung. Eine Mehrfachverglasung an
der Fassade verhindert Wärmeverluste und ein dazwischen befindliches Prismenglas lässt die Sonnenstrahlung nur bei flachem Einstrahlungswinkel passieren (also
im Winter) – und schützt somit den Raum im Sommer
vor Überhitzung. Ein keramischer Siebdruck auf der Rauminnenseite lässt dem Architekten Gestaltungsfreiheit in
der Farbwahl. Das System wurde bisher in etwa einem
Dutzend Gebäude in der Schweiz installiert. Das Titelbild dieses Infos zeigt den Einsatz der PCM-Wärmespeicher in der Fassade eines Altersheims.
9
10
Abb.16 PCM-Deckenkühlpaneele in einem
Großraumbüro
Quelle: Julia Schmidt/
Deutscher Drucker
Aktives Wärmemanagement
Mit aktiven, wasserdurchströmten PCM-Systemen lässt sich der
Wärmespeichereffekt zeitlich und in seiner Intensität steuern.
Über flächige Bauteile können Kältebedarf und Kältebereitstellung zeitlich entkoppelt werden. In verschiedenen Demonstrationsobjekten kamen bereits PCM-Kühldecken zum Einsatz.
Passive Kühlkonzepte – insbesondere in Kombination
mit PCM – unterliegen im Wesentlichen zwei Restriktionen, die den Einsatz behindern können: Zum einen
limitiert der Wand-Luft-Wärmeübergang die Wärmemenge, die in einem 24-h-Zyklus beladen und vor allem
auch wieder entladen werden kann. Ein Verdoppeln der
Putzschicht führt hier nicht automatisch zu einer doppelt
hohen, real nutzbaren Wärmespeicherkapazität. Zweitens ist die einzig verfügbare Kältequelle die Nachtluft.
Gerade in heißen Sommernächten kann dies dazu führen,
dass der Latentwärmespeicher nicht entladen werden
kann und somit am nächsten Tag nicht mehr zur Verfügung steht. Die gespeicherte Wärme lässt sich jedoch
effizient und sicher über Kühlwasser-Kreisläufe abführen. Diese Systeme können in die Wand oder die Decke
integriert oder auch als abgehängte Deckenelemente
installiert werden. Zum Heizen werden sie in Wand oder
Fußboden integriert.
PCM
Abb. 17 Schematische
Darstellung von aktiven
PCM-Systemen zum
Kühlen.
Quelle: ZAE Bayern
Kühlwasser
Innovative Flächenkühl- und -heizsysteme
Im Forschungsprojekt „PCM-Aktiv“ untersuchte das Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit Projektpartnern aktiv
durchströmte Flächenkühlsysteme in Kombination mit
PCM-Baustoffen. Ziel der Arbeiten war zunächst die Entwicklung einer wasserdurchströmten Kühldecke – basierend auf den verfügbaren PCM-Baustoffen. Das PCM in
der Kühldecke ermöglicht hierbei, dass ein Großteil der
Wärme – die bei konventionellen Systemen aktiv abgeführt werden muss – passiv zwischengespeichert werden
kann. Nur der verbleibende Überschuss muss aktiv abgeführt werden. Außerhalb des Schmelzbereichs bleibt die
schnelle Reaktionsfähigkeit einer dünnschichtigen Kühldecke jedoch erhalten. Ein weiterer Vorteil von PCM in
Kühldecken ist, dass Kälteleistung akkumuliert werden
kann. Konventionelle Kühlanlagen müssen so ausgelegt
werden, dass sie die Spitzenlast abfangen können. PCM
ermöglichen durch die Kältespeicherung jedoch eine
kleinere Dimensionierung der Kälteanlage. Außerdem
lassen sich zusätzliche Kältequellen einsetzen, die nur
eine geringe Kälteleistung aufweisen. Ein Beispiel hierfür sind Umweltwärmesenken wie z. B. Erdsonden.
Kühldecken lassen sich bedarfsgerecht betreiben, so dass
sie zu energetisch oder wirtschaftlich sinnvollen Zeiten
mit Kälte beladen werden. Eine der zentralen Fragestellungen im Projekt „PCM-Aktiv“ war die Bestimmung des optimalen Schmelzbereichs von PCM. Während für passive
Anwendungen der Schmelzbereich am oberen Ende des
Komfortbereichs des Menschen liegen muss, sollte er bei
aktiven Systemen so gewählt werden, dass die Decke
energetisch hocheffizient betrieben werden kann. In mehreren Versuchsreihen und Simulationsstudien hat sich
bisher gezeigt, dass ein Schmelzbereich zwischen ca.
Aus der Praxis
Sanierung einer Druckerei: Kühlen mit Umweltenergie in
Kombination mit thermoaktiven Bauteilsystemen und PCM
Abb. 18 Druckerei Engelhardt & Bauer in
Karlsruhe nach umfangreicher Sanierung.
Quelle: Patrick Beuchert
Das Verwaltungsgebäude der Druckerei Engelhardt&Bauer in
Karlsruhe ist eine Gewerbeimmobilie aus den 70er Jahren, die
typische Schwachstellen wie zum Beispiel hohen Energieverbrauch,
unzureichendes Tageslicht und thermische Unbehaglichkeit aufwies. Der nun sanierte und um ein Stockwerk erweiterte Flachbau
(Nutzfläche von 900 m2, umbautes Volumen 3.000 m3) hat Vorbildcharakter: Es wurde eine architektonisch ansprechende Lösung
für ein Gebäude in Leichtbauweise mit hohem Glasanteil unter
marktüblichen Bedingungen umgesetzt.
Eine Möglichkeit, thermische Masse bei wenig Gewicht in das Leichtbaugebäude einzubringen, besteht in der Nutzung von PCM. Erstmalig kamen im Obergeschoss 260 m2 Deckenkühlpaneele der
Firma ILKAZELL zum Einsatz, die den Latentwärmespeicher von
BASF in Form eines handelsüblichen SmartBoard (Schmelztemperatur 22 °C) mit einer aktiven Kühlung über Kapillarrohrmatten verknüpfen. Die zur Verfügung stehende Fläche für die PCM-Kühldecke
ist durch die Gebäudegeometrie vorgegeben, wodurch die übertragbare Gesamtleistung auf ca. 12 kW begrenzt ist. Im Untergeschoss
werden verputzte Kapillarrohrmatten an der vorhandenen Betondecke als schnelles, ergänzendes System mit einer Leistung von
rund 10 kW eingesetzt.
Der thermische, visuelle und akustische Komfort konnte gegenüber
der bestehenden Situation deutlich verbessert und der Energiebedarf zum Heizen, Kühlen, Lüften sowie für die Beleuchtung um
50% reduziert werden. Die vorhandenen Splitgeräte für die Kältebereitstellung werden dabei durch eine energieeffiziente Kühlung
mit thermoaktiven Bauteilsystemen ersetzt. Als natürliche Wärmesenke dient das Erdreich, das mittels 13 Erdwärmesonden mit einer
Tiefe von 44 m erschlossen wird. Trotz der Stahl-Leichtbauweise
des Gebäudes wird damit ein stabiles Raumklima im Sommer
gewährleistet. Für das Betriebsjahr 2008 beträgt die über PCMDeckenkühlpaneele bereitgestellte Energie 80 kWh/m2Deckea. Neben
der richtigen Anlagendimensionierung und Wahl der einzelnen
Komponenten ist die Regelung des Systems entscheidend für einen
energieeffizienten Betrieb.
11
12
Abb. 19 Kühldeckensystem mit PCM (Ilkatherm).
Quelle: Sven Meyer
Abb. 20 PCM-Estrich-Fußbodenheizung.
Quelle: Maxit Deutschland
19 °C und 22 °C für Kühldecken ideal ist. Er ermöglicht
sowohl das Entladen in der Nacht mit relativ hohen
Vorlauftemperaturen im Kühlkreis – wie sie bei Umweltwärmesenken auftreten können – als auch ein Betreiben
der Kühldecken mit maximalen Oberflächentemperaturen
von rd. 23 °C. Messungen der Kühlleistung bestätigen,
dass – wie erwartet – keine wesentlichen Unterschiede zu
konventionellen Putzkühldecken mit Kapillarrohrmatten
bestehen.
Neben den Tests von Produkten in Labortesträumen ist
auch eine Prüfung unter praxisnahen Bedingungen notwendig. Denn zum einen benötigen die Hersteller belastbare Daten, wie effizient ihre Produkte unter realen Bedingungen tatsächlich sind. Zum anderen wünschen die
Anwender neben den technischen Daten auch Anschauungsobjekte, die zeigen, wie PCM architektonisch und
gebäudetechnisch in einen Leichtbau integriert werden
können.
Die zweite zentrale Fragestellung: Wie lässt sich eine
PCM-Kühldecke regeln mit dem Ziel, bei Einhaltung der
Komfortkriterien eine energieeffiziente Steuerung der
Decke zu erreichen. Dazu sind deren Betriebsstunden
zu minimieren, aber auch Volumenströme und Kühlwassertemperaturen zu berücksichtigen, die sich je nach
verwendeter Wärmesenke unterscheiden können. An
unterschiedlichen Test-Kühldecken werden derzeit Untersuchungen zur Betriebsführung vorgenommen. Dazu
werden auch Kühldecken in realen Gebäuden – z. B. am
Fraunhofer ISE in 5 Büros mit insgesamt 100 m2 Deckenfläche – eingesetzt.
Nach der erfolgreichen Entwicklung von Komponenten
und Materialien geht es nun darum, die Akzeptanz von
Planern und Nutzern gegenüber PCM im Gebäudebereich
zu erhöhen und speziell bei Architekten ein Bewusstsein
für PCM als energiesparende Alternative oder Ergänzung
zu aktiver Klima- und/oder Heiztechnik zu schaffen. Forschungsgegenstand ist deshalb zur Zeit der „Praxisnahe
Test der Performance von Gebäudekomponenten mit PCM
in Demonstrationsobjekten“ (BMWi-Projekt „PCM-Demo“).
Als erstes aktives Kühlsystem am Markt wird von der
Firma Ilkazell die Ilkatherm®-Kühldecke vertrieben. Sie
basiert auf der PCM-Gipsplatte, die auf der raumseitigen
Oberfläche eines PU-Sandwich-Verbundes aufgeklebt
wird. Zur Aktivierung wurden Kapillarrohrmatten zwischen Smartboard und Rückseitenisolation eingebracht.
Das System wurde bereits in einem Demonstrationsgebäude – der Druckerei Engelhardt & Bauer in Karlsruhe –
kombiniert mit Erdsonden als Wärmesenke eingesetzt.
Die Kühldecke ist modular aufgebaut und kann vollflächig
als abgehängte Decke oder als einzeln hinterlüftetes
Deckenelement eingesetzt werden.
Als Flächenheizung wurde in Zusammenarbeit mit Maxit
Deutschland ein Estrich-Fußbodenheizsystem entwickelt.
Als PCM wurde Micronal® von BASF verwendet. Der thermische Vorteil durch den zusätzlichen PCM-Einsatz ist
aufgrund der ohnehin schon sehr hohen Speicherfähigkeit
des Estrichsystems jedoch eher gering. Vorteilhaft ist,
dass die Schichtdicke der Fußbodenheizung gegenüber
einer konventionellen Estrich-Fußbodenheizung rd. 25%
geringer ausfallen kann.
Im Teilprojekt „Wasserdurchströmte Kühldecken mit PCM“
wird eine Kombination aus makroverkapselten PCM und
wasserdurchströmter Kühldecke untersucht. Abgehängte
wasserdurchströmte Kühldecken erreichen hohe Kühlleistungen (max. 100 W/m2) bei kurzen Ansprechzeiten.
Sie 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 rund 40 W/m2 sicherstellen. In der Nacht wird das PCM dann durch kühles
Wasser regeneriert. Auf diese Weise lassen sich tagsüber
Lastspitzen vermeiden und die Kühllast wird vergleichmäßigt. Vor allem bei der Kältebereitstellung über oberflächennahe Geothermie (Erdsonden) ergeben sich Vorteile, da die Erdsonden auf die Spitzenlasten ausgelegt
werden müssen. Kombiniert man das PCM-System mit
konventioneller Technik (PCM-Module nur in Teilbelegung)
behält man auch weiterhin die Vorteile kurzer „Ansprechzeiten“ und muss nur noch Spitzenlasten abfangen, die
über die Grundlast hinausgehen. Der aktuelle Stand der
Untersuchungen wird ab Herbst 2009 der Fachöffentlichkeit präsentiert.
13
Aus der Praxis
Demonstrationsgebäude mit PCM-Kühldecken
Abb. 21 Kühldecke DAW mit
Kaltwassersatz als Wärmesenke.
Quelle: Fraunhofer ISE
In fünf Büros am Fraunhofer ISE in Freiburg (ebenfalls ca. 100 m2
Deckengesamtfläche) wurde eine PCM-Kühldecke mit einer
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs-Anlage (KWKK) als Wärmesenke
realisiert. Diese Anlage besteht aus einem BHKW, das zur Stromerzeugung genutzt wird. Dessen Abwärme wird über Adsorptions-
KWKK-Anlage
PCM-Kühldecken
(Verbraucher)
Betrieb: 19.00 -7.00 Uhr
Pufferspeicher
(Heißwasser-Vorlauf)
Adsorptionskältemaschine 1
(Kaltwassererzeugung)
Konvektoren
(Verbraucher)
Betrieb: 7.00 -19.00 Uhr
(Kaltwasser)
(Kaltwassererzeugung)
Vorlauf Heißwasser
Rücklauf Heißwasser
Vorlauf Kaltwasser
Rücklauf Kaltwasser
Abb. 22 KWKK-Anlage realisiert am Fraunhofer ISE zur Kühlung eines Großraumbüros über Kühl-/Heizkonvektoren und 5 Büros über PCM-Kühldecke.
Außentemperatur
28
26
24
Komfortgrenztemperatur
operative Temperatur
22
Deckentemperatur
18
1
Schaltsignal
14
Adsorptionskältemaschine 2
Pufferspeicher
30
16
(Wärmeerzeugung)
(Heißwasser-Rücklauf)
32
20
Pufferspeicher
BHKW
kältemaschinen in Kälte umgewandelt und an die Verbraucher abgegeben. Die Kälteanlage (mit ca. 11 kW thermischer Leistung) versorgt tagsüber nach Bedarf ein Großraumbüro über Heiz-/Kühlkonvektoren. Ausschließlich nachts werden die 5 PCM-Kühldecken mit
Kälte beladen, um am folgenden Tag dieselben Büroflächen passiv
zu kühlen. Die Kombination zweier alternierend betriebener Verbraucher führt zu einer deutlich besseren Auslastung des BHKW –
ohne große Wasserwärmespeicher vorhalten zu müssen. Die
gekühlte Bürofläche kann deshalb bei gleich dimensionierter Kälteanlage verdoppelt werden. Abbildung 23 belegt das prinzipielle
Funktionieren dieses Konzepts im Sommer 2008. Aufgezeichnet
wurden die Raum-, Putz- und Wassertemperaturen in einem der
Büros. Bei einer Außentemperatur von bis zu 30 °C wird der Raumkomfort mit einer Maximaltemperatur von 25 °C eingehalten. Gleichzeitig reicht der PCM-Speicher aus, um den kompletten Tag passiv
zu überbrücken. Erst gegen 15:00 Uhr verlassen die Deckentemperaturen den Schmelzbereich des PCM (grau hinterlegt).
Temperatur [°C]
Im Rahmen des Projektes „PCM-Aktiv“ wurden zwei unterschiedliche
PCM-Kühldeckensysteme in Demonstrationsgebäuden realisiert.
Im Laborgebäude der Deutschen Amphibolin Werke (DAW) in OberRamstadt – mit rund 100 m2 Deckenfläche – basiert die Kühldecke auf
einer 1 cm dicken Schicht PCM-Spachtelmasse mit ca. 40% PCM-Anteil,
deren Rückkühlung mit einem außenaufgestellten Kaltwassersatz
erfolgt. Damit sollte demonstriert werden, dass auch konventionelle
Kältetechnik von der Kombination mit einer PCM-Kühldecke profitieren kann. Ausgenutzt werden hier vor allem die reduzierten
Betriebsstunden der aktiven Kühlung sowie die Verschiebung der
Rückkühlung in kühlere Nachtstunden.
16/07
02:00
16/07
06:00
16/07
10:00
Schmelzbereich
Putztemperatur Oberfläche
Putztemperatur Rückseite
0
16/07
14:00
16/07
18:00
16/07
22:00
Raumtemperatur
operative Temperatur
Vorlauftemperatur
Außentemperatur
Abb. 23 Temperaturverlauf in einem PCM-gekühlten Büro.
14
Abb. 24 Innovative
Konzepte zur Raumkühlung schaffen ein
gutes Klima – auch in
Werk- und Arbeitsstätten
Quelle: Lichtblau
Architekten
PCM-Konzepte für die Gebäudetechnik
Speichersysteme zur Raumkühlung und Heizung mit
unterschiedlichen Wärmeträgerfluiden sind energetisch
sehr effizient und zum Teil bereits in Produkte umgesetzt.
Mit PCM-Slurries als flüssigen, pumpfähigen Speichermedien können zusätzlich große Wärmespeicherkapazitäten
erreicht werden.
In innovative Gebäudelösungen eingebundene Wärmeund Kälte-Speicher beruhen im Wesentlichen auf drei
verschiedenen Konzepten. Abbildung 26 führt links das
bekannteste System auf, bei dem sich das Speichermaterial in einem Speichertank befindet und das Wärmeträgerfluid (WTF) durch Kanäle in einen Wärmeübertrager
strömt. Beim zweiten Konzept befindet sich das PCM
makroverkapselt in PCM-Modulen, die im Speicherbehälter positioniert sind und vom Wärmeträgerfluid
umströmt werden. Im dritten Konzept ist das PCM
Bestandteil des Wärmeträgerfluids und erhöht dessen
Fähigkeit, Wärme zu speichern. Es kann somit an jeden
beliebigen Ort im System gepumpt werden – wo es direkt
Wärme freisetzt oder aufnimmt. Wärmeträgerfluid und
PCM bilden zusammen ein pumpfähiges Speichermedium – auch als „PCM-Slurry“ bezeichnet.
Während für die ersten beiden Konzepte Luft sowie
Wasser oder andere Flüssigkeiten als Wärmeträgerfluid
eingesetzt werden können, eignet sich Letzteres lediglich
für Flüssigkeiten.
Systeme mit Wärmeübergang an Luft
Speicher in thermisch aktivierten Bauteilen (TABS) nutzen raumseitig lediglich die freie Konvektion der Luft
sowie den Strahlungsaustausch zur Wärmeübertragung.
Sie sind daher in ihrer Leistung eingeschränkt. Dies gilt
besonders in Zusammenhang mit PCM als Wärmespeicher, da hier die Temperaturdifferenz zwischen Speichermaterial und Raumluft nur wenige Grad Celsius beträgt.
Abhilfe schafft die Nutzung erzwungener Konvektion,
d. h. die Luft wird aktiv an der Oberfläche des Speichermaterials vorbei geblasen. Der Einfachheit halber wird
dieser Ansatz meist für die Be- und Entladung gleicherweise genutzt. Mögliche Einbauformen sind die in einer
Deckenkonstruktion, im Fußboden oder als separate Einheit. Da Luft als Wärmeträger genutzt wird, ist bei den
meisten Systemen eine Kälteversorgung durch kühle
Nachtluft angestrebt. Da in diesem Fall die Kälte frei zur
Verfügung steht, werden solche Systeme auch „Free cooling“-Systeme genannt. Sie sind energetisch sehr effizient, da keine Energie zur Kälteerzeugung eingesetzt
wird. Allerdings sind die Kanäle so auszuführen, dass
eine Reinigung des Luftwegs ermöglicht wird.
• Systeme zur Raumkühlung in der Deckenkonstruktion
…werden derzeit in Pilotanlagen erprobt. Mit Salzhydraten
gefüllte PCM-Beutel werden bereits in passiven Kühldeckensystemen eingesetzt. Diese sind einfach zu installieren. Jedoch ist aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit der raumseitig abgrenzenden Platten – z. B. Gipskartonplatten – die Kühlleistung begrenzt. Eine aktive
Hinterlüftung verbessert den Wärmetransport und erlaubt
tagsüber höhere Kühlleistungen und eine gezielte nächtliche Regeneration des Systems mit kühler Außenluft.
Der berechnete Temperaturverlauf eines Büroraumes mit
hinterlüfteter Deckenkonstruktion mit PCM zeigt, dass
die Spitzentemperaturen durch das PCM um rund 2 K
reduziert werden können. Eine solche „hinterlüftete Kühldecke mit PCM“ wird im Projekt „PCM-Demo“ untersucht.
Ein weiteres Beispiel ist das von der Firma Climator
(Schweden) entwickelte CoolDeck. Es besitzt eine spezielle Luftführung, bei der die Decke des Raumes die
obere Begrenzung des Luftkanals bildet. Dadurch wird
nicht nur das PCM selbst, sondern auch die Decke als
Speicher verwendet. Das System ist als Teil eines Demonstrationsprojekts im Rathaus von Stevenage (England)
installiert. Die maximale Raumlufttemperatur im Sommer
wurde um 3–4 K reduziert. Da die Kälte allein aus der
Nachtluft bezogen wurde, entstand der einzige Energieverbrauch durch den Ventilator. Hieraus ergab sich laut
Climator ein Wirkungsgrad (COP) im Bereich 10 bis 20.
Heute ist das System bereits in mehreren Gebäuden
installiert.
Aus der Praxis
Dezentrales PCM-Lüftungsgerät im Test
Für ein Demonstrationsprojekt wurden 50 Module des von der
Firma Imtech entwickelten Lüftungs- und Kühlsystems mit einem
PCM-Grafit-Verbundmaterial als Speichermedium in einem Verwaltungsgebäude installiert – jeweils ein Modul pro 7 m2 Bürofläche. Dies entspricht einer PCM-Menge von 5 kg/m2 und einer
Speicherfähigkeit von 0,14 kWh/m2. Vorausgehende Gebäudesimulationen ergaben, dass die installierten Module die operative
Temperatur in normalen Sommern nahezu ständig unterhalb von
26 °C halten sollten. Die im März 2006 begonnenen Tests zeigten,
dass das System in der Lage ist, die Raumluft um bis zu 5 K zu
kühlen, bevor sie wieder dem Raum zugeführt wird. Dabei wurde
eine maximale Kühlleistung von 300 W erreicht. Verglichen mit
einem konventionellen System mit Kompressionskältemaschine
liefert das neue System 82% der Kälte mit nur 5–7% des Stromverbrauchs. Es ermöglicht damit tagsüber eine energieeffiziente
Raumkühlung mit Stromeinsparungen zwischen 60% und 90%.
Die PCM-Lüftungsgeräte sind inklusive Kontrolleinheit seit 2007
am Markt verfügbar. Derzeit werden sie auf den Einsatz in Patientenund Hotelzimmern angepasst.
Forschungsschwerpunkt LowEx
LowEx steht für »Niedrig-Exergie-Technologien«. Hier werden
verschiedene innovative Systeme für Gebäude, Gebäudetechnik und Energieversorgung entwickelt, die eines gemeinsam haben: Sie kommen bei der Wärme- und Kälteerzeugung
und bei der Wärme- und Kälteverteilung im Raum mit möglichst
geringen Temperaturdifferenzen zur Raumtemperatur aus. Auf
diese Weise können auch regenerative Energiequellen genutzt
werden – wie die natürliche Kühle des Erdreichs oder des Grundwassers zum Kühlen sowie solare Wärme zum Heizen. LowEx
ist ein Schwerpunkt der Forschungsinitiative „Energieoptimiertes Bauen“ (EnOB) des Bundesministeriums für Wirtschaft
und Technologie (BMWi).
Weitere Informationen finden sich im Internet unter
www.enob.info
RAL-GÜTESIEGEL
Abb. 25 Das Imtech-Haus in Hamburg:
Testobjekt für 50 PCM-Lüftungsmodule.
Quelle: Imtech
Mit zunehmender Vermarktung
der PCM-Technologie steigt die
Bedeutung der Qualitätssicherung. Daher wurde im Jahr 2004
von mehreren deutschen Firmen
die Gütegemeinschaft PCM e.V.
gegründet und die Entwicklung
geeigneter Verfahren zur Qualitätssicherung an das Bayerische
Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE Bayern) sowie
das Fraunhofer-Institut für Solare
Energiesysteme ISE vergeben. Ziel
ist es, die Qualität der Speichermaterialien selbst sowie von Objekten bzw. Systemen, die solche Speichermaterialien beinhalten, zu gewährleisten. Nach Abschluss der Arbeiten wurde im
Juni 2008 das RAL-Gütezeichen erteilt. Die wesentlichen Gütekriterien sind die gespeicherte Wärmemenge als Funktion der
Temperatur, die zyklische Wiederholbarkeit des Speichervorgangs sowie die thermische Leitfähigkeit der Speichermaterialien, die für die Lade- und Entladezeit der Speicher wichtig ist.
15
16
WTF
PCM Module
WTF
PCM
WTF
PCM
ein
ein
ein
aus
aus
aus
Abb. 26 Speicherkonzepte zur aktiven Einbindung in Heiz- und Kühlsysteme. Quelle: H. Mehling
Außenluftklappe
(geschlossen)
(geschloss
s
sen)
Ventilator
Fortluftklappe
(geschlossen)
PCM (fest)
warme
e Raumluft
Luft
Zuluftklappe
Zuluftklap
ppe
(offen)
Lastbetrieb
(tagsüber)
PCM
Abb. 27 Schematischer Ansatz für aktive Systeme
Abb. 28 Schematische Funktion
mit Luft als Wärmeträgerfluid.
Quelle: ZAE Bayern
einer aktiven PCM-Kühldecke.
Quelle: ZAE Bayern
• Systeme zur Raumkühlung in der Fußbodenkonstruktion
..werden bisher lediglich im Labormaßstab getestet. An
der Universität von Hokkaido in Japan wurde ein solches
System getestet – wobei das PCM als Granulat in einen
doppelten Boden eingebracht wurde. Zur Kühlung des
Raumes wird dessen Luft über eine Ventilationsöffnung
angesaugt, beim Durchströmen des PCM-Granulats
gekühlt und über Öffnungen in der Bodenabdeckung
dem Raum wieder zugeführt. Als Backup zur Entsorgung
der gespeicherten Wärme in der Nacht ist eine Kältemaschine mittels eines Wärmeübertragers in den Luftkreislauf
zugeschaltet. Es ist geplant, dieses Konzept kommerziell
umzusetzen.
• Systeme zur Raumkühlung als separate Einheit
…sind bereits als Produkt am Markt verfügbar. Die Firma
Imtech hat solch ein System (innerhalb des BMWi-Forschungsfeldes „Low-Ex“) entwickelt. Abbildung 30 zeigt
den schematischen Aufbau. Als Speichermaterial wird
ein PCM-Grafit-Verbundmaterial eingesetzt, das eine
hohe Speicherfähigkeit mit hoher Leistung bei kleinen
Temperaturdifferenzen verbindet. Es speichert etwa 30
Wh/kg (108 kJ/kg) im Temperaturbereich 18 °C bis 22 °C.
Das Speichermaterial ist als Stapel von Speicherplatten,
die von Luft umströmt werden, in das Gerät integriert.
Jedes Gerät beinhaltet etwa 35 kg des Speichermaterials –
was einer Speicherfähigkeit von etwa 1 kWh entspricht.
Auch hier wird die Nachtluft als Kältequelle genutzt. Mit
der gespeicherten Kälte kann dann – je nach Einstellung
der Außenluftklappe – die Innenluft des Raumes gekühlt
gekühlte
Raumluft
werden. Es ist auch möglich, im Ventilationsmodus Frischluft von außen anzusaugen, bevor sie dem Raum zugeführt wird.
• Systeme zur Raumheizung
…werden z. B. in Solar-Luft-Anlagen eingesetzt. Diese
bieten den Vorteil, dass sie Ventilation und Heizen in
einem System verbinden können. Die entsprechenden
Latentwärmespeicher werden seit Jahren erforscht und
bereits in Pilotanlagen getestet. Ein Beispiel ist der Speicher, den die Firma Grammer in Zusammenarbeit mit
dem ZAE Bayern im Rahmen des Projekts „Innovative
PCM-Technologie“ entwickelt hat: Beim Aufladen werden vom Solarkollektor verursachte Temperaturspitzen
in der Luft geglättet und beim Entladen die Lufttemperatur über einige Stunden hinweg um 5–8 K erhöht. Der
Speicher war von Februar 2003 bis Dezember 2007 in
Betrieb. Während der gesamten Betriebsdauer zeigte
sich keine erkennbare Veränderung im thermischen Verhalten gegenüber dem Neuzustand.
Systeme mit Wärmeübergang an Wasser
Für Systeme, die Wasser oder andere Flüssigkeiten als
Wärmeträgerfluid nutzen, gibt es viele Beispiele. Bekannt
sind Speicher mit Wärmeübertrager oder mit makroverkapselten PCM-Modulen. Zum Kühlen von Gebäuden
werden solche Speicher meist als Eisspeicher in Kombination mit Kältemaschinen eingesetzt. Der wichtigste
Im Portrait
Simulationssoftware
Im Rahmen des Forschungsverbundprojekts „PCMAktiv“ wurde die Simulationssoftware PCMexpress entwickelt und veröffentlicht. Die Software ermöglicht eine
erste einfache und schnelle Abschätzung von Komfortgewinnen durch den Einsatz eines PCM-Baustoffs. Sie
erarbeitet Empfehlungen darüber, welche PCM wie
sinnvoll eingesetzt werden können und trifft erste Aussagen zur Wirtschaftlichkeit. Die Simulationssoftware
enthält eine umfassende Baustoff-, Konstruktions- und
Wetterdatenbank, die beliebig erweiterbar ist. PCMexpress ist kostenfrei über die Homepage der Valentin
Energiesoftware GmbH zu beziehen. Sie ersetzt allerdings nicht einen Nachweis nach EnEV.
Hersteller, Entwickler und Anwender –
drei Expertenmeinungen
Marco Schmidt
Technisches Marketing für Micronal® PCM bei
der BASF SE, Mitentwickler mikroverkapselter
PCM-Systeme für bauchemische Industrie und
Baustoffhersteller.
Mikrokapseln sind das Vehikel, um den physikalischen Effekt von PCM
in beliebige Baustoffe einzubringen. Durch diese Technologie eröffnen
sich der latenten Wärmespeicherung neue Möglichkeiten. Der Mehraufwand beim Einsatz in Gebäuden bleibt dabei gering. Hersteller
herkömmlicher Baustoffe müssen lediglich überschaubare Produktanpassungen vornehmen. Nach der Entwicklung von ersten Baustoffen
wie Gipsbauplatten, Innenputze oder Porenbeton werden in absehbarer Zeit noch weitere Innovationen mit PCM folgen. Denn Gebäude
müssen in Zukunft selbst in der Lage sein, die zeitliche Differenz zwischen
aktuell verfügbarer (Umwelt-)Energie und ihrer eigentlichen Nutzung
auszugleichen. PCM schlägt vor allem im Leichtbau die Brücke zwischen
Wärmeangebot und -nachfrage – und dies besonders effizient.
Bruno Lüdemann
Imtech Deutschland F&E, Projektleiter, Entwicklung
und Optimierung energieeffizienter Systeme für die
Gebäudetechnik, beteiligt an der Entwicklung eines
PCM-Lüftungsgerätes sowie von PCS-Speichern.
Abb. 29 Screenshot PCMexpress unter www.valentin.de
energetische Vorteil liegt in der Steigerung des Wirkungsgrads durch die nächtliche Kälteerzeugung. Hinzu kommt
ein optimaler Betrieb der Kältemaschine. Durch den Einsatz einer kleineren Kältemaschine – ausgelegt für mittlere Last – werden die Investitionskosten reduziert. Und
auch die Verbrauchskosten lassen sich durch den erhöhten Wirkungsgrad senken – ebenso wie die Reduktion
des Strombezugs zu Spitzentarifen. Im Bereich der
Gebäudeheizung wurden Latentwärmespeicher zunächst
vor allem für den Einsatz in Solar-Heiz-Systemen erforscht,
um den solaren Deckungsanteil zu erhöhen. Ziel war es,
von Beginn an bei gleichem oder kleinerem Bauvolumen
Wärme für mehrere Tage zu speichern. Erste Produkte
sind seit einigen Jahren am Markt. Ein Speicher der Alfred
Schneider GmbH nutzt ein Salzhydrat als Speichermedium. Er wurde bereits in mehreren Dutzend Systemen
installiert. Dabei können nicht nur Solarkollektoren, sondern auch BHKW und Holzfeuerungsanlagen als Wärmequelle eingesetzt werden (Abb. 31).
Ein fassadenintegriertes Speichersystem, das mit dem
Wärmetransportmedium Wasser arbeitet, wurde im Rahmen eines weiteren Forschungsvorhabens von der TROX
GmbH entwickelt. Die besonders kompakte Ausführungsform des Latentwärmespeichers ermöglicht es, das
System raumbezogen in der Fassade unterzubringen.
Dadurch ist es auch für Sanierungsmaßnahmen geeignet. Abbildung 32 zeigt das untersuchte System zur Raumkühlung unter Verwendung der Umgebungsluft als
Wärmesenke: Das System besteht aus dem Latentwärme-
Innovative Speichertechniken sind eine Schlüsseltechnologie, um die
Effizienz von Energieanlagen zu optimieren und zeitlich verschobene
Potenziale an Umweltenergie in hohem Maße zu nutzen. Als technologische Alternative zu bereits erprobten Anwendungen dient mikroverkapseltes Material in Form wasserbasierter Slurries (PCS). Die
PCS-Technik wird von Imtech in einem Pilotprojekt zur Kühlung von
Werkzeugmaschinen in der Industrie eingesetzt. Die Wirtschaftlichkeit
von PCM-Systemen ließe sich durch Nutzung deutlich kostengünstigerer Salzhydrate verbessern; oder durch Entwicklung stabiler
Emulsionen, die gegenüber den Slurries eine höhere PCM-Konzentration im Wasser bei geringeren Kosten versprechen.
Rolf Disch
Geschäftsführer Solarsiedlung GmbH und Wirtschaftsverband Erneuerbare Energien Regio Freiburg; seit
40 Jahren Entwicklung zukunftsweisender Lösungen für
nachhaltiges Bauen wie das Plusenergiehaus® und die
Projekte Heliotrop®, Solarsiedlung und Sonnenschiff.
Das von uns konzipierte Plusenergiehaus kombiniert Energieeffizienz
sowie aktive und passive Nutzung von Sonnenenergie – auch mit
Hilfe der Aktivierung der Gebäudemassen. Im Freiburger Gewerbebau
Sonnenschiff kamen PCM-Leichtbauwände zum Einsatz, in den
Bürozonen wurde ein hoher thermischer Komfort erzielt. Allerdings
konnte messtechnisch kein kausaler Zusammenhang zum PCM-Material
festgestellt werden. Dies kann an der ohnehin schon großen Masse
der Konstruktion liegen. Bei leichten Konstruktionsarten bietet sich
die Nutzung von PCM an. Hierbei können die energetischen Speicherpotenziale von Massivbauten auch auf den Holz- und Stahlbau
übertragen werden. In Kombination mit einer Nachtlüftung verbessert
sich das Behaglichkeitsfeld enorm. Bei guter Planung kann auf eine
technische Kühlung verzichtet werden.
17
18
Abb. 31
PCM-Heizungsspeicher.
Quelle: Alfred Schneider
GmbH
Abb. 32 Aufbau des Kühlsystems bestehend aus
Latentwärmespeicher (1),
Kühldecke mit Kapillarrohrmatte (2) und Fassadenwärmeübertrager (3).
Quelle: TU Berlin,
Hermann-Rietschel-Institut
speicher (1) mit Paraffin als Speichermaterial, einer Kühldecke mit Kapillarrohrmatten (2) und einem Fassadenwärmeübertrager (3). Die tagsüber anfallende überschüssige Wärme wird dem Raum über die Kühldecke entzogen.
Dieser Vorgang erfolgt unter Erwärmung des Wassers
innerhalb der Kapillarrohrmatten.
Das erwärmte Wasser im Kühlkreislauf wird anschließend über eine Pumpe zum Latentwärmespeicher gefördert. Innerhalb des Latentwärmespeichers erfolgt die
Abkühlung des Wassers mit einhergehendem Phasenwechsel des PCM. Der Speicher wird regeneriert, nachdem entweder das Latentmaterial vollständig geschmolzen ist oder kein weiterer Kühlbedarf im Raum besteht.
Dieser Vorgang erfolgt während der Nachtstunden unter
Ausnutzung der niedrigeren Außenlufttemperatur. Das
Wasser zirkuliert während dieser Betriebsphase zwischen
dem Latentwärmespeicher und dem Fassadenwärmeübertrager. Innerhalb des Speichers wird Wärme vom
PCM zum Wasser übertragen und anschließend durch
konvektiven und radiativen Wärmetransport vom Fassadenwärmeübertrager an die Umgebung abgegeben. Das
Latentmaterial geht dabei in den festen Aggregatzustand
über und kann anschließend wieder für die Raumkühlung genutzt werden.
Zusätzlich ermöglicht das System eine direkte Nachtkühlung aller Raumumschließungsflächen, ohne dass
ein sicherheitstechnisch bedenkliches Öffnen der Fenster notwendig ist. Experimentelle und numerische Untersuchungen an der Technischen Universität Berlin ergaben
unter typischen Lastbedingungen in Büroräumen eine
Temperaturabsenkung um bis zu 4 K. Für diese deutliche
Temperaturreduktion waren 2 kg Paraffin pro Quadratmeter Raumfläche erforderlich. Zusätzlich wurde die
wasserbasierte Nachtkühlung der Raumumschließungsflächen genutzt.
Phasenwechsel-Flüssigkeiten
1
Das am häufigsten eingesetzte pumpfähige – oder flüssige – Wärmespeichermaterial ist Wasser. In vielen Fällen
werden auch Mischungen aus Wasser und Glykol eingesetzt. Bei hohen Temperaturen finden oft auch Öle
Anwendung. Diesen flüssigen Wärmespeicher-Materialien
ist gemeinsam, dass die Wärme in ihnen sensibel gespeichert wird.
2
3
4
Abb. 30 Schematische
Darstellung des
aktiven PCM-Kühlmoduls
der Firma Imtech.
Quelle: Imtech
1 Außenluftklappe
2 PCM-SpeicherModul
3 Wärmetauscher
4 Ventilator
Sollen große Wärmespeicherkapazitäten erreicht werden, so kann der Anwender mit großen Volumina arbeiten – oder er nutzt eine große Temperaturerhöhung bzw.
-verringerung. Kann ein System mit großen Temperaturunterschieden zwischen tatsächlich benötigter Temperatur und ausgehender Speichertemperatur arbeiten,
so erreichen sensible Wärmeträgerflüssigkeiten hohe
Wärmespeicherkapazitäten. Sind hingegen nur kleine
Temperaturspreizungen möglich, so verringert sich die
speicherbare Wärmemenge bei sensiblen Wärmeträgermedien sehr stark. Bei einer Speichertemperatur, die
z. B. nur 10 K über oder unter der Anwendungstemperatur
Aus der Praxis
Neuartiges Rückkühlkonzept mit PCM
PCM
Wasser
Leitungsrohr
Abb. 33 Phasenwechsel-Flüssigkeiten (Slurries) bestehen aus
einer Trägerflüssigkeit und darin suspendierten oder emulgierten
PCM. Aufgrund der Partikelgrößen entsteht eine weiße Flüssigkeit.
Quelle: ZAE Bayern (li.), Fraunhofer ISE (re.)
liegen darf, würde man mit reinem Wasser nur noch eine
Wärmemenge von 42 kJ/kg speichern können. Bei diesen
Anwendungen ist eine Flüssigkeit, die PCM enthält, von
großem Vorteil. Bei geeigneter Schmelztemperatur kann
die Wärmekapazität genau im gewünschten Temperaturbereich erhöht werden.
Marktgängig sind bereits Wasser/Eis-Mischungen, die
bis zu einem gewissen Anteil an Eiskristallen pumpfähig
bleiben. Sie können jedoch materialbedingt nur unter 0 °C
eingesetzt werden. Oberhalb 0 °C werden heute hauptsächlich zwei verschiedene Technologien eingesetzt, um
Paraffine in Wasser einzubringen. Zum einen werden sie
mikroverkapselt und anschließend in Wasser suspendiert, zum anderen kann Paraffin mithilfe entsprechender
Additive in Wasser direkt emulgiert werden. Beide Prozesse sollen verhindern, dass das Paraffin – wenn es
geschmolzen ist – zu größeren Tropfen zusammenfließt
und sich vom Wasser trennt. Gleichzeitig sorgt die Dispergierung dafür, dass das Paraffin im flüssigen wie im festen
Zustand überhaupt gepumpt werden kann.
Für den Einsatz von Phasenwechsel-Flüssigkeiten (PCMSlurries) erscheinen Kälteanlagen besonders geeignet,
da bei ihnen die Forderung nach geringen Temperaturspreizungen im System erfüllt ist. Zudem ist hier eine
Kältespeicherung sinnvoll, um günstigere Betriebsbedingungen für die eingesetzten Kältemaschinen zu erreichen
und das öffentliche Stromnetz tagsüber zu entlasten.
Soll z. B. ein Gebäude in dieser Zeit auf 20 °C gekühlt
werden, so ist es zwar möglich, während der Nacht einen
Kältespeicher bis 0 °C zu beladen. Dies führt aber zu
geringen Wirkungsgraden der eingesetzten Kältemaschine
sowie zu hohen Speicherverlusten. Beim Einsatz einer
Phasenwechsel-Flüssigkeit mit einem Schmelzbereich
zwischen 10 °C und z. B. 20 °C und der doppelten Speicherdichte von Wasser, könnte dieselbe Speicherdichte schon
beim Kühlen des Speichers auf 10 °C erreicht werden.
Ein weiteres Potenzial der Slurries liegt im vergleichsweise einfachen Einsatz als Wärmeträgerflüssigkeit in
bestehenden Kältespeichern, um deren Speicherkapazität zu erhöhen.
In herkömmlichen Systemen zum solaren Heizen und Kühlen mit Absorptionskälteanlagen wird die Abwärme über einen Nasskühlturm abgegeben, was einen erheblichen Wasserverbrauch und hohen Wartungsaufwand zur Folge hat. Deshalb wird mit dem Forschungsprojekt „Solares
Heizen und Kühlen mit kompakter Absorptionskälteanlage und Latentwärmespeicher“ (SolCool) ein gänzlich neuer Ansatz verfolgt: An Stelle des
Nasskühlturms wird ein patentiertes Rückkühlkonzept mit trockenem
Luftkühler und innovativem Latentwärmespeicher erprobt. Der Latentwärmespeicher mit einer Phasenwechsel-Temperatur von 29 °C speichert
tagsüber einen Teil der Abwärme, die dann nachts abgegeben wird.
Zudem steht dieser Speicher mit hoher Kapazität für die Kurzzeitpufferung
des solaren Ertrags während der Heizperiode zur Verfügung. Der Versuchsbetrieb am ZAE Bayern hat gezeigt, dass durch den Einsatz eines Latentwärmespeichers die Rückkühlung der Absorptionskälteanlage im
Kühlbetrieb auch bei hohen Außentemperaturen auf dem geforderten
Temperaturniveau von 32 °C gehalten werden kann. Die erhöhte Leistungsaufnahme durch das nächtliche Entladen des Speichers ist hierbei
klein. Sie wird durch die Verlagerung des Spitzenlaststrombedarfs für
die Rückkühlung in die Schwachlastzeiten mehr als ausgeglichen.
Im Heizbetrieb steigt die solare Deckungsrate durch den Einsatz des
Speichers stark an. Zum einen kann überschüssige Wärme tagsüber für
die Nacht gepuffert werden, zum anderen sinken die Verluste des Kollektors
während des Ladevorgangs. Maßgeblich hierfür ist die latente Wärmespeicherung bei konstant niedriger Temperatur. Ein „Hochlaufen“ der
Kollektortemperatur und damit verbundene Wirkungsgradeinbußen –
wie bei üblichen sensiblen Warmwasserspeichern – können dadurch
vermieden werden. Innerhalb der zwei Betriebsjahre hat der Speicher
etwa 300 Heiz- und Kühlzyklen ohne Störung durchlaufen. Er führt innerhalb des Systems zu einer wesentlichen Verbesserung der Systemeffizienz,
speziell im Heizbetrieb – was durch seine niedrige Speichertemperatur
erreicht wird. Die Anlage wird jetzt hinsichtlich der Regelungsstrategie und
Minimierung des Hilfsenergiebedarfs optimiert. Für das Gesamtsystem
wird eine elektrische Leistungsziffer – das Verhältnis von mittlerem Stromverbrauch zu erzeugter Nutzkälte – während des Kühlbetriebes von über
10 und in der Heizperiode um 8 angestrebt.
Abb. 34 Niedertemperatur-Latentwärmespeicher des Projekts „SolCool“.
Quelle: ZAE Bayern
19
Ausblick
Aufgrund intensiver Forschung in den letzten beiden Jahrzehnten sind heute viele Phasenwechsel-Materialien bekannt, die sich für den Einsatz als Latentwärmespeicher eignen.
Mehr als einhundert decken den Temperaturbereich von etwa -40 °C bis etwa 130 °C
ab und sind am Markt verfügbar; einige dieser Materialien werden bereits seit mehr als
10 Jahren in unterschiedlichen Anwendungen erfolgreich eingesetzt. Die dabei verwendeten Kapseltechniken – Mikro- und Makroverkapselung – sind ebenfalls Stand der
Technik. Es existiert hierzu ein anerkanntes Gütesiegel der RAL.
Abgesicherte Erfahrungswerte für die unterschiedlichen Anwendungen (Solarenergieund Biomassenutzung, Kraft-Wärme-Kopplung) liegen bislang noch nicht ausreichend vor,
sodass der Nutzen von Latentwärmespeichern jeweils im Detail nachgewiesen werden
muss. Die Ergebnisse einiger Demonstrationsprojekte zeigen jedoch bereits, dass bei
geeigneter Dimensionierung und Auslegung signifikante Energieeinsparungen und
höhere Wirkungsgrade erreicht werden können. Baumaterialien, die mikroverkapselte
PCM nutzen, sind mittlerweile in vielfältiger Form erhältlich. Beispiele sind Gips-Putze,
Gips-Platten sowie Verbund-Materialien mit PCM. Erste Installationen in realen Gebäuden
wurden 2004 durchgeführt. Vor allem Gips-Platten werden heute bereits in großem
Maßstab kommerziell produziert und eingesetzt. Im Bereich der flüssigen Speichermedien (PCS) werden erste Demonstrationsvorhaben durchgeführt. Doch sind hier
weitere Optimierungen und vor allem Untersuchungen zur Langzeitstabilität notwendig,
um zu marktfähigen Produkten zu gelangen. Zur besseren Verbreitung und Akzeptanz
dieser Materialien tragen anerkannte Planungswerkzeuge und Simulationsmodelle
wesentlich bei. Denn der Vorteil dieser Materialien lässt sich quantifizieren und belegen.
Neben der materialbezogenen Forschung und Entwicklung wird es in den nächsten Jahren
wichtig sein, weitere Erfahrungen in Demonstrationsprojekten zu sammeln und diese zu
evaluieren. Die ersten Pilotanwendungen von PCM-Baumaterialien fanden bereits im
Jahr 2004 statt, Energieeinsparungen und Komfortverbesserungen wurden seitdem nachgewiesen. Es ist deshalb damit zu rechnen, dass diese Materialien in wenigen Jahren als Stand
der Technik akzeptiert werden. Die deutliche Steigerung der Energiekosten hat inzwischen
weltweit – auch in den USA – zur Gründung neuer Firmen in diesem Marktbereich geführt.
Förderung
Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie (BMWi)
11019 Berlin
Projektträger Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
52425 Jülich
Förderkennzeichen
0327303
0327360 A,B,C
0327370 F,G,J,K,S,U
0327384 A-C
0327427 A,B
0329279 A
0329605 D
0329840 A-D
Mehr von BINE
b Thermoaktive Bauteilsysteme, BINE-Themeninfo I/2007
b www.bine.info
Links
b www.enob.info
b www.zae-bayern.de
b www.ise.fraunhofer.de
b www.lowex.info
b www.pcm-ral.de
b www.pcm-storage.info
b www.micronal.de
b www.glassx.ch
b www.effstock2009.com
Literatur
Heat and cold storage with PCM – An up to date introduction into basics and applications,
H. Mehling, L.F. Cabeza, Springer, ISBN 978-3-540-68556-2
Energieeffiziente Klimatisierung mit Phasenwechselmaterialien, KI Luft- und Kältetechnik 7-8/2006
PCM eröffnet neue Wege für die Raumlufttechnik, KI Luft- und Kältetechnik 9/2004
Aktive Raumkühlung mit Nachtkälte – Entwicklung eines dezentralen Lüftungsgerätes
mit Latentwärmespeicher, KI Kälte – Luft – Klimatechnik 4/2007
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2010
www.micronal.de