Abschlussbericht zum Verbundforschungsvorhaben · PCM) im Wandaufbau selektiv in einem gewünschten Temperaturbereich das Wärmespeichervermögen des Gebäudes erhöhen ist nahe liegend,

Abschlussbericht zum Verbundforschungsvorhaben

Latentwärmespeicher in Baustoffen

Gemeinsamer Bericht aller Projektteilnehmer in den

Teilprojekten 0329840 A- D

BASF AG

Deutsche Amphibolin-Werke von Robert Murjahn Stiftung & Co. KG

Maxit Deutschland GmbH

STO AG

Autoren:

Christiane Saalbach, maxit Marcus Hill, maxit Ekkehard Jahns, BASF-AG Erhardt Bister, DAW Rainer Fürstner, STO Peter Schossig, Fraunhofer ISE Hans-Martin Henning, Fraunhofer ISE Thomas Haussmann, PSE mbH

Hinweis:

Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit unter dem Förderkennzeichen 0239840 A-D gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

Inhaltsverzeichnis

1 AUFGABENSTELLUNG ................................................................................ 5

2 VORAUSSETZUNGEN ................................................................................. 6

3 PLANUNG UND ABLAUF DES AUFTRAGES................................................ 6

4 STAND DER TECHNIK UND WISSENSCHAFT ............................................. 8

5 ZUSAMMENARBEIT MIT ANDEREN STELLEN.......................................... 10

6 DARSTELLUNG DER ERGEBNISSE ............................................................ 11

6.1 Simulationen .................................................................................................................11 6.1.1 PCM im Außenbereich.................................................................................................13 6.1.2 PCM im Innenbereich ..................................................................................................14

6.1.2.1 Wohnhäuser .......................................................................................................15 6.1.2.2 Bürogebäude ......................................................................................................16

6.1.3 Ergebnis der Gebäudesimulationen..............................................................................19

6.2 Materialien.....................................................................................................................21 6.2.1 Materialscreening ........................................................................................................21 6.2.2 BASF – Entwicklung Mikroverkapselte Latentwärmespeicher........................................23

6.2.2.1 Projektverlauf ......................................................................................................25 6.2.3 Maxit – PCM-Gipsputz im Innenbereich .......................................................................28

6.2.3.1 Projektablauf.......................................................................................................28 6.2.3.2 Maxit clima .........................................................................................................29 6.2.3.3 Realisierte Demoprojekte während der Projektlaufzeit .........................................30 6.2.3.4 Zusammenfassung des Projektes .........................................................................31

6.2.4 DAW – PCM-Spachtelmasse im Innenbereich...............................................................32 6.2.4.1 Grundlagenentwicklung im Labor .......................................................................32 6.2.4.2 Erste Anwendungstests .......................................................................................34 6.2.4.3 Analysen und Messreihen....................................................................................36 6.2.4.4 Weiterentwicklung der Rezepturen .....................................................................37 6.2.4.5 Ausstattung von Messräumen am ISE in Freiburg ................................................38 6.2.4.6 Optimierung der Rezepturen ...............................................................................41 6.2.4.7 Anwendungstest mit einem Hersteller von Fertigwänden ....................................42 6.2.4.8 Zusammenfassung der Ergebnisse des Teilprojektes DAW...................................42

6.2.5 Sto – PCM in Bauplatten und im Außenbereich ...........................................................44 6.2.5.1 Bauplatten mit Latentwärmespeicher ..................................................................44 6.2.5.2 Reduzierung von Betauung auf Gebäudefassaden ..............................................45 6.2.5.3 Projektverlauf ......................................................................................................46

6.3 Messungen.....................................................................................................................47 6.3.1 Materialmessungen .....................................................................................................47

6.3.1.1 DSC ....................................................................................................................47 6.3.1.2 REM....................................................................................................................48 6.3.1.3 Plattenapparatur .................................................................................................48

6.3.1.3.1 Vermessung von Wandmustern .....................................................................51 6.3.2 3-Liter Haus Ludwigshafen...........................................................................................57 6.3.3 Holzkirchen..................................................................................................................60 6.3.4 ISE-Neubau ..................................................................................................................67 6.3.5 Fassadenteststand........................................................................................................71

6.3.5.1 Die Testzellen......................................................................................................71

6.3.5.2 Die Fassade .........................................................................................................73 6.3.5.3 Lüftung ...............................................................................................................75 6.3.5.4 Regelbare Solargewinne ......................................................................................77 6.3.5.5 Messwerterfassung .............................................................................................78 6.3.5.6 Vermessung der PCM-Spachtelmasse von DAW (2003) .......................................79

6.3.5.6.1 Vorbereitung der Kabinen..............................................................................79 6.3.5.6.2 Visualisierung von Schwachstellen mittels IR-Thermographie..........................79 6.3.5.6.3 Bestimmung des K-Wertes der Fassadenkonstruktion der Zellen und Vergleich der Speicherfähigkeit........................................................................................................80 6.3.5.6.4 Ausstattungen der Testkabine mit Spachtelmassen ........................................81 6.3.5.6.5 Messwerterfassung ........................................................................................83 6.3.5.6.6 Messergebnisse für unterschiedliche Randbedingungen.................................83

6.3.5.7 Vermessung Maxit Gipsputze (2003) ...................................................................96 6.3.5.7.1 Vorbereitung der Messräume.........................................................................96 6.3.5.7.2 Visualisierung von Schwachstellen mittels IR-Thermographie..........................96 6.3.5.7.3 Bestimmung des K-Wertes der Fassadenkonstruktionen der Zellen und Vergleich der Speicherfähigkeit ........................................................................................96 6.3.5.7.4 Ausstattung der Testkabinen mit Gipsputz.....................................................97 6.3.5.7.5 Messwerterfassung ........................................................................................98 6.3.5.7.6 Messergebnisse für unterschiedliche Randbedingungen.................................99

6.3.6 Zyklierung ..................................................................................................................109 6.3.7 Außenputz.................................................................................................................111

6.3.7.1 Messungen........................................................................................................112 6.3.7.2 Fazit des Bewitterungstest .................................................................................115

6.4 Vergleich Messung und Simulation ...........................................................................117 6.4.1 Validierung des Simulationsmodells............................................................................117

6.4.1.1 Simulation der Referenzzelle..............................................................................118 6.4.1.2 Simulation der PCM-Testzelle ............................................................................119

6.4.1.2.1 Vergleich der Auswirkung des PCM-Putzes auf das Raumklima der Testzelle im Vergleich zu Ziegelmauerwerk........................................................................................120

7 VERWERTBARKEIT DER ERGEBNISSE.....................................................122

8 FORTSCHRITT AUF DEM GEBIET BEI ANDEREN STELLEN......................123

9 PATENTE..................................................................................................123

10 VERÖFFENTLICHUNGEN......................................................................123

Abschlussbericht zum Verbundprojekt Latentwärmespeicher in Baustoffen

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1 Aufgabenstellung

Nach der ersten Ölkrise in den frühen 70er Jahren des 20ten Jahrhunderts wurden in vielen Ländern dieser Erde erstmals seit Beginn der Industrialisierung große Anstrengungen zur Verringerung des bis dahin ungebremst wachsenden Energieverbrauchs unternommen. Aufgrund des großen Anteils am Primärenergieverbrauchs kommt der Raumheizung bzw. Klimatisierung dabei eine Schlüsselrolle zu.

Mechanische Energie; 37.8%

Raumheizwärme; 33.9%

Information und Kommunikation;

1.4%

Prozesswärme; 24.8%

Beleuchtung; 2.1%

Abbildung 1: Endenergieverbrauch in Deutschland 2001.

Gesamtenergieverbrauch: 9469 PJ, Quelle: AG- Energiebilanzen

In vielen Forschungsvorhaben wurde bereits die Möglichkeit untersucht, die thermischen Masse eines Gebäudes durch das Einbringen von Latentwärmespeichern in die Baustoffe zu erhöhen und dadurch das thermische Verhalten des Gebäudes positiv zu beeinflussen. Der Grundgedanke, dass Phasenwechselmaterialien (eng. Phase Change Materials, PCM) im Wandaufbau selektiv in einem gewünschten Temperaturbereich das Wärmespeichervermögen des Gebäudes erhöhen ist nahe liegend, aber die Umsetzung, wie die lange Geschichte dieser Forschungsvorhaben zeigt, nicht trivial.


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2 Voraussetzungen

Durch den Einsatz von Mikrokapseln in kohlefreiem Durchschreibpapier verfügt die BASF seit 1953 über Erfahrung auf dem Gebiet der Mikroverkapselung. Ebenso waren große Kenntnisse auf dem Gebiet der in Frage kommenden Materialklasse der Paraffine vorhanden. Die Chancen, auch diese Substanzen mikrozuverkapseln wurde von BASF zu Projektbeginn als sehr gut bezeichnet.

Die Baufirmen DAW, maxit und Sto verfügen jeweils über eigene Entwicklungsabteilungen, die in der Lage sind, auf Basis der von BASF zur Verfügung gestellten Rohstoffe Rezepturen zu entwickeln, die eine ausreichende Menge an Latentwärmespeicher enthalten und gleichzeitig andere Anforderungen an die Baustoffe wie Verarbeitbarkeit und Haltbarkeit erfüllen. Durch die unterschiedliche Zielsetzung hinsichtlich der Endprodukte sollte Doppelarbeit vermieden werden und am Projektende eine Anzahl verschiedenartiger Produkte auf dem Markt verfügbar sein.

Durch eine von maxit beauftragte Studie aus dem Jahr 1996 waren am Fraunhofer ISE bereits erste Arbeiten zu dem Thema Latentwärmespeicher in Baustoffen durchgeführt worden, so dass insbesondere ein aktueller Überblick über internationale laufende Forschungsarbeiten und Patentrechte auf diesem Gebiet vorlag. Im Rahmen dieser Studie waren auch detaillierte Kenntnisse der in Frage kommenden Substanzklassen erarbeitet worden. Ebenso war durch die entsprechende Ausstattung des Themoanalyselabors die technische Ausrüstung zum großen Teil vorhanden, um die zur Projektlaufzeit notwendigen Messungen durchführen zu können.

Insgesamt erschien zu Projektbeginn, durch die Kombination der oben genannten Fähigkeiten, das Konsortium in dieser Zusammensetzung sehr gut geeignet, die geplanten Projektziele zu erreichen.

3 Planung und Ablauf des Auftrages

In dem Verbund übernimmt die BASF Aktiengesellschaft die Entwicklung der mikroverkapselten Latentwärmespeichermaterialien. Die Baustofffirmen Maxit, DAW und Sto entwickeln hieraus die für Ihre jeweiligen Anwendungen gedachten Baustoffe. Die Firma Maxit einen Innenputz auf Gips oder Kalk-Zement-Basis, Die Firma DAW eine dispersionsgebundene Spachtelmasse und die Firma Sto Bauplatten für beispielsweise Akustikdecken, später wurden aber vor allem mineralische und pastöse Armierungen für Wärmedämmverbundsysteme entwickelt. Das Fraunhofer ISE übernimmt im Unterauftrag aller Partner die wissenschaftliche Begleitung des Forschungsvorhabens. Als erste Schritte sind dies Simulationen und Parameterstudien, um sinnvolle Anwendungen und Latentwärmespeichermaterialien zu identifizieren. Im weiteren Verlauf des Projektes werden die thermischen Eigenschaften der Rohstoffe, Halbzeuge und Produkte untersucht.


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Die Teilentwicklungsprojekte der BASF Aktiengesellschaft und ihr Unterauftrag an das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme beinhalten die folgenden Ziele:

- Grundlegende Charakterisierung der Materialien und Anwendungen

- Weiterentwicklung der Mikroverkapselungstechnik

- Optimierung der thermischen und mechanische Eigenschaften

- Bemusterung der Projektpartner mit PCM

- Up-scaling des Herstellungsverfahrens vom Labor zur großtechnischen Produktion

Das Teilentwicklungsprojekt von Maxit und ihr Unterauftrag an das Fraunhofer ISE haben folgende Ziele:

- Bestimmung sinnvoller Anwendungen und Schmelzbereiche

- Entwicklung/Herstellung maschinengängiger PCM-Putze

- Charakterisierung der Eigenschaften der PCM-Putzsystem

- Langzeittest zur Zyklenstabilität

- Vermessung von Prototypen (Wandmuster, Testräume)

- Baustoffzulassung (Brandtest...)

- Realisierung von Demoobjekten

Das Teilentwicklungsprojekt von DAW und ihr Unterauftrag an das Fraunhofer ISE haben folgende Ziele:


- Entwicklung/Herstellung der PCM-Spachtelmassen

- Charakterisierung der Eigenschaften der Spachtelmassen

- Langzeittest zur Zyklenstabilität

- Vermessung von Prototypen (Wandmuster, Testräume)

- Realisierung von Demoobjekten

Das Teilentwicklungsprojekt von Sto und ihr Unterauftrag an das Fraunhofer ISE haben folgende Ziele:


- Entwicklung der PCM-Baustoffplatten

- Charakterisierung der Eigenschaften der Baustoffplatten

- Entwicklung von Wärmedämmverbundsystemen mit PCM-Armierungen

- Durchführen von Bewitterungstests

Für die Entwicklung war ein Zeitraum von 5 Jahren (1.1.1999 bis 31.12..2003) vorgesehen.


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Die Koordination der Aktivitäten der Projektpartner erfolgte sowohl in bilateralen Treffen und Gesprächen, wie auch bei halbjährlich stattfindenden Projekttreffen aller Teilnehmer.

4 Stand der Technik und Wissenschaft

Aus den 70er Jahren stammen die meisten Veröffentlichungen und Patente zum Thema Latentwärmespeichern in Baustoffen. Allerdings brachte es keines der angedachten Produkte zu einem nennenswerten Markt. Dies lag im Wesentlichen an den Problemen der damals technisch realisierbaren Möglichkeiten der Integration der Phasenwechselmaterialien in den Baukörper. Es wurden immer wieder 2 Ansätze verfolgt: Direkteinbringung und Makroverkapselung.

Bei der Direkteinbringung wird das einzusetzende Phasenwechselmaterial direkt ohne Umhüllung dem Baustoff beigegeben. Als Beispiel sei hier die Imprägnierung von Gipskartonplatten mit flüssigem Paraffin genannt. Abgesehen davon, dass das Phasenwechselmaterial im flüssigen Zustand die mechanischen Eigenschaften der Baustoffe verändert, ist diese Methode wegen des Austretens der PCMs in der flüssigen Phase oder des Ausgasens von Stoffen nicht tolerabel.

Der Zweite oft untersuchte Ansatz war und ist die Makroverkapselung. Hier wird das PCM in einen festen Container verpackt, so dass der Baustoff unabhängig vom Aggregatzustand des PCMs immer nur Kontakt zum Hüllenmaterial hat. Die oben genannten Probleme der Direkteinbringung stellen sich damit nicht mehr. Untersucht wurden hier in den USA vor allem Metallcontainer und Polymerhüllen in der Größe von Tennisbällen (diese finden immer noch in der Kältetechnik, von Wasser umspült, in Speichern ihren Einsatz). Diese Methode der Einbringung birgt folgende Nachteile:

1. Der Aufwand der Fertigung und vor allem des Einbringens in den Baukörper ist sehr hoch, da der mögliche Automatisierungsgrad auf der Baustelle gering ist. Dies treibt die Kosten.

2. Schon beim Einbringen besteht die Gefahr der Beschädigung der Container, vor allem aber ist auch bei der Nutzung des Gebäudes ein Bearbeiten der mit Makrokapseln ausgestatteten Wand nicht zulässig, da Kapseln verletzt werden könnten. Ein späteres Nageln oder Bohren in diesen Wänden ist damit riskant, was die Nutzung des Gebäudes u.U. einschränkt.

3. Der am schwersten zu lösende Nachteil der Makroverkapselung ist jedoch die Selbstisolation der PCMs in der Kapsel. Die meisten bekannten PCMs sind zumindest im festen Zustand schlechte Wärmeleiter. Ein Aufschmelzen des PCMs in der Kapsel ist leicht möglich, da beim Aufheizen zusätzlich zur Wärmeleitung im PCM noch der Transportmechanismus der Konvektion beim Transport der Wärme von der Kapselwand zur Phasenwechselgrenze hilft. Beim Abkühlen des PCMs dagegen wächst an der Kapselwand eine immer dicker werdende Schicht festen Phasenwechselmaterials, die nur durch die in der Regel schlechte Wärmeleitung des PCMs einen Transport der Wärme aus der Kapsel ermöglicht. Dies führt bei einer weiteren Abkühlung des PCMs zu dramatischen Einbrüchen in der Leistung auf


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der Wandoberfläche. Dieses systemimmanente Problem verhinderte eine weite Verbreitung von PCM-Speichern in Makrokapseln.

Eine Schlüsseltechnologie, die die oben genannten Probleme der Direkteinbringung und der Makroverkapselung umgeht, ist die nun mögliche Mikroverkapselung von Phasenwechselmaterialien. Hier wird das Phasenwechselmaterial ebenfalls mit einer Hülle umgeben, so dass dem Baustoff unabhängig vom Aggregatszustand des PCMs eine feste Substanz beigemischt und ein Austreten des PCMs in flüssigen Zustand unmöglich ist. Liegt die Größe der verwendeten Kapseln aber weit unter einem Millimeter (die im Projekt verwendeten Kapseln sind nur zwischen 2 und 20µm groß), stellen sich auch die Probleme der Makrokapseln so nicht mehr. Durch die geringe Größe können die Kapseln gleich bei der Herstellung des Baustoffes automatisiert, quasi als Zuschlagsstoff, beigemischt werden, so dass sich die Handhabung des Baustoffes auf der Baustelle nicht von einem herkömmlichen Baustoff unterscheidet. Auch ein weiteres Bearbeiten der Wand während der Nutzungsphase ist möglich. Die Kapseln werden dabei aufgrund ihrer geringen Größe mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht beschädigt. Sollten einzelne doch Schaden nehmen ist die austretende Menge verschwindend gering. Vor allem aber stellt sich das Problem der Selbstisolation des PCMs nicht mehr. Die Kapseln sind von einer vom Aggregatzustand unabhängig wärmeleitenden Matrix des Baustoffes umgeben, dessen Eigenschaften die Wärmeleitung in den Speicher bestimmen.

Abbildung 4-1 zeigt schematisch am Beispiel eines Innenputzes auf einer Leichtbauwand diese Grundidee, wie mikroverkapselte Latentwärmespeicher in Baustoffe integriert werden können.

Abbildung 4-1: Schematische Darstellung der Grundidee des Einbringens von

mikroverkapselten Phasenwechselmaterialien in Baustoffe

Die Mikrokapseln liegen fein verteilt in einem Putz vor und stehen dadurch in einem sehr guten thermischen Kontakt zu dem Baustoff, so dass bei


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geeigneten Baustoffen ein schnelles Be- und Entladen des Speichermaterials möglich ist.

Diese neue Technologie, die in Kapitel 6.2.2 genauer beschrieben wird, führte dazu, dass im Rahmen dieses Projektes die alte Idee der Integration von Latentwärmespeichern in Baustoffen neu aufgegriffen wurde und mit Abschluss dieses Projektes Produkte am Markt verfügbar und erste Gebäude damit ausgestattet sind.

Aufbauend auf dieser Idee war es Ziel dieses Projektes, die Technologie der Mikroverkapselung von Phasenwechselmaterialien zur Marktreife zu bringen (Aufgabe der BASF), mit diesem Kapselpulver als Ausgangstoff Bauprodukte zu Entwickeln, die sowohl das energetische Verhalten des Gebäudes verbessern und/oder den Komfort Erhöhen (maxit, DAW) oder dem Bauteilschutz dienen (Sto). Die dazu unternommenen Schritte und abschließenden Ergebnisse sollen in den folgenden Kapiteln vorgestellt werden.

5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Kurze Zeit nach Beginn des Verbundprojektes „Latentwärmespeicher in Baustoffen“ wurde das themenverwandte Leitprojekt „Innovative PCM Technologien“ gestartet. Dieses war thematisch breiter angelegt und fokussierte zu Beginn Salzhydrate als Phasenwechselmaterialien. Da aber im Bereich Baustoffe Überschneidungen gegeben waren und Arbeitsansätze wie Gebäudesimulation und Materialmessungen ähnlich waren, wurde durch die Zusammenarbeit der beiden beteiligten Forschungsinstitute, Fraunhofer ISE und ZAE-Bayern, ein Informationsfluss sichergestellt. Dadurch sollte Doppelarbeit vermieden und die Vergleichbarkeit der Ergebnisse sichergestellt werden.

So wurde dem ZAE empfohlen, die im Laufe der Vorarbeiten des Verbundprojektes gefallene Entscheidung, das Simulationswerkzeug esp-r für die Gebäudesimulationen zu verwenden, um hier gleiche Werkzeuge zu verwenden. In einem zweiten Schritt wurde ein Standardgebäude inklusive der Randbedingungen wie Wetterdaten und Nutzerverhalten definiert, das beide Institute als Basis für ihre Simulationsarbeiten verwenden, um die Ergebnisse direkt vergleichen zu können. Dadurch wurde auch das Risiko von Fehlern in der Modellbildung verringert und die Qualitätssicherung vereinfacht.

Auch über das Durchführen der Materialmessungen fand ein Informationsaustausch zwischen dem ISE und den ZAE-Abteilungen 1 des (Energieumwandlung- und Speicherung in Garching) und Abteilung 2 (Wärmedämmung und Wärmetransport in Würzburg) statt.

Zusätzlich zu dieser Zusammenarbeit der Forschungsinstitute wurden zwei Gesamtprojekttreffen aller beteiligten Parteien durchgeführt. Das erste fand im Sommer 2001 am Fraunhofer ISE in Freiburg statt, das zweite im Frühjahr 2003 beim ZAE in Garching.

Zusätzlich zur Zusammenarbeit der beiden Projekte gab es einen Austausch des Fraunhofer ISE mit dem Fraunhofer Institut für Bauphysik IBP, Institutsteil Holzkirchen.


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6 Darstellung der Ergebnisse

6.1 Simulationen

Nachdem aus der Literatur Materialparameter bekannt waren und erste Abschätzung der auftretenden Energieströme ergaben, dass realistisch einzubringende Mengen bereits nennenswerte Effekte zeigen, wurden dynamische Gebäudesimulationen notwendig, um detailliertere Aussagen treffen zu können.

Sowohl um sinnvolle Anwendungsgebiete zu identifizieren, als auch um optimale Materialparameter zu bestimmen sind Computersimulationen ein unverzichtbares Hilfsmittel und helfen teure und zeitaufwendige Messungen zu vermeiden. Deshalb wurde bei Projektstart mit der Entwicklung eines numerischen Modells für Baustoffe mit integrierten Phasenwechselmaterialien begonnen. Ziel war zum einen das Erstellen eines Pflichtenheftes für die Phasenwechselmaterialien bzw. Baustoffe (Schmelztemperatur, eingebrachte Menge und Einbringungsort) und zum anderen das Feststellen der notwendigen bzw. vielversprechensten Randbedingungen für ein derartiges Produkt (Wohnbau oder Büro, Leichtbau, Überhitzungsvermeidung oder Heizenergieersparnis).

Da der Fokus in diesem Projekt auf Baustoffen lag und die Entwicklung eines eigenen Gebäudemodells zur Simulation zu aufwendig gewesen wäre, wurden die am Markt befindlichen Gebäudesimulationsprogramme auf ihre Eignung bzw. Erweiterungsfähigkeit auf diesem Gebiet untersucht. Die Wahl fiel schließlich auf das im Quellcode frei verfügbare Programm esp-r der Strathclyde University of Glasgow. Zum einem war die Verfügbarkeit des Quellcodes eine notwendige Vorbedingung, zum anderen war das Gebäudemodell über viele Jahre validiert worden und die numerischen Grundlagen des verwendeten Modells eigneten sich bestens für die Integration von Phasenwechselmaterialien. Im Vergleich zu anderen, in Deutschland weiter verbreiteten Programmen wie beispielsweise TRNSYS verfügt esp-r über ein geometrisches Modell der simulierten Räume und über eine finite Elemente Repräsentation der Wände, die eine direkte Manipulation der Materialparameter in den einzelnen Wandschichten zur Laufzeit ermöglichen. Als Modell des Phasenwechselmaterials wurde die so genannte „Enthalpiemethode“ verwendet, da sie für die im Projekt verwendeten Materialien und die im Gebäudebereich üblichen Zeitverläufe am geeignetesten erscheint. Dieses Modell repräsentiert den Phasenwechsel nicht als vollständig isothermen Prozess, sondern als eine Erhöhung der sensiblen Wärme cp in einem Temperaturbereich. Bei den in der Praxis vorkommenden und auch hier verwendeten Mischstoffen entspricht dies eher der Realität als eine singuläre Phasenwechseltemperatur. Auf das Gebäude bezogen bedeutet dies, dass für jeden Zeitschritt der Simulation und jeden, eine Masse repräsentierenden Knoten einer Wand, die jeweils gültigen Materialparameter wie Wärmespeicherfähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit in einer Tabelle nachgelesen oder mittels einer Funktion berechnet werden müssen. Die im Simulationsprogramm esp-r vorhandenen Fähigkeiten wurden deshalb daraufhin erweitert, nichtlineare Wärmespeicherfähigkeiten abzubilden. Die Datenbasis für eine derartige temperaturabhängige Wärmespeicherfähigkeit wird durch theoretische Überlegungen oder durch Messungen an real existierenden Materialien gewonnen. Abbildung 6-1 zeigt die für erste Vorüberlegungen angenommen einfachen Modelle einer Rechteckfunktion


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und die später verwendeten, aus Messungen genäherten, deutlich realeren Funktionen.

Abbildung 6-1: Verschiedene Näherungen der Schmelzwärmefunktion

Der Verlauf dieser Funktion ist ein entscheidendes Charakteristikum des Materials und war Gegenstand umfangreicher Untersuchungen und Optimierungen, wie die folgenden Abschnitte zeigen. Das im Rahmen dieser Arbeiten erstellte Computermodell wurde im weiteren Projektfortschritt anhand von Messwerten validiert (Kapitel 6.4.1).

Der folgende Abschnitt gliedert sich in Simulationen für PCM im Innen- bzw. Außenbereich und verschiedene Gebäudetypen. Grundsätzlich ist zuerst die Frage zu klären, in welchen Teilen des Wandaufbaus PCMs sinnvoll eingesetzt werden können.

Abbildung 6-2: Schematischer Wandaufbau mit verschiedenen Möglichkeiten der

Einbringung des Phasenwechselmaterials

In Frage kommen Innenputz, Außenputz, Vermischen mit der Isolation oder Verfüllen von Hohlräumen (z.B. Hohlziegel) der tragenden Wand. Ein Vermischen mit der Isolation erscheint wenig sinnvoll, da die schlechte Wärmeleitfähigkeit ein Aktivieren des PCMs deutlich erschwert. Untersucht wurden daher nur die 3 übrigen Fälle.


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6.1.1 PCM im Außenbereich

Eine in unseren Breiten erforderliche Isolierung trennt den Außenputz thermisch wirksam vom Innenraum (Abbildung 6-2). Dadurch ist der energetische Einfluss des Außenputzes auf den Innenraum gering. Zumal der wesentliche Effekt der Strahlungswärme, durch den sich bei einer Veränderung der Oberflächentemperatur im Innenraum Komfortsteigerungen ergeben, beim Außenputz entfällt. Tatsächlich zeigen die Simulationen für den Außenputz kaum Einfluss des PCMs auf den Energiehaushalt des Gebäudes, obwohl eine deutliche Glättung der Außenputztemperatur zu sehen ist (Abbildung 6-3).

Abbildung 6-3: Verlauf der Oberflächentemperaturen der Außenwand für

Schmelztemperaturen von 19°C und 12°C

Auch für die Extremfälle, in denen zur Verdeutlichung des Effektes auf eine Isolierung verzichtet wurde, zeigen kaum Energieeinsparungen. Grund ist der Zeitverlauf der Temperaturen. Die Zeiten, in denen man tagsüber durch das PCM unter der Temperatur einer Vergleichswand liegt, werden dadurch kompensiert, dass nachts die Temperaturen der PCM-Wand höher liegen. An der Innenwandoberfläche macht sich dies zwar auch (wenn auch minimal, je nach Isolierung) bemerkbar, aber nur als Schwankung der Temperaturdifferenz, phasenverschoben zur Außenwand.


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Abbildung 6-4: Verlauf der Oberflächentemperaturen an der Innenwand mit PCM im

Außenputz mit den Schmelztemperaturen von und 19°C 12°C

Ob dies Energie einspart oder nicht, liegt nur am Nutzungsprofil des Raumes. Es ließen sich Fälle konstruieren, in denen der Energieverbrauch des PCM-verkleideten Gebäudes marginal höher war als der des Referenzgebäudes, da die höhere Temperatur immer nachts, zu Zeiten einer Nachtabsenkung der Heizung anlag. Dies lässt einen Einsatz von PCM im Außenbereich zur Energieeinsparung als nicht sinnvoll erscheinen. Aus anderen Gründen, z.B. zur Verringerung von Verschmutzung oder Materialermüdung durch geringere Temperaturschwankungen kann der Einsatz dennoch erwogen werden.

6.1.2 PCM im Innenbereich

Im Innenbereich wurden sowohl Wohngebäude als auch Bürogebäude untersucht. Abbildung 6-5 zeigt ein simuliertes Wohnhaus. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass der Einsatz von PCM insbesondere in Leichtbauten vielversprechend erscheint. Bei Gebäuden mit schwerer Bausubstanz fällt eine weitere Erhöhung der thermischen Masse prozentual weniger ins Gewicht.


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6.1.2.1 Wohnhäuser

Abbildung 6-5: Simuliertes Einfamilien-Wohnhaus

Angenommen wurde ein Niedrigenergiehaus mit ca. 70 m² Grundfläche. Es wurden nur die Südräume mit PCM-Putz versehen, da die Nordräume kaum Solargewinne erwarten lassen. Auch aus Komfortgründen kann es kritisch sein, Schlafräume damit auszustatten (zu warm in Sommernächten). Trotz der Variation verschiedener Parameter (PCM-Menge, Schmelztemperatur, innere Lasten) war die Heizenergieerparnis in dieser Konstellation gering (<2%). Dies liegt im Wesentlichen daran, dass nicht genügend Überschüsse zum Einlagern in den Speicher zur Verfügung stehen. Nur in den Übergangszeiten überschreitet die Raumtemperatur tagsüber 20°C, wenn nachts bereits geheizt werden muss. Im Winter, wenn der Hauptteil der Heizenergie verbraucht wird, wird das PCM auch tagsüber nicht mehr geladen. Je höher die Schmelztemperatur, desto deutlicher ist der Effekt, dass der Speicher nicht mehr geladen wird. Geht man mit der Schmelztemperatur unter die Heiztemperatur von 20°C, und nimmt die heute als Standard etablierte Nachtabsenkung auf 16°C an, so steigt der Energieverbrauch sogar deutlich an. Dies liegt daran, dass sich das PCM im Laufe der Nacht entlädt und morgens mit der Heizung beladen werden muss. Anders gesprochen hält es nachts die Innenraumtemperatur höher und erhöht so die Wärmeverluste. In Anbetracht der in den Messungen festgestellten Materialcharakteristik (die in diesen Simulationen nur genähert wurden) lässt sich ein optimales Material für diesen Anwendungsfall (großer Peak bei 20°C oder 22°C und keine Schmelzwärme unter 20°C) nur schwer vorstellen. In Verbindung mit den geringen Energieeinsparungen ist PCM in Wohngebäuden zur Heizenergiereduzierung nicht leicht zu realisieren. Explizit ausgenommen von dieser Aussage sind Passivhäuser, insbesondere als Fertighäuser oder in Leichtbauweise. Diese bedürfen einer gesonderten Betrachtung.


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6.1.2.2 Bürogebäude

Da gerade Bürobauten in Deutschland zum großen Teil in Leichtbauweise ausgeführt werden und aufgrund der höheren inneren Lasten und des stärker schwankenden Tag/Nacht Nutzungsprofiles für die Anwendung von Latentspeicherbaustoffen geeignet erscheinen, wurde das Modell eines Büroraumes erstellt und in verschiedensten Varianten simuliert. Der besseren Vergleichbarkeit und um die Ergebnisse repräsentativ zu halten, wurde eine in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Bauphysik IBP definierte Bürozelle verwendet. Diese besteht aus zwei durch einen Flur getrennten Büros, die ideal Nord bzw. Süd ausgerichtet sind (Abbildung 6-6). Die Geometrie der Räume, die inneren Lasten und Zeitabläufe der Last und die Lüftungsprofile sind standardisiert. Lediglich die Wandaufbauten und die umgebenden Klimata wurden für dieses Projekt variiert. Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten wurde dieses Standardbüro auch im Leitprojekt „Innovative PCM-Technologie“ als Vergleichsobjekt verwendet.

Abbildung 6-6: Simuliertes Standardbüro

Für den Fall der Heizenergieersparnis gelten auch im Bürogebäude fast dieselben Aussagen wie oben. Da die inneren Lasten normalerweise in Bürogebäuden höher liegen, ist die Ausgangsbasis etwas besser. Aber auch hier ist die Materialwahl schwer. Vielversprechender erscheint der Fall der sommerlichen Überhitzungsvermeidung. Die hierfür benötigte Schmelztemperatur von 24°C – 26°C steht als Material leichter zur Verfügung, kollidiert weniger mit einer Nachtabsenkung im Winter und der Zyklus zwischen Laden und Entladen steht häufiger zur Verfügung. Durch die häufig hohen inneren Lasten muss oft bereits in den Übergangszeiten klimatisiert werden und auch im Sommer dürfte es an den meisten Standorten Deutschlands noch überwiegend gelingen den Speicher zu entladen. Notwendig hierfür ist allerdings eine gute Nachtlüftung. Abbildung 6-7 zeigt


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den Verlauf der Oberflächentemperaturen der Innenwände einer Referenzwand und einer PCM-Wand im Sommer. In diesen Simulationen wurde die Schmelzfunktion noch als Rechteck-Funktion genähert (Abbildung 6-1). Schaltbereich war 24°C – 26°C. Man sieht, dass sich die Wand unterhalb der Schmelztemperatur wie die Referenzwand verhält, erst in der Nähe des Schmelzpunktes trennen sich die Kurven.

Abbildung 6-7: Verlauf der Wandtemperaturen ein einem Leichtbau-Büro mit und

ohne PCM

Abbildung 6-8: Verlauf der Innenraumlufttemperatur im gleichen Zeitraum mit und

ohne PCM im Innenputz

Ein zusätzlicher Vorteil des Einsatzes von PCM im Innenbereich ist, dass die betroffenen Flächen direkten Einfluss auf das Wohlbefinden der Benutzer


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haben. Dadurch, dass die PCM-Flächen deutlich kühler sind als die Referenzflächen, fühlt sich der Raum durch die verringerte Wärmestrahlung subjektiv noch kühler an, als die Reduktion der Lufttemperatur erwarten lässt. In Abbildung 6-8 und Abbildung 6-9 ist dieser Effekt deutlich zu erkennen. Gerade in den kritischen, sehr heißen Stunden gelingt es, die empfundene Temperatur um gut 2 K zu senken.

Abbildung 6-9: Verlauf der aus obigen Temperaturen resultierenden empfundenen

Temperatur

Vorraussetzung für den sinnvollen Einsatz von PCM ist aber, dass die thermischen Lasten nicht zu groß werden. So ist in den meisten Klimata der Einsatz eines Sonnenschutzes weiter notwendig. Er kann nicht durch PCM Wände ersetzt werden. Bei sinnvoller Auslegung des Gebäudes kann aber möglicherweise auf eine aktive Kühlung verzichtet werden und diese durch PCM-Wände und ein durchdachtes Nachtlüftungskonzept ersetzt werden. Ist weiterhin eine aktive Kühlung geplant, kann diese kleiner dimensioniert werden und verbraucht weniger Energie. Beides spart sowohl Investitions- als auch Unterhaltskosten. Die sinnvollerweise einzubringende Menge an PCM wird durch den Übergangswiderstand Luft-Wand begrenzt. Der Versuch, in der Simulation die Menge an eingebrachtem PCM deutlich zu erhöhen, (z.B. durch Verfüllen der Hohlziegel) brachte kaum weitere Verbesserungen. Das erklärt sich durch oben genannten Übergangswiderstand, der verhindert, dass alles Material innerhalb von 24 Stunden aktiviert werden kann. Lediglich bei längeren Zeiträumen oberhalb der Schmelztemperatur zeigten sich Unterschiede im Temperaturverlauf. Diese wenigen Schaltzyklen dürften die Mehrkosten aber kaum rechtfertigen. Eine Speicherung im saisonalen Maßstab scheint mit den momentan zur Verfügung stehenden Materialien nicht sinnvoll erreichbar zu sein.


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6.1.3 Ergebnis der Gebäudesimulationen

Für das Gebäudesimulationsprogramm esp-r wurde ein Modell entwickelt, um Phasenwechselmaterialien in verschieden Varianten und Positionen eines Wandverbundsystems abbilden zu können. Mit diesem Modell wurden Parameterstudien durchgeführt.

Untersucht wurden die drei Fälle der Einbringung in den Außenputz, ins Mauerwerk und in den Innenputz. Für jeden dieser Fälle wurden die Schmelztemperaturen im Hinblick auf den Anwendungsfall und die eingebrachten Mengen variiert. Bewertet wurden die Aspekte der Energieersparnis, der Komfortsteigerung und bei den Aussenanwendungen des Bauteilschutzes. Die vielversprechensten Fälle wurden dann in Abstimmung mit den Partnern in Mustern realisiert und vermessen

Als Ergebnis lies sich folgendes festhalten:

1. Einbringung verteilt im Mauerwerk: Diese Variante wurde im weiteren Projektverlauf nicht weiter verfolgt, da die Wärmeleitung in die Wand den begrenzenden Faktor darstellt. Hier ließen sich zwar große Mengen einbringen, diese würden aber aufgrund der genannten Begrenzung in einem 24h-Zyklus nicht vollständig geladen und entladen, so dass immer nur ein kleiner Teil des PCMs aktiv wäre. Aus Kostengründen ist dieser Ansatz deshalb fürs Erste als uninteressant verworfen worden. Auch kommt der Aspekt der Komfortsteigerung, durch die nur indirekt beeinflusste Oberflächentemperatur, nur eingeschränkt zum Tragen

2. PCM im Außenputz: Der energetische Effekt dieser Variante ist bei heute üblichen Dämmstandards marginal. Aber die Erhöhung der thermischen Masse kann in bestimmten Temperaturbereichen die Betauungsdauer reduzieren und somit die Gefahr von Verschmutzung und Veralgung verringern. Dieser Fall wurde von Sto im weiteren Projektverlauf verfolgt (siehe Kapitel 6.2.5 und Kapitel 6.3.7). Zu untersuchen ist hier die notwendige Menge an PCM und die Optimierung des Schmelzpunktes auf verschiedene Klimata und kritische Temperaturen bezüglich der Veralgung. Eine Kombination mit IR-reflektiven Farben und dem Lotuseffekt besitzt ein noch größeres Potenzial.

3. PCM im Innenputz: Aufgrund der deutlich geringeren Wärmeströme und des direkten Einflusses der Oberflächentemperaturen auf das Komfortempfinden der Nutzer ist dieser Bereich der vielversprechendste. Auch hier wurden Mengen und Schmelzpunkte sowie Gebäudestandards und Nutzerprofile variiert. Aufgrund unseres Klimas, bei dem der größte Teil der Heizenergie im Winter benötigt wird, in Zeiten in denen tagsüber kaum Gewinne in das PCM einzuspeichern sind, sind Heizenergieeinsparungen bei den üblichen Wohn- und Bürobauten zu gering um vermarktbar zu sein. Der Bereich der sommerlichen Überhitzungsvermeidung scheint deutlich


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attraktiver zu sein. Zum einen kommt zur Energieeinsparung durch das PCM die Erhöhung des Komforts zum tragen, zum anderen kann bei geeigneter Planung des Gebäudes unter Umständen auf weiter Maßnahmen zur Klimatisierung verzichtet werden. Damit werden auch die investiven Kosten reduziert. Im Detail ergaben sich folgende Erkenntnisse für diesen Fall:

• Vielversprechend sind Leichtbauten, hier insbesondere Bürobauten aufgrund des stärker schwankenden Tag/Nacht Lastprofiles.

• Der Schmelzpunkt sollte so gewählt werden, dass Temperaturen über 26°C reduziert und über 28°C möglichst ganz vermieden werden. Dies erfordert den größten Teil der Schmelzwärme unter 25°C.

• Eine Entladung des Speichers nachts durch geeignete Maßnahmen ist sicherzustellen und für die Funktion des Systems unabdingbar.

• Die auftretenden Lasten müssen in einem sinnvollen Verhältnis zur Speicherfähigkeit des Systems stehen. D.h. auf ausreichend unverstellte PCM-Flächen ist zu achten und ein Sonnenschutzsystem kann durch diese Materialien nur in den seltensten Fällen ersetzt werden.


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6.2 Materialien

Für die Speicherung von Latentwärme kommen in Prinzip mehrere Phasenwechsel in Frage. Da jedoch der Phasenwechsel flüssig/gasförmig mit sehr hohen Volumenänderungen einhergeht ist dieser für das Einbringen des Phasenwechselmaterials in Baustoffe bei nahezu konstanten Volumen kaum zu realisieren. Die Stoffe, die einen Phasenübergang fest/fest im für den Baubereich interessanten Temperaturbereich durchführen zeigen geringe Schmelzwärmen und sind nicht kostengünstig. Näher untersucht wurden daher im Rahmen dieses Projektes Stoffe die im gesuchten Temperaturbereich einen Phasenübergang fest/flüssig vollziehen.

6.2.1 Materialscreening

Abbildung 6-10 zeigt schematisch die aus der Literatur bekannten Klassen von Phasenwechselmaterialien mit ihren möglichen Schmelztemperaturbereichen und Schmelzwärmen. Im Bereich der Raumtemperatur, der für den Baubereich besonders interessant ist, kommen vor allem Salzhydrate und deren Mischungen sowie Paraffine in Frage. Beide Klassen bieten verschiedene Vor- bzw. Nachteile:

Salzhydrate bieten sehr hohe spezifische Schmelzwärmen und sind oft kostengünstig verfügbar. Sie sind nicht brennbar, aber sehr korrosiv und gelegentlich toxisch. Bis zu Neuentwicklungen im Jahr 2003 galt auch das Einstellen eines gewünschten Schmelzpunktes als sehr schwierig und sie zeigen oft große Unterkühlung was im Baubereich inakzeptabel ist.

Paraffine bieten geringere Schmelzwärmen und sind brennbar, dafür sind sie unproblematischer in der Handhabung, da nicht korrosiv oder toxisch. Über die Wahl der Kettenlängen kann der Schmelzpunkt in weiten Bereichen frei eingestellt werden und sie zeigen deutlich weniger Unterkühlung als Salzhydrate.

Als entscheidend bei der Wahl der einzusetzenden Phasenwechselmaterialien erwies sich aber die Möglichkeit der Mikroverkapselung: Wie in Kapitel 4 beschrieben wurde dies bei Projektbeginn als der Schlüssel zur Einbringung von PCM in Baustoffe erachtet. Bis heute ist keine Technologie bekannt, die die langzeitstabile Mikroverkapselung von Salzen oder deren Hydraten erlaubt. Die Möglichkeit, derartig stark hygroskopische Stoffe über Jahrzehnte durch eine maximal 1µm Polymerhülle an der Aufnahme von Wasser zu hindern wurden zu Projektbeginn als so gering erachtet, dass die Wahl auf Paraffine als Phasenwechselmaterial fiel.


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Abbildung 6-10: Materialklassen von Phasenwechselmaterialien für verschiedne

Temperaturbereiche


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6.2.2 BASF – Entwicklung Mikroverkapselte Latentwärmespeicher

Paraffine, Fettalkohole und Fettsäuren sind Verbindungen mit hohen Schmelzwärmen. Es handelt sich um organische Verbindungen mit langen Kohlenstoffketten, die im festen Zustand hochgeordnete Strukturen ausbilden. Beim Schmelzen geht diese Ordnung verloren. Das ist die Ursache für die hohen Schmelzwärmen dieser Verbindungen. Durch die Wahl der Kettenlängen kann der Schmelzpunkt in einem weiten Temperaturbereich variiert werden. Auch einige anorganische Salzhydrate – wie Hydrate von Natriumcarbonat, Natriumacetat, Calciumchlorid und Lithium-Magnesiumnitrat – sind Verbindungen mit hohen Schmelzwärmen und können als Latentwärmespeicher eingesetzt werden.

Viele Versuche der Vergangenheit haben jedoch gezeigt, dass die Verwendung von Latentwärmespeichern ohne eine geeignete Verpackung nicht praktikabel ist. Durch den zeitweise aufgeschmolzenen, flüssigen Zustand eines Latentwärmespeichers ist das Material sehr mobil und kann nicht sinnvoll benutzt werden. Die Mikroverkapselung ist hier eine sinnvolle Verpackungsmöglichkeit.

Abbildung 6-11: mikroverkapseltes PCM unter dem Lichtmikroskop. Die Kapseln

haben einen Durchmesser von 2-20µm

1953 meldete die amerikanische NCR-Corporation ein Patent für ein neues Durchschreibepapier an, das mit ölgefüllten Mikrokapseln arbeitete. Dieses Datum ist der Beginn der großindustriellen Nutzung von Mikrokapseln mit einer polymeren Schale im Größenbereich von etwa 3-20 µm Durchmesser. Mikrokapseln sind winzig kleine Container, die das flüssige oder feste Kernmaterial individuell mit einer harten Schale umschließen (Abbildung 6-11). Sie sind eine sehr belastbare Verpackung, die eine Vielzahl von Anwendungen erlaubt. Mikrokapseln tolerieren sogar Phasenumwandlungen


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des Kerns, einschließlich deren Volumenänderungen. Bei Durchschreibepapieren wird der farblose Kern allerdings gezielt durch Zerstörung freigesetzt und eine Farbreaktion auf dem Entwicklerpapier erzeugt.

Besonders gut können hydrophobe Stoffe, zum Beispiel Paraffinwachse, eingeschlossen werden. Abhängig von der Kettenlänge der Moleküle ist so ein großer Bereich von etwa -30°C für n-Decan (C10) bis etwa 80°C für n-Tetracontan (C40) verfügbar. Neben den organischen Latentwärmespeichern wäre die Mikroverkapselung von Salzhydraten wünschenswert. Leider verhindert bisher die große Mobilität des Kristallwassers der Salzhydrate eine erfolgversprechende Mikroverkapselung.

Aufgrund ihrer geringen Größe haben Mikrokapseln spezielle Vorteile: Sie sind fließfähig als Pulver oder Dispersion, gut dosierbar und besitzen einen guten Wärmeübertrag durch ein hohes Oberfläche / Volumen-Verhältnis. Die besten Mikrokapseln werden durch chemische Prozesse mit in-situ Synthesen hergestellt: Komplexkoazervation mit Gelatine, Grenzflächenpolyaddition zu Polyamiden oder Polyharnstoffen, Fällungspolykondensation mit Melaminharz oder radikalische Polymerisation von geeigneten Monomeren. Sie ergeben die gewünschten, zumeist hochvernetzten, polymeren Kapselwände. Die Wandstärke der Kapseln beträgt nur einige 100 nm, so dass Füllgrade mit Kernmaterial von 70 bis 90% erreichbar sind. Es werden wässrige Kapseldispersionen erhalten oder auch trockene Pulver (Abbildung 6-12).

Abbildung 6-12: PCM kann sowohl als Dispersion oder nach Sprühtrocknung als Pulver geliefert werden

Mitte der achtziger Jahre gab es erste Anläufe, Latentwärmespeicher in Bauprodukte einzubringen, um Energie zu sparen. Auch Mikrokapseln wurden in zahlreichen Patentanmeldungen genannt. Die Mikrokapseln werden hierbei den bekannten Baustoffen als Zuschlagstoffe hinzugegeben. Ein nachhaltiger Markterfolg war diesen frühen Produkten noch nicht beschieden. In diesen Anwendungen stehen vor allem die Vorteile der Mikrokapseln bei der Handhabung und Verarbeitung im Vordergrund. Zurzeit wird jedoch auch die Zugabe von mikroverkapseltem PCM zu Wärmeträgerflüssigkeiten intensiv diskutiert und erforscht. Durch die geringe Größe der Kapseln bleibt die Pumpfähigkeit der Flüssigkeit erhalten, deren Fähigkeit Wärme zu transportieren erhöht sich jedoch stark. Die hohe spezifische Oberfläche der Kapseln erlaubt dabei einen sehr effizienten Wärmeübergang zur Flüssigkeit.


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6.2.2.1 Projektverlauf

Bei BASF wurde zu Beginn des Projekts entschieden, für die Verwendung in der Bauindustrie nur Mikrokapseln auf Basis der Polymethylmethacrylat-Chemie zu verwenden und für die Bedürfnisse der Verwendung als Latentwärmespeicher weiter zu entwickeln.

Es konnten früh technische Qualitäten von Paraffinwachsen mit Schmelzpunkten zwischen –10 und 65°C erfolgreich mikroverkapselte werden, wobei der Schwerpunkt der Arbeiten bei Wachsen mit Schmelzpunkten im Bereich der Raumtemperatur zwischen 20 und 28°C lag. Das Mikrokapselverfahren wurde so gewählt, dass die erhaltenen wässrigen Mikrokapseldispersionen sprühgetrocknet werden konnten. Damit standen für die Untersuchungen sowohl die Dispersionen als auch Kapselpulver zu Verfügung. Es konnten abhängig von der Wachsqualität Schmelzwärmen bis 190 J/g Kapselpulver erhalten werden. Vielfaches Schmelzen/Kristallisieren war ohne Qualitätseinbußen möglich, obwohl Paraffinwachse Volumenänderungen von ca. 10 –12 % bei der Phasenumwandlung zeigen.

Die Projektpartner wurden jeweils mit Mustern der mikroverkapselten Latentwärmespeicher beliefert, die diese Mikrokapseln in Ihren jeweiligen Anwendungen verarbeiten konnten. Dabei konnten erwartungsgemäß zunächst noch nicht alle Anforderungen an den Baustoff erfüllt werden. Der Speichereffekt und eine überwiegend zerstörungsfreie Verarbeitung der Mikrokapseln waren aber gegeben.

Es wurde eine Polymerisationsanlage im Technikumsmaßstab umgebaut, um schmelzbare Wachse in der Mikroverkapselung zuverlässig handhaben zu können. In dieser modifizierten Anlage konnten in mehreren Kampagnen mikroverkapselte Latentwärmespeicher hergestellt werden. Ein Teil dieser Kapseldispersionen wurde durch Spühtrocknung zu Pulvern verarbeitet und den Partnern für Verarbeitungsversuche zur Verfügung gestellt.

Im zweiten Halbjahr 2000 lag der Schwerpunkt der Arbeiten auf der Bereitstellung von größeren Mengen an Mikrokapselpulver für das erste Testobjekt in Ludwigshafen. Die Mikrokapseln wurden wiederum im Technikumsmaßstab sprühgetrocknet, wobei es bei manchen Partien noch technische Probleme bei der Handhabung der Pulver gab. Die Partner wurden mit Kapselpulver von insgesamt 230 kg (Heidelberger maxit GmbH), 160 kg (DAW) und 32 kg (Verotec) bemustert.

Im November wurden durch Mitarbeiter der DAW und Heidelberger maxit GmbH zwei Wohnzimmer des Sanierungsobjekts „Prototyp I“ der BASF Wohnungsbaugesellschaft LUWOGE mit Latentwärmespeichern an Wänden und Decken ausgestattet. Eingesetzt wurden ein Gipsputz mit 10% Latentwärmespeicher bzw. eine Spachtelmasse mit 25% Latentwärmespeicher. Der Altbau des 9-Familienhauses ist als „3 l-Haus“ geplant und soll nach Renovierung nur 3 l-Heizöläquivalent Heizwärmebedarf pro m2 und Heizsaison aufweisen. Das Gebäude ist an ein 3-jähriges Messprogramm angeschlossen, das Energiebedarf und Nutzerverhalten auswertet. Die Räume mit Latentwärmespeicher sind mit je vier zusätzlichen Temperatursensoren ausgestattet, um auch Wärmeflüsse innerhalb der Wände zu erfassen.

Das erste Musterobjekt soll neben den Tests auf Applikation der Baumaterialien die Wirkung im Alltag und die Haltbarkeit bewerten helfen. Weitere Laborarbeiten zur Bestimmung der Lebensdauer der eingesetzten Latentwärmespeicher sind im Gange.


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Im ersten Halbjahr 2001 lag der Schwerpunkt auf der Verfahrensausarbeitung zur Herstellung größerer Mengen von Mikrokapseldispersion und –pulver. Die Partner wurden nach jeweiliger Anforderung mit Kapselpulver in der Größenordnung mehrerer 100 kg bemustert.

Arbeiten zum Flammschutz haben gezeigt, dass die Mikrokapseln von innen nicht erfolgreich geschützt werden können. Der sinnvollste Schutz ist eine intumeszierende Beschichtung bei der Verarbeitung zum Endprodukt.

Emissionsmessungen haben den Nachweis von niedrigsiedenden Alkanen in der Raumluft in unschädlichen Konzentrationen erbracht. Ein Foggingtest nach DIN 75201 hat sich als sehr gute Quantifizierung für den Austritt geringster Mengen kondensierbarer Alkane aus Mikrokapseln und Baustoffen gezeigt. Durch verbesserte Rohstoffe (frei von Niedrigsiedern) und Verbesserungen der Dicke und Dichtigkeit der Mikrokapselwand konnte der Austritt deutlich reduziert werden.

Das LUWOGE Sanierungsobjekt „Prototyp I“ der BASF Wohnungsbaugesellschaft ist im April plangemäß bezogen worden.

Im zweiten Halbjahr 2001 lag der Schwerpunkt der Arbeiten auf der Verfahrensausarbeitung zur Herstellung größerer Mengen von Mikrokapseldispersionen und –pulver. Die Batchgröße konnte auf jetzt 4000 l Dispersion im Technikum vergrößert werden. Um stabile Mikrokapseldispersionen im oben genannten Maßstab herstellen zu können, wurde die Rezeptur im Labor nochmals intensiv überarbeitet und liefert jetzt die Basis für eine mögliche Produktion in der Zukunft.

Die Mikrokapseln hatten in der Vergangenheit einen nennenswerten Einfluss auf die Gipsabbindung. Dieser Einfluss konnte durch die Rezepturüberarbeitung ebenfalls deutlich verringert werden. In unmodifiziertem Gips sind die Mikrokapselpulver jetzt sehr neutral in Bezug auf das Abbindeverhalten, was die Einarbeitung in Gipsprodukte erleichtert. Die Partner wurden Ende Dezember mit kleinen Mengen dieser Mikrokapselpulver aus Labortrocknung bemustert, um die Eigenschaften kennen zu lernen.

DAW konnte zeigen, das die Entflammbarkeit hochgefüllter Beschichtungen mit einer intumeszierenden Beschichtung sehr gut in den Griff zu bekommen ist. Die Arbeiten werden jetzt auch auf die Gipsprodukte ausgedehnt, um hier einen Flammschutz nach Klasse B1 bei Gehalten über 15% Mikrokapseln zu erhalten.

Im ersten Halbjahr 2002 wurden insgesamt 10 t Mikrokapseldispersion in 3 Batches hergestellt. Daraus wurden 2,5 t Pulver durch Sprühtrocknung hergestellt. 3 t Dispersion wurden an die Fa. Knauf geliefert, die zum ersten Mal Gipskartonplatten mit 35% PCM-Kapseln auf einer kleinen Produktionsanlage problemlos gefertigt hat (ca. 120 m2). Ein Brandtest ergab die Baustoffklasse B2, normal entflammbar. Ein Brandschachttest für die Klasse B1, schwer entflammbar wurde klar verfehlt. Eine Markteinführung mit diesem Material erscheint möglich, mittelfristig wird dennoch das Erreichen der Klasse B1 angestrebt.

Rezepturveränderungen bei Maxit mit einem Gehalt von jetzt 20% Kapseln im Gipsputz ergaben Probleme mit unseren Kapselpulvern bei der Gipsabbindung. Die Ursachen wurden entdeckt und durch Modifizierungen in der Synthese beseitigt. Elektronenmikroskopische Untersuchungen in Freiburg ergaben praktisch keine mechanischen Schäden an den aktuellen Mikrokapseln durch die verschiedenen Verarbeitungsstufen des Gipsputzes


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mehr. Zyklische Belastungstests an den Mikrokapseln sind in Freiburg und bei uns begonnen worden. Eine erste Auswertung nach 1000 Schaltzyklen ergab keinerlei Nachlassen der Wirkung und keine erkennbaren Schäden.

Mit Transsolar und der LUWOGE wurde die Konstruktion einer Kühldecke für das im Bau befindliche Dienstleistungszentrum der LUWOGE in Ludwigshafen geplant. Hier soll erstmals in einer mit Wasser gekühlten Decke die thermische Masse durch Latentwärmespeicher Mikrokapseln erhöht werden. Transsolar wurden für diesen Anwendungsfall optimierte Wachsmischungen für weitere Prüfungen bemustert. Mustermaterial für Deckenelemente wird vorbereitet.

Im zweiten Halbjahr 2002 wurden insgesamt 30 t Mikrokapseldispersion hergestellt. Daraus wurden in einer Kampagne erstmals 8 t Pulver durch Sprühtrocknung im Produktionsturm hergestellt. Dabei wurden noch einige kleinere Unzulänglichkeiten an der Rezeptur festgestellt, die bei der nächsten, geplanten Trocknung im Jahr 2003 beseitigt werden sollen. 7 t Dispersion wurden an die Fa. Maxit geliefert, die zum ersten Mal ein komplettes Bauobjekt, einen Büroneubau in Offenburg für einen Energieversorger mit PCM-Gipsputz ausgerüstet hat.

Nachdem die Fa. DAW mit einer intumeszierenden Beschichtung ihrer PCM-Spachtelmasse die Brandklasse B1, schwer entflammbar, erreichen konnte, ist dies mit einer ähnlichen Beschichtung auch beim Gipsputz der Fa. Maxit mit 20% PCM-Kapseln gelungen.

Es wurde ein zyklischer Belastungstest an den Mikrokapseln bei BASF durchgeführt. 10 g Mikrokapselpulver wurde 24-mal pro Tag zwischen 19°C und 34°C zykliert. Die endgültige Auswertung nach 10.000 Schaltzyklen ergab keine nennenswerte Veränderung der Wirkung (Schmelztemperatur und Schmelzwärme laut DSC-Messung) und auch keine erkennbaren Schäden an den Mikrokapseln selbst. Die Diffusionsdichtigkeit der Mikrokapseln hat sich nicht verändert.

Abbildung 6-13: Zyklierung der mikroverkapselten Paraffine

LSM 4814

15

20

25

30

35

40

00 01 02 03 04 05Zeit Std.

Tem

p. °

C


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6.2.3 Maxit – PCM-Gipsputz im Innenbereich

Bereits 1995 kam es zur ersten Kontaktaufnahme zwischen Maxit und den Fraunhofer ISE, um die Entwicklung von Baustoffen mit Latentwärmespeichern anzustoßen. Nach ersten von maxit finanzierten Studien kam es 1998 zur Beantragung des Verbundprojektes, dass 1999 schließlich begonnen wurde.

6.2.3.1 Projektablauf

Aufgrund der ersten Simulationsergebnisse zu Beginn des Projektes (Kapitel 6.1) legte Maxit den Fokus auf die passive Kühlung des Innenbereiches von Gebäuden mit mikroverkapselten Latentwärmespeichern (PCM). Das Ziel war die Entwicklung eines maschinengängigen Innenputzes mit integriertem Latentwärmespeicher, zur Reduzierung sommerlicher Überhitzung und zur Steigerung des Nutzerkomforts in Gebäuden. Die Hauptaufgabe bestand darin, ein Produkt zu entwickeln, dass den Anforderungen an ein einfaches Handling und an die baulichen Materialeigenschaften genügt, gleichzeitig aber einen möglichst maximalen Anteil an PCM enthält.

Die ersten Schritte bestanden daher darin, ein sinnvolles Ausgangsprodukt zu identifizieren und mit PCM zu kombinieren. Getestet wurden Kalk-Zement-Putz und Gipsputz als Ausgangsprodukt. Nach Anfänglichen Problemen bei der Einbringung des PCMs wurde schließlich der Gipsputz als Basis für die weiteren Experimente gewählt.

Durch weitere Simulationen am Fraunhofer ISE konnte als sinnvolle Schmelztemperatur für das PCM 24-26°C ermittelt werden, woraufhin BASF mikroverkapseltes Material mit einer Schmelztemperatur von 26°C Peak zur Verfügung stellte. Mit diesen Materialien wurden insgesamt über 550 Testrezepturen hergestellt, die unter verschiedensten Bedingungen im Labor getestet wurden.

Aus der Vielzahl der Testrezepturen kristallisierte sich zunächst ein Ansatz mit 10 % PCM-Zuschlag heraus. Dieses erste Produkt wurde schon sehr früh in erste Demoprojekte eingebracht.

Bereits in 2000 wurden in einem Sanierungsprojekt in Ludwigshafen (Kapitel 6.3.2) eine Wohnung mit PCM-Gipsputz und eine mit konventionellem Gipsputz ausgestattet. Die Bauweise des Gebäudes erwies sich jedoch als ungeeignet für PCM-Materialien und die ungünstige Verteilung der Wohnungen erschwerte eine belastbare Auswertung.

Außerdem wurde 2001 am IBP, Standort Holzkirchen; Testräume mit dem Produkt ausgestattet, um die thermischen Eigenschaften des Putzes zu testen (Kapitel 6.3.3). Die Ergebnisse waren jedoch ernüchternd. Ursache waren die zum einen schlechten Materialeigenschaften des PCM zu dieser Zeit (2 Peaks, Unterkühlung) und die ungünstige Bauschwere der Räume. Vor allem aber war ein großer Teil der Kapseln defekt. Für die Ursachenfindung wurden sehr aufwändige Testreihen durchgeführt, bei denen jeder einzelne Schritt der Herstellung und des Abbindeprozesses mit DSC-Messungen und optischen Kontrollen unter dem REM untersucht wurde. Die Ursache für die defekten Kapseln konnte jedoch nicht eindeutig geklärt werden. BASF stellte daraufhin dickere Kapselwände bei der Verkapselung der Paraffine her.


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Im Sommer 2001 wurden am Neubau des Fraunhofer ISE drei Büros zu Testzwecken mit PCM Baustoffen ausgestattet. Ein Büro wurde von DAW mit PCM-Spachtelmasse und ein Büro von Maxit mit PCM-Putz, sowie eine Referenzraum mit normalem Gipsputz ausgeführt (Kapitel 6.3.4). Aufgrund der verbesserten Kapseln traten hier die in Holzkirchen beobachteten Probleme der zerstörten Kapseln nicht mehr auf. Die stark unterschiedliche Benutzung der Büroräume und die unterschiedliche Möblierung gestalteten eine quantitative Bewertung des PCM-Effektes sehr schwierig, weshalb weitere Messungen in realen Räumen angestrebt wurden.

Im folgenden Jahr 2002 wurde weiter an der Verbesserung des Gipsputzes gearbeitet. Der PCM-Anteil im Putz konnte dadurch bis auf 20Gew% gesteigert werden, ohne die anderen Materialeigenschaften negativ zu beeinflussen. Während der Weiterentwicklungen wurden, wie auch bereits zu Beginn des Projektes, mehrere Testplatten mit unterschiedlichen PCM-Gehalten für die am Fraunhofer-ISE aufgebaute Plattenapparatur hergestellt und vermessen (Kapitel 6.3.1.3).

Im Sommer 2003 wurden die Testzellen am Fassadenteststand des Fraunhofer ISE mit PCM und Referenzputz ausgestattet (Kapitel 6.3.5.7). ). Nachdem der erste eingebrachte Putz, aufgrund technischer Probleme beim ersten Versuch den Putz großtechnisch zu produzieren, einen zu geringen Anteil Latentwärmespeicher enthielt, wurde dieser in den Testzellen gegen einen verbesserten ausgetauscht. Die Auswertung der Messergebnisse ergab eine Temperaturreduzierung durch das PCM von bis zu 4K im Maximum und 2-3K im Mittel. Parallel zu der Ausstattung des Teststandes wurden Proben für die Alterungsapparatur des Fraunhofer ISE hergestellt (Kapitel 6.3.6). Aufgrund dieses guten Ergebnisses wurde die Einführung des PCM-Putzes in den Markt diskutiert.

6.2.3.2 Maxit clima

Vor der Markteinführung waren jedoch noch andere Fragen zu klären. Eine der wichtigsten Fragen dabei war die des Brandschutzes. Aufgrund des hohen Anteils an brennbaren Bestandteilen sind die PCM-Putze in die Baustoffklasse B2 einzugruppieren. Bei einem PCM-Gehalt von 13% würde ein entsprechender Putz, wie Tests bestätigten, der Baustoffklasse B1 genügen. Dies würde aber einen Verlust der Leistungsfähigkeit zur Folge haben, welcher durch ein erhöhtes Angebot an Nutzfläche ausgeglichen werden müsste. Um den Putz auch für Anwendungen nutzbar zu machen, bei denen die Baustoffklasse B1 erforderlich ist, wurde in Zusammenarbeit mit der BASF mit feuerhemmender Beschichtung experimentiert. Dabei konnte mit Beschichtungen, welche im Brandfall eine Dämmschicht ausbilden, das Brandverhalten stark verbessert werden. Dieses wurde im Prüfzeugnis 16-902 743 000 durch das Otto-Graf-Institut der Universität Stuttgart bestätigt.


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Abbildung 6-14: Brandschachttest des PCM-Gipsputzes mit und ohne

Brandschutzmaßnahmen

Weitere Baustoffeigenschaften wurden im eigenen Haus ermittelt und sind im Folgenden aufgeführt:

Schüttdichte: 0,64 g/m³

Trockenrohdichte: 1,0 g/cm³

Wasserbedarf: 57%

Biegezugfestigkeit: 0,7 N/mm²

Ergiebigkeit: 1150 l/t

Druckfestigkeit: 1,5 N/mm²

Frischmörteldichte: 1,34 g/cm³

Wärmekapazität: 18 kJ/kg

Der 20% PCM-Gipsputz wurde 2004 unter dem Markennamen maxit clima in den Markt eingeführt.

6.2.3.3 Realisierte Demoprojekte während der Projektlaufzeit

Der entwickelte Gipsputz „maxit clima“ mit 20% PCM-Gehalt wurde bereits während der Projektlaufzeit in einigen Demovorhaben erfolgreich eingesetzt. Eines der ersten Gebäude war das Verwaltungsgebäude der Badenova, einem regionalen Energieversorger, in Offenburg. Hier wurde auf 1200m² Wandfläche „maxit clima“ mit 1,5 cm Schichtdicke aufgetragen. Bei dem


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Gebäude handelt es sich um einen Neubau, bei dem der Gipsputz bereits im Klimakonzept berücksichtigt wurde.

Ein anderes Großprojekt war ein Renovationsvorhaben in Berlin. Auf 1100m² sollte hier in Kombination mit Kapillarrohrmatten der Gipsputz als Flächenkühlung verwendet werden. Aufgrund der aktiven Durchströmung des PCMs wurde ein niedrigerer Schmelzpunkt von 23°C Peak gewählt. Die anderen Materialeigenschaften blieben davon unberührt.

Weitere Wandflächen wurden im Verwaltungsgebäude der maxit Deutschland in Breisach mit dem in 2004 in den Markt eingeführten maxit clima 26 ausgeführt. Das Produkt wurde an diesem Objekt im Bereich passive Kühlung zur Verbesserung des Raumklimas im Sommer eingesetzt.

Abbildung 6-15: Mit maxit clima 26 ausgestattete Büroräume im Maxit-Verwaltungsgebäude in Breisach

6.2.3.4 Zusammenfassung des Projektes

In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern konnte erfolgreich ein neues Produkt entwickelt werden, welches in den Markt eingeführt wurde. Mit dem Gipsputz sind unter günstigen Anwendungsbedingungen Temperaturunterschiede von bis zu 4 K möglich. Dabei sind für jedes Projektvorhaben, die Anwendungsbedingung (belegbare Flächen, thermische Lasten, Sonnenschutz, Nachtlüftung) zu prüfen.

Die Wirtschaftlichen Erfolgsaussichten werden als gut beurteilt. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens gewonnenen Erkenntnisse sind von großem Nutzen für nachfolgende Projekte. So wird zukünftig daran gearbeitet, die Latentwärmespeicher-Effekte auch für andere bauliche Anwendungen nutzbar zu machen wozu es nötig ist, weitere Baustoffsysteme als Latentwärmespeicher auszubilden


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6.2.4 DAW – PCM-Spachtelmasse im Innenbereich

Ziel des Teilvorhabens von DAW war die Entwicklung neuartiger Beschichtungsmassen für den Innenbereich, die durch enthaltene mikroverkapselte Latentwärmespeichermaterialien die Wärmekapazität eines Raumes deutlich erhöhen. Hierdurch soll beispielsweise bei höheren Temperaturen im Sommer eine Wärmeaufnahme der entsprechend ausgestatteten Wände erfolgen und diese Wärme während kühler Temperaturen in der Nacht wieder abgegeben werden. Das Ziel bestand somit in einer Vermeidung hoher Raumtemperaturen und damit in einer Verbesserung des Raumklimas.

Die Aufgabenstellung umfasste die Entwicklung von dispersions- und mineralisch gebundenen Beschichtungsmassen mit einem möglichst hohen Anteil Latentwärmespeichern. Diese neuen Beschichtungsmassen sollen im Wand- und Deckenbereich angewendet werden. Hierzu umfasste das Vorhaben auch die Verarbeitung, Erprobung und Optimierung der entwickelten Spachtelmaterialien.

Innerhalb des Vorhabens war die Herstellung und Verarbeitung größerer Materialmengen im Rahmen eines Demonstrationsvorhabens vorgesehen, um im Gebäudetest die Einflüsse der Energiespeicherung messtechnisch zu erfassen.

6.2.4.1 Grundlagenentwicklung im Labor

Zunächst wurden vorbereitende Tätigkeiten durchgeführt (Lieferantengespräche, Beschaffung der zur Entwicklung benötigten Geräte) und mit der Entwicklung von Latentspeicher-Beschichtungen im Labormaßstab begonnen. Weiterhin wurden in Gesprächen mit dem Projektpartner BASF die Anforderungen an die Latentspeicherrohstoffe, die von der BASF entwickelt und optimiert werden, abgestimmt.

Anschließend wurde mit der Entwicklung einer dispersionsgebundenen Spachtelmasse begonnen, in der die vom Projektpartner BASF entwickelten Latentspeicherrohstoffe mit einer möglichst maximalen Zuschlagmenge eingearbeitet werden sollen. Hierzu stellte uns die BASF in 1999 drei verschiedene Rohstoffansätze zur Verfügung, die sich in ihren Parametern, beispielsweise Viskosität sowie Korngrößenspannbreite, stark unterschieden.

Mit diesen Rohstoffen wurde mit der Entwicklung der dispersionsgebundenen Spachtelmasse begonnen. Hierbei wurde zunächst versucht, maximale Zuschlagmengen mit geeigneten Zuschlagstoffen wie Vernetzungsmitteln, Dispergiermitteln und Verdichtungsmitteln, zu kombinieren und verarbeitbare Spachtelmassen zu erreichen. Diese Entwicklungsarbeiten konzentrierten sich auf den Labormaßstab und betrafen zunächst Ansätze im 1-kg-Maßstab. Die ersten Rohstoffe mit einer Korngrößenbandbreite von 2 – 10 µm sowie 2 – 40 µm zeigten eine zu enge Bandbreite sowie andere technische Schwierigkeiten, wie beispielsweise eine zu geringe Lagerstabilität und Lagerzeit. Zusätzlich war teilweise eine mangelhafte Verarbeitbarkeit festzustellen.

Anschließend wurden die entwickelten Mischungen optisch und mit einfachen Prüfmethoden bewertet sowie verarbeitet. Diese Versuche betrafen das Auftragen der Mischungen auf Faserzementplatten und die Bewertung des


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Auftragsverhaltens sowie der Eigenschaften der Masse nach dem Auftrag. Es konnte eine Schichtdicke von 6 – 7 mm erreicht werden. Risse, Festigkeit sowie Standzeit wurden erfasst und bewertet.

Zusammenfassend zeigten die im 1. Projektjahr auf Basis der vom Partner BASF zur Verfügung gestellten Rohstoffe sowie bekannter weiterer Zuschlagstoffe entwickelten Latentwärmespeicher-Spachtelmassen noch deutliche Mängel und auch ein mangelhaftes Lagerungsverhalten („Verklumpen“ bzw. „Bilden von Nestern“ durch nicht gleichmäßig benetzte Dispersionspulver). Aufgrund dieser Erfahrungen entwickelte die BASF neue Basismaterialien, mit denen bei DAW wiederum neue Rezepturansätze für Versuchsspachtelmassen entwickelt wurden. Hierbei zeigte sich, dass ein breiteres Korngrößenspektrum (Korngrößenbandbreite von 2 bis 65 µm) günstig für die Weiterverarbeitung ist. BASF modifizierte die Basismaterialien entsprechend unserer Anforderungen.

Anschließend wurde die Rezepturentwicklung weiter intensiviert. So wurden Zugabemengen von 10 bis 30 % mikroverkapselte Latentwärmespeicher, geeignete Füllstoffe zur Erzielung einer optimalen Korngrößenverteilung sowie geeignete Hilfsstoffe zur Optimierung der Herstell- und Verarbeitungsfähigkeit untersucht. Es wurden ca. 200 verschiedene Rezepturansätze untersucht und Mengen im Maßstab 1 bis 5 kg hergestellt. Dies erforderte auch einen entsprechenden Dokumentationsaufwand.

Die Zugabegrenze der PCMs lag bei 30 %, wobei zunächst optimale Ergebnisse mit einem Rezepturanteil von 26 % erzielt wurden. Höhere Zugabemengen wirkten sich negativ auf die Herstellung und Verarbeitungsfähigkeit aus.

Mit den Versuchsspachtelmassen wurden dann erste Verarbeitungsversuche im Labor durchgeführt. Hierbei zeigten sich zunächst Probleme durch das Auftreten von Rissen und Schwierigkeiten beim Erzielen ausreichender Auftragsmengen. Es gelang jedoch, im Labor durch entsprechende Zuschlagstoffe geschlossene und gleichmäßige Oberflächen mit den Spachtelmassen herzustellen. Im Vergleich zu marktüblichen herkömmlichen Spachtelmassen wiesen diese - bedingt durch die eingearbeiteten Latentspeicherrohstoffe - eine etwas grobkörnige Oberflächenstruktur auf.

Es wurden diverse Aufträge der entwickelten Spachtelmassen auf glatten und strukturieren Platten manuell im Labor hergestellt und bewertet. Ein wichtiges Ziel bestand in möglichst großen Auftragsmengen und Schichtdicken. Es gelang schließlich, Auftragsmengen von 3 bis 3,5 kg/m² bzw. maximale Schichtdicken von 1 cm mittels zweier Aufträge zu erreichen. Weiterhin wurde eine spezielle Versuchsplatte (1 cm Schichtauftrag per Hand) beschichtet, die mit Messfühlern ausgestattet war. Dieses Versuchselement wurde dem Projektpartner Fraunhofer Institut ISE zur Verfügung gestellt, wobei dort in thermischen Messungen das Wärmespeichervermögen der aufgetragenen Spachtelmassen untersucht wurde.

Mit einer marktüblichen Innenfarbe wurde die Spachtelschicht (Farbton Grau) überarbeitet, um das optische Aussehen zu verbessern.

Analysen betrafen zunächst subjektive Tests zur Beurteilung des Trocknungsverhaltens, insbesondere der Trocknungszeit, und die hierbei auftretenden Veränderungen der Oberflächen. Erste Erfahrungen zeigten, dass Schichtdicken > 4 mm notwendig sind, um Risse und Wärmebrücken zu vermeiden, optimale Schichtdicken jedoch bei ca. 1 cm liegen sollten, um entsprechende Voraussetzungen für die Wärmespeicherung zu schaffen.


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Der Auftrag der Spachtelmasse erfolgte zunächst in zwei Arbeitsgängen, wobei im zweiten Arbeitsgang eine leicht verdünnte Spachtelmasse aufgetragen wird, um die Oberfläche zu schließen und eine gleichmäßige Oberfläche zu erhalten. Vorteilhaft erwies sich auch das Einfärben des zweiten Auftrages.

6.2.4.2 Erste Anwendungstests

Nach ersten positiven Ergebnissen im Labor wurden bereits früh im Projekt Versuche unter Anwendungsbedingungen gestartet, wobei dies zunächst Verarbeitungs- und Qualitätstests an Wänden betraf. Neben der Verarbeitungsfähigkeit und der Viskosität (auch nach Lagerung) wurden auch die Oberflächenstruktur, Haltbarkeit sowie die sonstigen Anwendungseigenschaften untersucht.

Erste Erfahrungen mit dem im Projekt beschafften DSC-Meßgerät und orientierende Messwerte zum thermischen Verhalten der Rohstoffe und Spachtelmassen wurden im Labor erarbeitet. Hierzu wurden mittels DSC drei von BASF zur Verfügung gestellte Latentspeichermaterialien (Basismaterialien), die Dispersionspulver LSM 3688 und LSM 3763 sowie das Mikrokapselpulver GD 8387 E PMMA und erste PCM-Spachtelmassen bzw. Putze auf deren Basis untersucht. Nach der Ausarbeitung einer geeigneten Meßmethode wurde das Verhalten aller Proben bei unter-schiedlichen Heiz-Kühl-Raten (1, 3, 5 und 10 K/min) beobachtet, um den Einfluss langsamer Prozesse (<< 1K/min) extrapolieren zu können. Es zeigte sich, dass in realen Systemen mit Temperaturwechsel bei einer Geschwindigkeit von deutlich weniger als 1K/min die Wärmeabgabe und -aufnahme im Bereich 23 – 24 °C stattfinden wird.

Nachdem die Latentwärmespeicherkapseln vom Projektpartner BASF mit zusätzlichen Rieselhilfsmitteln beschichtet waren, wurden die Rezepturen optimiert, um eine Verbesserung der Verarbeitbarkeit, Rohstoffstabilität sowie Lagerfähigkeit der dispersionsgebundenen Spachtelmassen zu erreichen. Entsprechende Versuche zeigten, dass das PCM auch nach mehrwöchiger Lagerzeit (getestet bis zu 8 Wochen) noch problemlos verarbeitbar war (Ziel im Projekt: 2 Jahre).

Anschließend wurden diverse Versuchsmengen der Spachtelmassen hergestellt, wobei dies erstmals auch größere Mengenmaßstäbe (bis 500 kg) betraf. Es zeigte sich, dass die im Labor ermittelten Rezepturanteile der PCMs auch bei diesen Ansätzen problemlos eingearbeitet werden konnten. Ebenso konnten die sonstigen Rezepturkomponenten auf die größeren Mengenansätze hochskaliert werden.

In ersten Applikationstests wurden zunächst im Anwendungstechnikum der DAW und später an einem Versuchsobjekt des Projektpartners BASF Verarbeitungstests durchgeführt. Hierbei zeigten die Verarbeitungsversuche im Technikum, dass sich die Spachtelmassen mit einem Spachtel verarbeiten lassen, wobei relativ glatte Oberflächen hergestellt werden konnten. Probleme bestanden in „Kellenschlägen“, die sich an der Oberfläche bildeten und zunächst noch nicht zu vermeidbar waren. Für diese Technikumsversuche wurden drei verschiedene Rezepturen genutzt (BF00/2135, BF00/2136 und BF00/2137). Die Verarbeitung erfolgte mit drei statt wie zuvor mit zwei Schichtaufträgen, um Auftragsgewichte zu erreichen, die ausreichende


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Wärmespeichermöglichkeiten bieten. Hierbei wurde generell beim ersten Auftrag das größte Auftragsgewicht (3,25 - 4 kg/m2), beim zweiten Auftrag ein etwas geringeres Auftragsgewicht (1,8 - 2,5 kg/m2) und beim dritten Auftrag ein wesentlich geringerer Schichtaufbau mit verdünntem dispersionsgebundenem Spachtelmaterial aufgebracht (0,25 - 0,43 kg/m2).

In diesen ersten Anwendungstests wurden vor allem die Eigenschaften der Verarbeitbarkeit untersucht: Es zeigte sich, dass je nach Versuchsrezeptur die Verarbeitung teilweise zu zäh war, teilweise das Material jedoch auch gut aufgezogen und geglättet werden konnten. Die Oberfläche war im feuchten Zustand sehr rauh. Nach dem ersten Auftrag zeigte sich eine stärkere Rissbildung, die auch beim zweiten Auftrag vorhanden war, jedoch weniger ausgeprägt. Durch den verdünnten dritten Auftrag konnten alle Risse gefüllt werden.

Bei allen Technikumsversuchen wurde beim Aufziehen das frische Material auch mit unterschiedlichen Zahnkellen durchgezogen und anschließend mit dem Flächenrakel geglättet. Hierdurch konnten glättere und gleichmäßigere Oberflächen erzielt werden. Es zeigte sich auch, welche Werkzeuge für die Verarbeitung am besten geeignet sind. Alle Versuchsmassen wurden vor der Verarbeitung mit einem langsam laufenden Rührgerät aufgerührt.

Der in diesen Technikumsversuchen hinsichtlich seiner Verarbeitungseigenschaften als am besten geeignet eingeschätzte Rezepturansatz (BF00/2178) wurde anschließend als 500 kg Ansatz hergestellt und für Verarbeitungsversuche an einem Versuchsobjekt in 200 l Fässer abgefüllt. Bei dem Versuchsobjekt handelte es sich um ein hinsichtlich Wärmedämmung (z. B. 3-fach verglaste Fenster, spezielle Außendämmung) und Messtechnik (Temperatursensoren in den Wänden) speziell ausgestattetes Gebäude der Firma BASF (3L-Haus), an dem praxisorientierte Tests und eine begleitende Datenerfassung möglich sind (Kapitel 6.3.2).

Bei diesen Versuchen im Dezember 2000 wurde ebenfalls zunächst die Verarbeitbarkeit des Spachtelmaterials untersucht. Hierzu wurde ein Zimmer des Hauses (Wände und Decke) komplett mit PCM-Spachtelmasse beschichtet (Abbildung 6-16). Aufgrund der speziellen Isolierung des Versuchsobjektes waren diese Verarbeitungsversuche zum Aufbringen der drei Spachtelaufträge durch eine unzureichende Abtrocknung der Schichten auf mehrere Tage zu verteilen. Die Bewertung der Verarbeitbarkeit zeigte z. B. neben dem hohen Zeitbedarf zum Abtrocknen der Schichten auch ein vergleichsweise mühsames Aufziehen. Hierbei wurden 280 kg für die erste Schicht, 110 kg für die zweite Schicht und 30 kg für die dritte Schicht verarbeitet. Der Verarbeitungsaufwand war, bedingt durch den mehrfachen Auftrag, die notwendige Abtrocknungszeit sowie das vergleichsweise mühsame Aufziehen und Glätten relativ arbeitsaufwändig. Um einigermaßen glatte Oberflächen zu erhalten, wurden z. B. Spachtelgrate beigeschliffen und teilweise nachgespachtelt. Die Oberfläche war vergleichsweise rauh, was durch leichtes Überschleifen etwas reduziert wurde. Da hierbei jedoch die Struktur der PCMs in der Spachtelmasse zerstört wird, die für die Wärmedämmung wichtig ist und ein Schleifen außerdem sehr mühsam ist, sollte dies im späteren Praxiseinsatz vermieden werden. Es konnten Oberflächen erreicht werden, die für die Überarbeitung der Fläche mit stärker strukturierter Tapete oder Rauhfaser geeignet sind. Für höherwertige Tapeten oder einen alleinigen hochwertigen Dispersionsanstrich waren die Flächen jedoch noch zu rauh. Im Rahmen dieses ersten Anwendungstests wurden alle Flächen des Zimmers komplett mit PCM-Spachtelmasse überzogen, wobei ein Flächenauftragsgewicht von 6,5 kg/m2 = ca. 6 mm Schichtdicke erreicht


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wurde. Die Flächen wurden anschließend mit einer Brandschutzdispersion von BASF gestrichen. Probleme, die sich bei der Auswertung der Verarbeitungstests zeigten, bestanden in einem Juckreiz sowie leichter Hautrötung beim Verarbeitungspersonal.

Abbildung 6-16: Einbau der PCM-Spachtelmasse in ein Wohnzimmer des 3-L Hauses

der Luwoge in Ludwigshafen

6.2.4.3 Analysen und Messreihen

In Versuchen wurden die Trocken- und Schwindeigenschaften der Spachtelmasse messtechnisch erfasst, wobei eine ausgewählte Rezeptur mit Hilfe der digitalen Bildtechnik untersucht wurde: Mit Hilfe dieser Technik konnten Verschiebungen des Materials an den Wänden beim Trocknen sichtbar gemacht werden. Es zeigten sich deutlich problematische Verschiebungen, die bei der Trocknung zur Rissbildung führten.

Ebenso wurden die umfangreichen analytischen Untersuchungen der Latentspeicher-Materialien und Spachtelmassen-Mischungen im Labor fortgesetzt. Dies betraf vor allem folgende Untersuchungen:

• Ermittlung von Schmelz- bzw. Kristallisationsenthalpien der Spachtelmassen

• Untersuchung kalorimetrischer Effekte in Abhängigkeit von der Heiz- und Kühlrate.

Hierbei konnten bei der Ermittlung von Schmelz- bzw. Kristallisationsenthalpien sehr gute analytische Ergebnisse bei der Bestimmung der theoretisch ermittelten Schmelzenthalpien (44 kJ/kg) festgestellt werden, da bei vier unterschiedlichen Heizraten eine Messung 43 bis 44 kJ/kg ergab, was einen hohen Grad an Wiederfindbarkeit zeigt. Die Abweichungen zwischen theoretisch und messtechnisch ermittelten Werten liegen bei max. 10 %.


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Weitere Untersuchungen betrafen die Ermittlung des Anteils des Enthalpieeffektes auf den für die Raumlufttemperierung wichtigen Temperaturbereich von T = 20 °C bis zu der Temperatur, bei der beim Heizen alles Speichermaterial geschmolzen ist. In den diversen Messreihen konnte ein Wert von 75 ± 4 % als Enthalpie-Anteil ermittelt werden. Dies bedeutet, dass ¾ aller latent gespeicherten Energiemengen unmittelbar für Kühlzwecke (hier: Raumlufttemperierung bei sich erwärmender Wand) zur Verfügung stehen. Analog bedeutet dies, dass für die Raumlufttemperierung bei sich abkühlender Wand 70 bis 80 % der Kristallisationsenthalpien zur Verfügung stehen. Die Schmelz- und Kristallisationsenthalpien lassen sich somit unabhängig von der Heiz- und Kühlrate bestimmen.

Die energetischen Effekte der PCM-Spachtelmassen spiegeln den Anteil an PCM im Putz wieder. Die Schalttemperatur (= mittlere Temperatur zwischen dem Punkt des minimalen Wärmestroms beim Heizen und dem Punkt des maximalen Wärmestroms beim Kühlen) wurde bei ca. 23,6 °C bestimmt.

Außerdem wurden Brandschutztests der PCM-Spachtelaufträge mit Unterstützung der BASF durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass die B1-Prüfung, die ein wichtiges Vermarktungskriterium darstellt, zunächst klar verfehlt wurde. Die Spachtelmassen fielen sogar durch eine leichte Brennbarkeit auf, wobei die Materialien auch nach Entfernen der Flamme selbständig weiterbrannten. Daher wurde die Rezepturentwicklung durch Einarbeitung von Flammschutzmitteln fortgesetzt, um das Brandschutzverhalten zu verbessern. Hierbei wurden die im bisherigen Projektverlauf entwickelten ersten zwei Auftragsschichten von dispersionsgebundenen Spachtelmassen beibehalten, jedoch die Rezeptur für den dritten Auftrag durch Einarbeitung von Flammschutzmitteln modifiziert.

Anschließend hergestellte Versuchsplatten mit vergleichsweise realisierten PCM-Aufträgen (einmal dritte Schicht ohne Flammschutzmittel und einmal dritte Schicht mit Flammschutzmittel) wurden Vergleichstests unterworfen. Diese zeigten, dass mit dem entsprechend modifizierten Schichtauftrag erheblich bessere Brandschutzeigenschaften erreicht werden können.

Messungen, die an einer von uns präparierten Prüfplatte vom Projektpartner FhG ISE zum tatsächlich erzielbaren Wärmespeichereffekt durchgeführt wurden, zeigten folgende Messergebnisse:

- Der Schmelz- und der Erstarrungspeak sind gut zu erkennen.

- Die Wärmekapazität im Bereich der Raumtemperatur (20 – 27 ° C) ist deutlich erhöht.

- Der Verlauf der Schmelzwärme über der Temperatur ermöglichte weiterhin eine Bestimmung des benötigten Inputs für Simulationen.

6.2.4.4 Weiterentwicklung der Rezepturen

Neben der vorstehend berichteten Verbesserung des Brandschutzverhaltens durch Einarbeitung von Flammschutzmitteln in die Rezeptur für den 3. Schichtauftrag wurden weitere Verarbeitungsversuche im Labor, Technikum und Applikationsmaßstab durchgeführt. Diese zeigten, dass die bis dahin entwickelten PCM-Rezepturen schon sehr gut geeignet waren. Insbesondere


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waren die Auftragsgewichte mit 2 – 6 kg/m² bei einem PCM-Anteil von 0,5 – 1,5 kg ausreichend, um die gewünschten thermischen Effekte zu erzielen. Problematisch waren jedoch noch Schwindeigenschaften sowie Hautreizungen, die bei der Verarbeitung auftraten. Die Rissneigung bei hohen Schichtdicken konnte dadurch gelöst werden, dass sich die neu konzipierte Schlussbeschichtung mit Flammschutzmittel einfach aufziehen und abglätten ließ und gleichzeitig zum Schließen feiner Risse führte.

Es zeigte sich jedoch ein neues Problem, das auf die enthaltenen Mikrokapseln zurückzuführen war: Eine wichtige Anforderung von Anstrich- und Spachtelmassen besteht generell darin, dass während der Nutzung keine Verdampfungsverluste entstehen, d. h. keine Wachsfreisetzungen auftreten oder kondensierte Bestandteile austreten (man spricht vom sog. Fogging-Verhalten). Gemäß entsprechenden Vorschriften sind Anteile unter einem Grenzwert von 0,1 g/m² zu halten.

Die durchgeführten Untersuchungen zeigten jedoch, dass sehr große Anteile fogging-aktiver Substanzen in dem mikroverkapselten Pulver enthalten sind und während des Einsatzes austreten können. Der Anteil wurde mit Werten zwischen 2,5 und 4 % gemessen, dies entspricht einem Wert zwischen 35 und 60 g/m². Alle Paraffinschnitte im Bereich der Schmelztemperatur 20 °C zeigten bisher, dass die mikroverkapselten Paraffine restlos fogging-aktiv sind. Der Projektpartner BASF wurde deshalb aufgefordert, verbesserte Rohstoffe zu entwickeln, die die vorgegebenen Grenzwerte erfüllen.

Anfang 2002 erhielt DAW dann neue, hinsichtlich ihrer Fogging-Aktivität optimierte Latentwärmespeicherrohstoffe (Materialbezeichnung CiK 25-00). Dieses neue Material soll eine dichtere Kapselung der Paraffin-Komponenten aufweisen. Mit diesem Rohstoff wurden zunächst interne Fogging-Tests durchgeführt, die ergaben, dass der Anteil kondensierbarer Bestandteile im Vergleich zum alten Material (von 2,4 – 3,8 % auf 1,6 – 1,7 %) merklich reduziert werden konnte. Das bei herkömmlichen Rohstoffen bestehende Ziel eines Anteils kondensierbarer Bestandteile < 0,1 % wurde jedoch weiterhin deutlich verfehlt. Es bestand daher nach wie vor die Vorgabe an den Projektpartner BASF, den Anteil kondensierbarer Bestandteile weiter in Richtung dieses Grenzwertes zu reduzieren.

Im Vergleich zum vorher verwendeten dispersionsgebundenem Spachtelmaterial war die Verarbeitung der neuen Rezeptur deutlich besser. Auch waren die zuvor berichteten Hautreizungen deutlich reduziert. Die Reduzierung der Hautreizungen gelang durch eine gleichzeitige Weiterentwicklung der Rezeptur: Hierbei wurde der Faseranteil, der notwendig ist für das Stand- und Ziehvermögen der Masse, deutlich gesenkt und durch andere Füllstoffe das erforderliche Verarbeitungsverhalten sichergestellt.

6.2.4.5 Ausstattung von Messräumen am ISE in Freiburg

Die Auswertung der Versuche am weiter oben berichteten ersten Testobjekt (3-L Haus) zeigte, dass dort verzerrte Testbedingungen vorliegen (Räume werden nicht gelüftet und haben eine Innentemperatur von ca. 27 °C). Außerdem waren die Räume für unser Personal nicht zugänglich (da bewohnt).


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DAW stattete deshalb mit den entwickelten Spachtelmassen einen Versuchsraum im Neubau des ISE in Freiburg aus (Abbildung 6-17). Hierbei wurden mehrere Versuchsräume für Vergleichsmessungen präpariert, die hinsichtlich Größe und Aufbau identisch sind. Ein Raum erhielt für Vergleichszwecke Standardputz, während zwei Räume mit Latentwärmespeichermaterialien ausgestattet wurden (ein Raum mit dem vom Projektpartner Maxit entwickelten Innenputz sowie ein Raum mit den von DAW entwickelten PCM-Spachtelmassen). In die Beschichtungen wurden an mehreren Punkten Temperaturmessfühler integriert. Eine detaillierte Beschreibung ist dem Kapitel 6.3.4 zu entnehmen.

Abbildung 6-17: Mit PCM-Spachtelmasse ausgestattetes Büro im Neubau des Fraunhofer ISE.

Anschließend wurde mit dem von BASF zur Verfügung gestellten neuen PCM mit reduzierter Fogging-Aktivität neue dispersionsgebundene Spachtelmassen gefertigt und nach grundsätzlichen Laboruntersuchungen der Rezepturen Verarbeitungsversuche durchgeführt.

Mit dem verbesserten Material wurde ein weiterer Versuchsraum am Fassadenteststand des Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) ausgestattet. Hierbei wurden am Objekt des ISE in Freiburg die Decken und Wandflächen von zwei Messräumen für Vergleichsmessungen ausgestattet. Nach entsprechender gleichartiger Vorbereitung der Decken- und Wandflächen (Grundierung mit Caparol Putzgrund) wurde einer der gleichartigen Räume mit PCM-Spachtelmasse und ein weiterer Raum ohne PCM (herkömmlicher Spachtel) beschichtet (Kapitel 6.3.5.6).

Die Verarbeitung der neuen dispersionsgebundenen PCM-Spachtelmasse erfolgte auf, als Untergrund vorhandene GK-Platten, die jedoch durch die Befestigung und Hinterfüllung mit Dämmmaterial bzw. Kabel extrem wellig waren. Hierdurch wurde eine sehr ungleiche Dicke der Spachtelmasse erzielt. Die Grundierung der Flächen erfolgte zunächst mit Caparol Putzgrund bzw. der Holzplatten im Fensterbereich mit Filtergrund.

Die mit den neuen PCM ausgestatteten Spachtelmasse (neue Rezepturbezeichnung BF 02/736) ließen sich sehr gut aufziehen und hatten eine gute Fülle und Konsistenz. Jedoch zeigten sich bei der starken Welligkeit des Untergrundes durch die extrem unterschiedliche Auftragsmenge etliche feine bzw. große Risse und auch eine größere Anzahl von Luftblasen in der zweiten Schicht (Abbildung 6-61).


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Die dritte, brandwidrig eingestellte Beschichtung ließ sich ebenfalls gut aufziehen und abglätten. Auch war nach ca. 1 Stunde ein „leichtes Durchfilzen“ des Materials mit einer Schwammscheibe möglich. Risse und Blasen wurden in der dritten Schicht nicht festgestellt.

Die vergleichenden Beschichtungen mit dem im anderen Raum verwendeten herkömmlichen Spachtelmaterial ohne Latentwärmespeicher führte zu ungefähr der gleichen Auftragsdicke (ca. 5,5 kg/m2 gegenüber 5,8 kg/m2 bei der PCM-Spachtelmasse). Eine Rissbildung in der zweiten Schicht war weniger vorhanden, die Luftblasenbildung jedoch ähnlich.

Durch die vergleichsweise hohe Welligkeit des Untergrundes war auch der Trocknungsverlauf stark unterschiedlich. Auf planen Holzplatten unterhalb der Fenster ließen sich die Materialien einwandfrei verarbeiten und zeigten keine Mängel.

Die fortlaufenden Temperaturmessungen wurden vom ISE dokumentiert und ausgewertet. Außerdem wurden REM-Untersuchungen durchgeführt. Erste Zwischenergebnisse zeigten deutliche thermische Effekte: Wärmestrom-Messungen zeigten sowohl eine deutliche Wärmekapazität im Bereich der Raumtemperatur als auch deutliche Schmelz- und Erstarrungspeaks beim Aufwärmen und Abkühlen der Räume (Kapitel 6.3.5.6.6).

Die mit diversen Sensoren ausgestatteten Räume wurden über die Zeitspanne von einem Jahr (20.03.2002 bis 27.03.2003) umfangreichen Versuchsreihen unterworfen, wobei insbesondere Wandtemperaturen und Raumlufttemperaturen unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen, Lüftungsverhältnissen und Beschattung der Räume ermittelt wurden. Ferner wurde auch der Einfluss von Möblierung im Raum untersucht.

Abbildung 6-18: Versuchsreiche mit offenen Regalen als Möblierung in den Testzellen

am Fraunhofer ISE. Die opaken Flächen sind mit PCM-Spachtelmasse belegt.

Zusammenfassend zeigte sich, dass sich der PCM-Putz sehr positiv auf das Raumklima der Testzelle auswirkte. Die 6 mm - Putzschicht mit einem Latentspeicherzusatz (Speicherfähigkeit von etwa 38 J/g und 6 kg Putz pro m² Wand) führte bis zu 4 °C niedrigen Raumlufttemperaturen in der PCM-Testzelle im Vergleich zur Referenzzelle.


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Weiterhin wurde herausgefunden, dass die Nachtlüftung zur Abkühlung der Wände mit Latentspeicherzusatz für eine Entladung des Speichers sehr wichtig ist, um so das erneute Laden am Folgetag zu ermöglichen und unerwünschte Temperaturspitzen zu vermeiden. Ist die nächtliche Entladung nicht gegeben, kann auch keine Wirkung des PCM-Putzes auf das Raumklima festgestellt werden. Ferner konnte gezeigt werden, dass während sehr warmer Sommertage eine Verschattung der Fenster bei hoher Einstrahlung notwendig ist, damit die Behaglichkeitsgrenzen nicht überschritten werden.

Beim Aufstellen von Massivmöbeln vor den Wänden, die mit PCM ausgestattet sind, wird die positive Auswirkung auf das Raumklima deutlich vermindert. Regale, deren Oberfläche unterbrochen ist, haben dagegen kaum eine negative Wirkung auf die Auswirkung des Latentspeichereffektes auf das Raumklima. Somit sollte das Verstellen der PCM-Wände mit Massivmöbeln möglichst vermieden oder insbesondere primäre freie Flächen (z.B. die Decke) für die Ausstattung mit PCM-Putz genutzt werden.

Insgesamt zeigten die Versuche auch, dass der entwickelte Dämmputz hauptsächlich bei Leichtbaukonstruktionen zur Vermeidung überhöhter Raumlufttemperaturen erfolgreich eingesetzt werden kann.

6.2.4.6 Optimierung der Rezepturen

Im Anschluss an diese Versuche wurden die Rezepturen so weiterentwickelt, dass das zur Erzielung spürbarer thermischer Effekte notwendige hohe Auftragsgewicht von 6,5 kg/m² mit nur zwei Arbeitsgängen erreicht wird. Als Ergebnis dieser Arbeiten standen zwei Rezepturen zur Verfügung:

- Im ersten Schichtauftrag wird eine dispersionsgebundene Spachtelmasse genutzt, die mit ca. 26 % einen hohen PCM-Anteil aufweist und zu einem Auftragsgewicht von ca. 5 kg/m² führt.

- Mit der zweiten Schicht erfolgt eine Glättung der Oberfläche bei vergleichsweise geringem Auftragsgewicht (ca. 1,5 kg/m²). Gleichzeitig sind hier die zum Erreichen der bestehenden Grenzwerte erforderlichen Brandschutzmittel eingearbeitet.

Die Rezepturentwicklung erforderte wiederum Versuche im Labor und Technikum von DAW, um die Oberflächenqualität (insbesondere Vermeidung von Rissen) mit der neuen PCM-Spachtelmasse zu erreichen. In Verarbeitungsversuchen konnte schließlich ein qualitativ guter Auftrag auch auf großen Flächen ohne Risse nachgewiesen werden.

Hierbei wurden Versuche zur Ausstattung verschiedener glatter und gestrichener Flächen mit dem Putz durchgeführt. Sämtliche Versuche waren erfolgreich und wiesen den Auftrag der PCM-Massen mittels Spachtel sowie ein ausreichendes Glätten der Spachtelmassen nach.

Die neu entwickelten dispersionsgebundenen Spachtelmassen verursachten bei der Verarbeitung keine Hautreizungen mehr.


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6.2.4.7 Anwendungstest mit einem Hersteller von Fertigwänden

Auf Basis der entwickelten Rezepturen wurden erstmals größere Mengen Dämmputz hergestellt und an eine österreichische Baufirma für Fertighäuser geliefert. Dort wurden dann Musterteile in der Fertigung mit dem Dämmputz ausgestattet.

Bei der Herstellung der Dämmputze für diese Musteraufbauten nach einer leicht adaptierten Rezeptur zeigten sich Probleme aufgrund der immensen Staubentwicklung. Hieraus ergibt sich die Anforderung, bei einer Serienumsetzung geeignete maschinentechnische Adaptierungen vorzunehmen.

Die Verarbeitung erfolgte abweichend von dem zuvor entwickelten 2-Schicht- bzw. teilweise praktizierten 3-Schicht-Auftrag als 5-Schicht-Aufbau. Hierbei wurde zunächst mittels Zahnspachtel zur Erhöhung des Auftragsgewichtes eine rippenförmige Basic-Spachtelung aufgebracht, die dann mittels 4 weiterer Finish-Spachtel- bzw. Glätte-Aufträge geglättet wurde. Durch dieses Vorgehen wurde ein sehr hohes Auftragsgewicht von 9,2 kg/m2 erreicht. Die Schichtdicke lag bei ca. 6 mm.

Die hergestellten Musteraufbauten wurden diversen Fertighaus-Herstellern präsentiert, die Interesse an den entwickelten PCM-Massen zeigten.

6.2.4.8 Zusammenfassung der Ergebnisse des Teilprojektes DAW

DAW entwickelte im Rahmen des F&E-Vorhabens vollkommen neue Rezepturen für dispersionsgebundene Spachtelmassen. Insbesondere wurde versucht, möglichst hohe Anteile der Latentwärmespeichermaterialien (PCM) in die Rezepturen einzuarbeiten, um die Wärmespeicherkapazität zu maximieren. Als Ergebnis gelang es, spürbare thermische Effekte mit PCM-Anteilen von bis zu 25% an der Rezeptur zu erzielen. Dies entspricht einem Anteil von 35 – 40% der Trockenmasse.

Die Rezepturentwicklung und -optimierung betraf u.a. die Verarbeitungsfähigkeit der Spachtelmassen, den Nachweis der erforderlichen Brandschutzeigenschaften, die Vermeidung der Rissbildung bei hohen Schichtdicken im Auftrag und die Vermeidung des Phänomens der „Schwarzen Wohnungen“ durch Reduzierung der Freisetzung fogging-aktiver Paraffine aus den Mikrokapseln.

Mit den im Projekt entwickelten Spachtelmassen wurden Versuchsplatten sowie Decken und Wände in diversen Versuchsräumen beschichtet.

Als praktikables Auftragsgewicht wurden 6,5 kg/m² ermittelt, die in zwei Arbeitsgängen aufgetragen werden. Die hierzu im Projekt entwickelten zwei Rezepturen sind leicht unterschiedlich: im ersten Schichtauftrag wird ein möglichst hohes Auftragsgewicht von ca. 5 kg/m² mit einem hohen PCM Anteil erreicht und mit der zweiten Schicht die Oberfläche bei vergleichsweise geringem Auftragsgewicht (ca. 1,5 kg/m²) geglättet und die Brandschutzeigenschaften eingestellt. In den Verarbeitungsversuchen konnte ein qualitativ guter Auftrag auch auf großen Flächen ohne Risse nachgewiesen werden.


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Beim Vergleich von zwei identischen Versuchsräumen, von denen einer mit dem entwickelten Spachtelmaterial ausgestattet wurde, zeigte sich, dass der Temperaturanstieg in der mit dem entwickelten Spachtelmaterial ausgestatteten Testzelle nach Erreichen des Schmelzintervalls zwischen 24 und 26 °C deutlich verlangsamt ist. Sowohl Luft- als auch Wandtemperaturen waren bis zu 4 K niedriger als in der Referenzzelle ohne PCM. Weiterhin wurde festgestellt, dass durch den Einsatz der neuen PCM-Spachtelmasse das Tagesmaximum der Temperatur im Raum um mehr als eine Stunde nach hinten geschoben werden konnte, was insbesondere für Arbeits- und Büroräume einen erheblichen Vorteil darstellt (Kapitel 6.3.5.6).

Weitere Versuchsreihen, die Wand- und Raumlufttemperaturen unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen, Lüftungsverhältnissen und Beschattungen der Räume betrafen, gingen bis zur Untersuchung des Einflusses von Möblierung im Raum. Hierbei bestätigte sich zusammenfassend, dass sich die entwickelte PCM-Spachtelmasse sehr positiv auf das Raumklima auswirkt. Signifikant sind die um bis zu 4 K niedrigeren Wand- und Lufttemperaturen im Vergleich zur Referenzzelle ohne PCM. Durch die Verschattung der Fensterflächen bei Sonneneinstrahlung und hohen Außentemperaturen konnte erreicht werden, dass die Raumtemperatur die Behaglichkeitsgrenze nicht oder nur sehr selten überschreitet. Eine Nachtlüftung ist im Praxiseinsatz zur Abkühlung der Wände mit Latentspeicherzusatz für die Entladung des Speichers erforderlich, um so das erneute Laden am Folgetag zu ermöglichen und unerwünschte Temperaturspitzen zu vermeiden. Ist die nächtliche Entladung durch fehlende Lüftungsmöglichkeiten oder zu hohe Nachttemperaturen nicht gegeben, so kann auch keine Wirkung der PCM-Spachtelmasse auf das Raumklima festgestellt werden.

Werden die mit PCM-Spachtelmasse ausgestatteten Wände mit massiven Möbeln verstellt, so kann der verstellte Anteil der PCM keine Wirkung mehr auf das Raumklima ausüben. Regale mit fehlender Rückwand haben demgegenüber praktisch keine negative Wirkung auf den Latentspeichereffekt und das Raumklima.


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6.2.5 Sto – PCM in Bauplatten und im Außenbereich

6.2.5.1 Bauplatten mit Latentwärmespeicher

Zu Beginn des Projektes wurden von Sto verschiedene PCM-Anwendungen sowohl im Innenbereich, als auch im Außenbereich untersucht. Simulationen haben gezeigt, dass der Einsatz im Innenbereich durch Reduzierung der Kühllasten energetisch am sinnvollsten ist (Kapitel 6.1). Besonders positiv würde sich dabei die Integration der mikroverkapselten Latentwärmespeicher in Bauplatten für den Leicht- und Trockenbau auswirken. Erste Versuche, mikroverkapselte Latentwärmespeicher in Bauplatten zu integrieren wurden durchgeführt. Insbesondere wurde an einer Akustikplatte mit integriertem Latentwärmespeicher gearbeitet. Die Kombination aus akustischen und thermischen Eigenschaften ermöglicht die passive Klimatisierung von z.B. Besprechungsräumen mit deutlicher Verbesserung der Raumakustik. Alle Bauplatten-Prototypen zeigen einen deutlichen wärmespeichernden Effekt (Kapitel 6.3.1.3). Die nicht ausreichende Stabilität der Mikrokapseln führte jedoch zu Problemen bei der Plattenproduktion, die durch spezielle Optimierungen im Produktionsverfahren und gezielte Anpassungen der Mikrokapseln teilweise gelöst wurden. Zusätzlich verschlechtert der Einsatz der Latentwärmespeicher deutlich die Brandeigenschaften der Bauplatten. Das Erreichen der gesetzlich geforderten Brandklassen bereitet daher Probleme, weshalb der Einsatz konventioneller Brandschutzmittel sowie spezieller anorganischer Bindemittel untersucht wurde. Schließlich konnten auch die Brandeigenschaften verbessert werden, erfüllen jedoch noch nicht die Anforderungen an schwer entflammbare Systeme (Brandklasse B1). Weiter wurde versucht, Sandwichaufbauten mit schwer entflammbaren bzw. unbrennbaren Deckbeschichtungen herzustellen. Der Verbund im Sandwich war aber nicht zufrieden stellend.

Aufgrund der ungelösten Probleme, die hauptsächlich auf den Herstellungsprozess zurückzuführen sind, wurde die Entwicklung von Bauplatten nicht weiter verfolgt und Anwendungen im Außenbereich von Gebäuden näher untersucht. Simulationen der Anwendung von Latentwärmespeicher auf einer wärmegedämmten Fassade zeigten, dass hier keine energetischen Vorteile realisiert werden können. Es kann aber eine Dämpfung der Temperaturspitzen festgestellt werden, was Taupunktunterschreitungen minimiert und dadurch Algen- und Pilzbefall, der häufig bei gut isolierten Fassaden zu beobachten ist, unterdrückt (Kapitel 6.1.1). Eine Grundvoraussetzung für das Wachstum von Algen und Pilzen auf Fassaden ist das Vorhandensein eines Wasserfilms über eine längere Zeit. Deshalb sollte bei der Entwicklung neuer Fassadenbeschichtungen und Wärmedämmverbundsystemen die Minimierung der Oberflächenfeuchtigkeit ein wesentliches Ziel sein.


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6.2.5.2 Reduzierung von Betauung auf Gebäudefassaden

Algen und Pilzbefall ist ein häufig auftretendes Problem an gut isolierten Fassaden, vor allem auf der Nordseite von Gebäuden. Unterschieden werden zwei Arten des Befalls. Beim Primärbefall leben Algen und Pilze direkt auf einer dauerhaft feuchten Fassade. Beim Sekundärbefall bilden sie sich auf einer auf der Fassade liegenden feuchten Schmutzschicht. Durch selbstreinigende Fassaden mit dem so genannten Lotuseffekt kann die Schmutzresistenz erhöht werden, wodurch der Sekundärbefall deutlich reduziert wird. Zusätzlich führt der Lotuseffekt dazu, dass die Fassadenflächen bei einem Regenschauer weniger stark benetzen, als konventionelle Flächen.

Ein anderes Problem ist die Feuchtigkeitsbildung auf Fassaden durch Taupunktunterschreitungen. Bei Wärmedämmverbundsystemen mit den heute üblichen Dämmstoffstärken ist der Wärmestrom von Innen nach Außen vernachlässigbar klein, wodurch nachts die Oberflächentemperatur der Fassade stark absinkt. Teilweise sinkt die Oberflächentemperatur sogar unter die der Umgebung, was zu einer Belastung durch Tauwasser führt. Die Ursache für dieses starke absinken der Temperatur liegt nicht nur an den niedrigeren nächtlichen Umgebungstemperaturen, sondern daran, dass die Oberflächen vor allem an klaren Nächten Wärme in den Weltraum abstrahlen. Diesen Effekt kennt man von vereisten Autoscheiben in klaren Winternächten. Hinzu kommt, dass durch den stark verringerten Wärmestrom von Innen und der geringen Masse des Putzes kaum Wärme nachströmt oder gespeichert werden kann.

Wie stark ein Körper Wärme in Form langwelliger Infrarotstrahlung abgibt, wird durch den so genannten Emissionsgrad ε bestimmt. Ein Emissionsgrad von 1 bedeutet eine ideale Wärmeabgabe, man spricht hier von einem „schwarzen Strahler“. Ein Emissionsgrad von 0 bedeutet hingegen, dass keinerlei Wärmestrahlung abgegeben wird; dies ist näherungsweise bei polierten Metalloberflächen der Fall.

Herkömmliche Fassaden haben einen ε-Wert von ca. 0,9. Dies ist unabhängig vom optisch wahrnehmbaren Farbton und gilt damit auch für weiße Fassadenflächen. Durch eine spezielle Wahl des Bindemittels, der Füllstoffe und der Pigmente gelingt es, den Emissionsgrad auf Werte bis zu 0,5 abzusenken. Durch den Einsatz solcher Fassadenfarben können die Zeiten der Taupunktunterschreitung deutlich reduziert werden.

Ein Weiterer Ansatz ist daher die Erhöhung der Wärmespeicherkapazität. Hier ist vor allem der Einsatz von PCM sinnvoll, da diese in einem bestimmten Temperaturbereich eine hohe Speicherdichte besitzen. Die Erhöhung der thermischen Masse, primär in der Armierung, führt zu einer Glättung der Oberflächentemperatur im Tagesverlauf und kann dadurch verhindern, dass diese nachts unter die Taupunkttemperatur fallen.

Ziel war es ein Wärmedämmverbundsystem zu entwickeln, dass alle 3 Lösungsansätze (Lotuseffekt, reduzierte Wärmeabstrahlung, PCM) zu einem System kombiniert, dass die Feuchtigkeit auf den Oberflächen soweit wie möglich reduziert.


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6.2.5.3 Projektverlauf

Zu Beginn des Teilprojektes wurden zur Potentialabschätzung einige Simulationen durchgeführt. Dabei wurden nicht nur sinnvolle Anwendungen im Innen- und Außenbereich von Gebäuden, sondern auch hierfür sinnvolle Schmelzpunkte für das PCM charakterisiert. Die frühen Simulationen zeigten dass ein energetisch sinnvoller Einsatz der Latentwärmespeicher nur im Innenbereich möglich ist. Infolgedessen wurde zunächst versucht, Bauplatten bis zur Prototypreife zu entwickeln. Die technischen Anforderungen des Herstellungsprozesses der Bauplatten konnten von den verwendeten PCMs jedoch nicht erfüllt werden, so dass in 2003 der Einsatz im Außenbereich wieder aufgegriffen wurde. Ziel der neuen Entwicklung war die Betauungsproblematik und das damit einhergehende Algen und Pilzwachstum bei WDVS zu verringern. Hier wurden schon im Rahmen anderer Projekte erfolgreiche Experimente mit dem Lotuseffekt und IR-Emmissionsarmen Fassadenfarben durchgeführt. Der Einsatz von PCM verspricht bei dieser Anwendung eine weitere Reduzierung der Betauungsdauer. Im Rahmen dieser Vorhaben wurden mehrere Wärmedämmverbundsysteme entwickelt, mit unterschiedlichem Aufbau und PCM-Anteil. Diese Produkte wurden sowohl an einer Testfassade des Fraunhofer IBP in Holzkirchen, als auch an einem am Fraunhofer ISE aufgebautem Bewitterungsteststand vermessen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung werden in Kapitel 4.6 beschrieben.


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6.3 Messungen

Während des Projektablaufes wurden, angefangen bei Materialmessungen über Wandmuster bis hin zu Büroräumen, einige Messungen durchgeführt und Messvorhaben realisiert.

Der erste Schritt war die Vermessung der thermischen Materialeigenschaften der entwickelten mikroverkapselten PCMs und den daraus hergestellten Produktansätze der Baustofffirmen mit Hilfe des Differential Scanning Calorimeters (DSC). Mit dem Rasterelektronenmikroskop wurde der Zustand der Kapseln, die sowohl bei der Herstellung als auch der Verarbeitung starken mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, untersucht. Der nächste Schritt beim up-scaling war dann die Vermessung von Wandprüfmustern in einer eigens hierfür konzipierten Plattenapparatur. Schließlich wurden erste Testräume mit PCM-Putzen ausgestattet. Dazu zählen Testwohnungen im 3-Liter-Haus der Luwoge in Ludwigshafen, Testbüros am Neubau des Fraunhofer ISE und Testzellen am Fassadenteststand des Fraunhofer ISE.

6.3.1 Materialmessungen

Die zur Verfügung gestellten Materialproben wurden am Fraunhofer ISE thermisch charakterisiert. DSC-Messungen (Differential Scanning Calorimeter) und REM-Aufnahmen (Rasterelektronenmikroskop) lieferten Daten bezüglich der latenten Speicherfähigkeit der Spachtelmasse und Aufnahmen zur Visualisierung der Struktur des Putzes mit einer Auflösung von Strukturen im Mikrometerbereich.

6.3.1.1 DSC

Zur Charakterisierung der thermischen Eigenschaft steht am Fraunhofer ISE das DSC 111 der Firma Setaram zur Verfügung. Für eine Messung werden kleine feste oder flüssige Proben von etwa 50-200mg bzw. 170µl in Tiegel gefüllt. Vermessen werden dann jeweils gleichzeitig ein Probentiegel und ein leerer Tiegel. Als Messprozedur werden frei programmierbare Temperaturrampen vorgegeben, die das Gerät abfährt und dabei den benötigten Wärmestrom aufzeichnet. Da gleichzeitig ein Referenztiegel und ein Probentiegel vermessen werden ist die Differenz beider Wärmestromsignale, der resultierende Wärmestrom in die Probe.

Neben dieser Messmethode bietet das Gerät auch die Möglichkeit die spezifische Wärme (cp) einer Probe zu bestimmen. Hierfür sind zwei Messmethoden verfügbar: Konstante Temperaturrampe oder stufige Temperaturrampe. Die konstante Temperaturrampe hat den Vorteil, dass cp über einen gesamten Temperaturbereich dargestellt wird. Die Genauigkeit dieser Messung hängt jedoch stark von der Probe und der Geschwindigkeit der Messung (Heizrate) ab. Genauer ist die Methode der Temperaturstufen. Hier wird die Temperatur in kleinen Schritten mit maximaler Heizrate erhöht und dann solange konstant gehalten, bis der Wärmestrom im Gleichgewicht ist. Integriert man den Wärmestrom über jeder Stufe ergibt dies cp. Der Nachteil dieser Methode ist, dass bei kleinen Probenmassen und kleinen Heizschritten, das Wärmestromsignal sehr klein wird, so dass die Integralbildung durch das Systemrauschen einen relativ großen Fehler besitzt.


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Das DSC wurde intensiv zur Materialcharakterisierung im Projektverlauf eingesetzt. Vermessen wurden das reine mikroverkapselte PCM und verschiedene Produktansätze. Vor allem bei der Entwicklung des PCMs, waren die Informationen über den Schmelzpeak (Schmelzbereich, Enthalpie, Reinheit) und Unterkühlung von großer Bedeutung.

Bei der Vermessung der Produktproben lagen Fragen der Qualitätssicherung im Vordergrund. Insbesondere die Frage, ob die errechnete Wärmespeicherkapazität erreicht wird und ob die Verteilung des PCM im Produkt homogen ist.

6.3.1.2 REM

Die thermischen Eigenschaften, die mit dem DSC ermittelt werden können geben keinen Aufschluss über den Zustand der Kapseln. Der Herstellungsprozess der Produkte ist aber mit relativ starken mechanischen Belastungen verbunden. Hinzu kommt noch die Belastung durch die Volumenänderungen im Phasenübergang. Daher ist eine optische Kontrolle der Kapseln in Verschiedenen Stadien erforderlich. Die Größe der Kapseln von wenigen Mikrometern führt dazu, dass Lichtmikroskope keine ausreichende Vergrößerung haben. Rasterelektronenmikroskope sind daher für die optische Kontrolle am besten geeignet.

Das Rasterelektronenmikroskop tastet die Oberfläche in einem Raster ab. Dabei wird ein gebündelter Elektronenstrahl wie bei einer Braunschen Röhre, über die Probe geführt, bis diese vollkommen erfasst ist. Die auftreffenden Elektronen können direkt von der Objektoberfläche gestreut werden, oder die Emission (Abstrahlung) von Sekundärelektronen aus der Probenoberfläche bewirken. Ein auf den Detektor treffendes Elektron wird durch ein Elektrisches Feld beschleunigt und trifft auf einen Leuchtstoff, den es zum leuchten bringen. Ein Photomultiplier zählt die so aufflackernden Lichtblitze. Jeder abgetastete Punkt einer Probe entspricht einem Pixel auf einem Fernsehbildschirm. Je mehr Elektronen der Zähler feststellt, desto heller wird der Pixel am Bildschirm. So lassen sich für jeden Punkt die Neigung und teilweise auch das Material der Oberfläche als Helldunkelwert erfassen. Damit die Elektronen abfließen können, und die Probe sich nicht elektrostatisch aufladen kann, muss die Oberfläche elektrisch leitend sein. Dies wird durch Aufspattern einer hauchdünnen Goldschicht erreicht. In Abbildung 6-38 ist eine für das REM vorbereitete gespatterte Probe abgebildet.

Im Rahmen des Projektes wurde das REM für die optische Kontrolle der Zyklierungsproben und zur Bewertung der Herstellungs- und Verarbeitungstechniken eingesetzt.

6.3.1.3 Plattenapparatur

Nach den Materialmessungen mit Proben im mg-Bereich war der nächste Schritt der Aufbau einer Plattenapparatur am Fraunhofer ISE. Die Plattenapparatur wurde benötigt, um die thermischen Eigenschaften der


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PCM-Baustoffe in makroskopischen Proben zu untersuchen. Vor allem der Einfluss der Wärmeleitung wird bei größeren Proben immer wichtiger.

In der Plattenapparatur können Proben bei unterschiedlichen, einstellbaren Randbedingungen vermessen werden. Durch das gezielte Regeln eines konstanten und möglichst kleinen Wärmeflusses durch eine Probe mit Latentspeicherzusatz konnte die Temperaturabhängigkeit der Schmelzenthalpie bestimmt werden. Der kleine Wärmefluss ermöglicht eine gute Auflösung (Anzahl der Temperaturwerte).

Die Temperaturabhängigkeit des Latentspeichereffektes ist für die Anwendung des Materials in der Praxis von zentraler Bedeutung. Die Speicherung muss hauptsächlich bei Temperaturwerten stattfinden, die knapp unter den hohen Werten, die es zu verhindern gilt, liegen. Der Testaufbau besteht im Wesentlichen aus zwei getrennt temperierbaren Kupferplatten, zwischen die der Wandprüfling gepresst und verschiedenen Temperaturprofilen ausgesetzt wird. Abbildung 6-19 zeigt ein Schema dieses Aufbaus.

In die Kupferplatten sind sowohl Temperaturfühler als auch Wärmestromplatten integriert. Angeordnet sind sie auf beiden Seiten jeweils sowohl in der Mitte der Platten als auch am Rand, um Leckwärmestrome zu entdecken. Diese 10cm x 10cm Wärmestrommessplatten sind auf dem Photo in Abbildung 6-20 zu erkennen.

Abbildung 6-19: Schematische Darstellungen des Testaufbaus


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Abbildung 6-20: Photo der Plattenapparatur

Zwei der möglichen, grundsätzlich unterschiedlichen Messprogramme die mit diesem Aufbau möglich sind, wurden bisher durchgeführt. Beide sind ähnlich zu Standardmessungen bei DSC-Apparaturen und ermöglichen so zumindest ansatzweise den Vergleich mit DSC-Messungen. Sie unterscheiden sich in der Wahl der aufgeprägten und der gemessenen Größe, d.h. entweder man prägt ein Temperaturprofil auf die Oberfläche der Probe auf und beobachtet als reagierende Größe den Wärmestrom in die Probe, oder man prägt den Wärmestrom auf und misst den daraus resultierenden Temperaturverlauf der Probe. Abbildung 6-21 zeigt das Schema dieser beiden Methoden und den zu erwartenden Verlauf der Messgröße bei herkömmlichen Proben.

Bei Methode 1 wird die Temperatur auf der Oberfläche der Probe vorgegeben, und zwar in Form einer Temperaturrampe. Nach einer Konditionierungsphase bei einer konstanten Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes wird die Temperatur linear erhöht bis sie über dem Schmelzpunkt liegt. Dann folgt erneut eine Konditionierungsphase bei dieser Temperatur bis die Probe im thermischen Gleichgewicht ist. Nun wird zum Messen des Erstarrungsverlaufes linear bis zur Ausgangstemperatur abgekühlt und schließlich wieder das thermische Einschwingen abgewartet. Bei einer herkömmlichen Probe erwartet man für den Verlauf der Wärmeströme in die Probe den in Abbildung 6-21 grob skizzierten Verlauf, bei einer konstanten Steigerung der Temperatur resultiert ein konstanter Wärmestrom in die Probe, der der Wärmekapazität der Wandprobe entspricht. Bei konstanter Temperatur ist der Wärmestrom Null, bei konstantem Abkühlen konstant negativ. Bei einer Probe mit PCM überlagert sich diesem Verlauf die Schmelzwärme, d.h. in der Nähe der Schmelztemperatur ist ein Anstieg des Wärmestromes zu erwarten, da zusätzliche Energie für den Phasenwechsel benötigt wird. Diese Messmethode erlaubt die Bestimmung der gesamten Schmelzwärme durch Integration des zusätzlichen Wärmestroms. Da nur die Oberflächentemperatur der Probe aufgeprägt wird, ist der exakte Temperaturverlauf in der Probe nicht bekannt und vom Material abhängig. Dies verfälscht die Zuordnung der Schmelzenergiemengen zur Temperatur


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(H(T)). Je langsamer die Messung durchgeführt wird, desto kleiner wird dieser Effekt, aber desto kleiner auch das Messsignal, wodurch der Messfehler wächst. Deshalb wird zu Bestimmung des Schmelzwärmeverlaufs H(T) auf die Messmethode 2 zurückgegriffen. Hier wird mit einer konstanten Rate geheizt und der Verlauf der Temperatur beobachtet. Bei einer herkömmlichen Probe ergibt das konstante Zuführen von Energie einen konstanten Temperaturanstieg dessen Geschwindigkeit proportional zur Wärmekapazität der Probe ist (Abbildung 6-21 Teil 2). Bei einer Probe mit PCM verlangsamt sich der Anstieg der Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur, da zusätzliche Energie für den Schmelzprozess aufgebracht werden muss. Dadurch ist das Temperaturgefälle in der Probe in diesem Bereich nicht so groß wie bei Methode 1, was das Bestimmen von H(T) erleichtert.

Abbildung 6-21: Schema der beiden verwendeten Messmethoden

6.3.1.3.1 Vermessung von Wandmustern

Als erste Probe von Maxit wurde ein Putz mit 10% PCM sowie ein ansonsten identischer Referenzputz vermessen. Abbildung 6-22 zeigt den Temperaturverlauf der Oberflächenfühler und eines in die Putzschicht integrierten Fühlers.


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Abbildung 6-22: Temperaturverlauf maxit 10% bei Messung nach Variante 1

In den Kreisen sieht man gut den oben angesprochenen Effekt, dass sich die Temperaturspreizung in der Probe in der Nähe des Schmelzpunktes vergrößert. Abbildung 6-23 zeigt den bei obiger Messung resultierenden Wärmestrom in die Probe. Der Verlauf des Wärmestroms der Referenzprobe zeigt exakt den oben diskutierten, zu erwartenden Verlauf. Dass die Linie während des konstanten Temperaturanstiegs linear, aber waagrecht verläuft zeigt eine leicht temperaturabhängige Wärmekapazität. Deutlich ist der Schmelzpeak zu erkennen. Der erste Anstieg ist bereits bei 15°C zu beobachten, das Maximum liegt bei ca. 24°C. Beim Abkühlen sieht man im rot markierten Kreis ein äußerst unerwünschtes Verhalten, ein zweiter Erstarrungspeak macht sich bemerkbar. Das deutet auf unreines Material hin, z.B. zwei verschiedene Paraffine. Der zweite Peak tauchte auch bei wiederholten Messungen auf. Er liegt bei ca. 11°C, würde also bei Raumtemperaturen nie erreicht. Die Schmelzwärme dieses Peaks wäre also nicht nutzbar. Die gesamte gemessene Schmelzwärme lag mit 90 J/g über den Angaben der BASF (72 J/g), was daran liegen kann, dass bei deren Messungen nicht weit genug abgekühlt wurde, um den zweiten Peak mitzumessen. Die Integrale von Schmelz- und Erstarrungswärme sind im Rahmen der Messgenauigkeit gleich groß, d.h. das gesamte PCM schmilzt und erstarrt wieder, was auf Zyklenstabilität schließen lässt. In der Tat war auch bei mehreren Messungen kein Unterschied der Schmelzwärme feststellbar.


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Abbildung 6-23: Wärmeströme Maxit 10% bei Messung nach Variante 1

Die oben dargestellten Messungen wurden mit PCM von 1998 durchgeführt. Während des Projektes gab es allerdings einige Veränderungen am PCM. Die aktuellen Materialen haben eine Latentwärme von ca. 100 J/g und zeigen keine Unterkühlung mehr. Im Folgenden sind weitere Ergebnisse von Messungen an Wandmustern dargestellt.

Abbildung 6-24: Wärmstrommessung mit neuerem PCM

In Abbildung 6-24 sieht man ein deutlich verbessertes Abkühlverhalten. Es tauchen keine zwei Peaks beim Erstarren mehr auf. Auch die Gesamtwärme wurde gesteigert. Bei dieser Messung ergab sich eine Latentwärme von ca. 100 J/g, was nicht den Angaben der BASF entspricht, aber durch den verlustbehafteten Herstellungsprozess dieser Probe erklärt werden kann. Um mehr über das Material aussagen zu können, wurde diese Probe auch


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Messungen nach Methode 2 unterzogen. Abbildung 6-25 zeigt den Temperaturverlauf, der sich bei konstanter Heiz- und Kühlleistung ergibt.

Abbildung 6-25: Temperatur und Leistung bei Messung nach Methode 2

Man sieht das Abflachen des Temperaturanstiegs im Bereich des Phasenwechsels (der Bereich des Phasenwechsels ist auch am Schwingen des Leistungsreglers zu erkennen). Diese Probe benötigt bei einer Heizleistung von 10 W ca. 4 h länger um die Endtemperatur von 35°C zu erreichen, als es eine herkömmliche Probe (die gestrichelte Linie entspräche dem linear verlaufenden Temperaturanstieg ohne PCM). Hauptzweck dieser Messung ist es, den Verlauf der Schmelzwärme über der Temperatur (H(T)) zu bestimmen. Dazu werden die Messergebnisse diskretisiert. Das heißt, man summiert die benötigten Energiemengen auf, um eine Temperatursteigerung um beispielsweise 0.1K zu erreichen.

Das Ergebnis ist in Abbildung 6-26 dargestellt. Ein nicht zu vernachlässigender Teil der Schmelzwärme wird bereits unter 20°C frei. Ansonsten ist dieses Material bereits deutlich besser als die früheren Materialien.

Der unterschiedliche Verlauf der Kurven für Heizen und Kühlen scheint eine Unterkühlung des Materials zu sein, da das Maximum des Peaks etwa ein Grad auseinander liegt. Wie bereits oben besprochen, liegt aber immer ein Temperaturgefälle innerhalb der Probe vor, was einen Teil dieses Effektes erzeugt, je schneller sich die Temperatur verändert, umso stärker diese scheinbare Unterkühlung. Abbildung 6-27 verdeutlicht diesen bei ausgedehnten Proben systembedingten Effekt.


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Abbildung 6-26: Aus Abbildung 6-25 bestimmte Schmelzwärmefunktion H(T)

Da man nur die Oberflächentemperatur misst, ordnet man die Schmelzwärme einem falschen Temperaturbereich zu. Eine mögliche Kompensation dieses Effektes ist das Messen bei unterschiedlichen Heizleistungen und die Extrapolation auf die Heizleistung Null.

Abbildung 6-28 zeigt die Verschiebung des Peaks für 3 verschiedene Heizleistungen.

Abbildung 6-27: Schematische Darstellung des Temperaturverlaufs in der Probe beim

Aufheizen der Probe


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Abbildung 6-28: Verschiebung des Maximums durch Heizleistung

Man sieht, dass der Einfluss der Heizleistung nicht vernachlässigbar ist. Beim Abkühlen ist dies analog. Das bedeutet, dass von der scheinbaren Unterkühlung von 1.5K bei einer Heizleistung von 20°C nur noch ca. 0.25 K als wirkliche Materialeigenschaft übrig bleiben, was im Bereich der Messungenauigkeit liegt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Materialien sich innerhalb der Projektlaufzeit bedeutend verbessert haben, sie zeigen momentan keine kritisch erscheinende Unterkühlung mehr, die Schmelzwärme wurde ebenfalls deutlich erhöht.

Abbildung 6-29: Verschiebung beider Maxima

In Abbildung 6-30 ist nochmals eine Messung nach Methode 1 mit aktuellem 26 grädigem PCM dargestellt. Die Lage des Plateaus (Rote Linien) zeigt zwischen Aufheizen und Abkühlen lediglich einen Temperaturunterschied von


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0.9K bei einer Heizleistung von 10W. Bei geringeren Heizleistungen verringert sich dieser Unterschied weiter.

Abbildung 6-30: Messung nach Methode 1 mit aktuellem PCM-Material (2003)

6.3.2 3-Liter Haus Ludwigshafen

Bereits im 2001 war auf Wunsch von BASF ein Demovorhaben in Ludwigshafen mit PCM-Materialien ausgestattet worden, der so genannte Prototyp I. Es handelt sich dabei um ein sehr ehrgeiziges Renovationsvorhaben: Ein Mehrfamilienwohngebäude aus den Dreißiger Jahren soll durch den Einsatz modernster Technik auf nahezu Passivhausstandard gebracht werden. Angestrebt waren 30 KWh pro Quadratmeter und Jahr (“3-Liter-Haus”). Erreicht werden soll dies durch Dämmung mit dem neuen Isolationsmaterial Neopor von BASF, hochwertige Fenster sowie Wärmerückgewinnung in der Lüftung. Auch in diesem Falle wurden je eine Wohnung mit Maxit-Putz, DAW-Spachtelmasse und eine Referenzwohnung mit Sensorik versehen.

Ungünstig für die Anwendung der PCM-Materialien sind die schwere Bauweise des Gebäudes, die relativ geringen Fensterflächen (auch wenn diese beim Umbau erweitert wurden, wenig Ost- und keinerlei Südfenster) und die in einem Wohngebäude zu erwartenden geringen inneren Lasten. Erschwerend zum Vergleich der Räume kommt ihre unterschiedliche Lage im Gebäude und unbekannte Nutzung hinzu. Abbildung 6-32 zeigt den Verlauf dreier Wandtemperaturen im Mai 2001.


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Abbildung 6-31: 3-L Haus der LUWOGE in Ludwigshafen nach vollendeter

Renovierung

Abbildung 6-32: Verlauf der Wandtemperaturen im 3-Liter Haus im Sommer 2001

Als erstes fällt die geringe Amplitude der Temperaturschwankungen im Tag-Nacht-Wechsel auf (ca. 1K für Luft, ca. 0.5 K für Wandtemperaturen). Dies entspricht bereits einem sehr schweren Gebäude, so dass nur ein geringer Einfluss des PCMs zu erwarten ist. Bei einem derartigen Temperaturverlauf ist auch kein verlangsamen des Temperaturanstiegs mehr zu erwarten. Abbildung 6-32 sieht man an dem treppenförmigen Verlauf der Kurve, dass man in die Nähe des Auflösungsvermögens der Messwerterfassung kommt. Allerdings fällt auf, dass die Temperatur des Maxit-Raumes lange im Bereich der Schmelztemperatur (23°C – 26°C) verharrt, und dort weniger schwankt


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als über 26°C. Auch die Kurve des DAW-Raumes schwankt in diesem Bereich weniger als außerhalb und etwas weniger als der Referenzraum. Die Unterschiede sind aber gering und nicht zweifelsfrei auf die Wirkung des PCMs zurückzuführen, sondern können auch durch die unterschiedliche Lage und Nutzung der Wohnungen verursacht sein. Zwar ergab eine Überprüfung der ebenfalls mitgemessenen CO2-Werte, dass die Räume zumindest ähnlich bewohnt waren (z.B. kein Urlaub der Bewohner der Maxit-Wohnung), aber dies kann nur als Indiz gewertet werden.

Abbildung 6-33: Häufigkeitsverteilung der Temperaturen im Mai 2001

Betrachtet man Häufigkeitsverteilung der Temperaturen (Abbildung 6-33, die Y-Achse zeigt die Anzahl der Messwerte in dem gegebenen 0.25 K Temperaturintervall), zeigt sich im Maxit-Raum eine Häufung im Bereich der Schmelztemperatur von 25°C, beim DAW-Raum eine Häufung um 23°C – 24°C im Vergleich zum Referenzraum. Durch einen Fehler in der Lüftungsanlage waren die Wohnungen über weite Teile des Sommers ständig über der Schmelztemperatur, so dass hier kein Effekt des PCMs möglich ist. Abbildung 6-34 zeigt die Häufigkeitsverteilung im Sommer und Herbst, als wieder Temperaturen im Bereich der Schmelztemperatur erreicht wurden. Die Häufigkeitsverteilung für Mai 2002 ist in Abbildung 6-35 dargestellt. In allen Fällen finden sich Peaks bei 24 °C - 25 °C bei Maxit und 23 °C - 24 °C bei DAW, die sich in der Referenzwohnung nicht wieder finden. Dies könnte auf einen PCM-Effekt zweier unterschiedlicher Paraffine im Maxit- und DAW-Raum hinweisen. Insgesamt ist dieses Objekt aber aufgrund seiner massiven Bausubstanz als nicht geeignet für PCM-Materialen anzusehen.


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Abbildung 6-34: Häufigkeitsverteilung der Temperaturen August-September 2001

Abbildung 6-35: Häufigkeitsverteilung der Temperaturen im Mai 2002

6.3.3 Holzkirchen

Maxit hatte beim Fraunhofer IBP, Zweigstelle Holzkirchen, die Vermessung zweier Testräume beauftragt, um quantitative Aussagen zum thermischen Verhalten des PCM-Putzes vornehmen zu können. Da die Ergebnisse unter den Erwartungen blieben, wurde das ISE gebeten, in Zusammenarbeit mit dem IBP die Daten auszuwerten. Abbildung 6-36 zeigt den Temperaturverlauf zweier Wandtemperaturfühler in den beiden Testräumen des IBP.


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Abbildung 6-36: Wandtemperaturen der Räume in Holzkirchen

Auch im Bereich der Schmelztemperatur (24°C - 26°C) verläuft die Temperatur des Referenzputzes nahezu parallel zur Temperatur des PCM-Putzes. Auch in Anbetracht der Tatsache, dass es sich um recht schwere Räume in Massivbauweise handelt, war bei einem angegebenen PCM-Anteil von 10% nicht zu erwarten, einen derartig geringen Effekt des Phasenwechsels zu sehen. Auf Bitte des ISE wurden deshalb Proben des in Holzkirchen eingebrachten Wandmaterials dem ISE übergeben. Abbildung 6-37 zeigt das Ergebnis einer DSC-Messung an dem PCM-Putz.

Abbildung 6-37: DSC-Messung des PCM Putzes aus Holzkirchen

Die obere Kurve beschreibt das Abkühlverhalten des Putzes. Auffällig ist der 2. Peak bei ca. 13°C, der in der Schmelzkurve (untere Kurve) nicht zu sehen ist. Eine daraufhin in Merdingen eingeholte Probe des in Holzkirchen


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eingebrachten reinen Kapselpulvers zeigte dieses Abkühlverhalten nicht, der Peak ist also auf eine Wechselwirkung mit dem Gipsputz zurückzuführen. Gespräche mit BASF, die den 2. Peak in eigenen DSC-Messungen an dem Putz aus Holzkirchen bestätigen konnten, führten zu dem Verdacht, dass ein Teil der Kapseln im Putz möglicherweise defekt sei. Zur weiteren Überprüfung dieser These wurde der Einsatz des Rasterelektronenmikroskopes (REM) beschlossen. Insgesamt wurde in dem Putz aus Holzkirchen nur eine sehr geringe Latentwärme gemessen. Die höchste Schmelzwärme, die in einer der Proben gemessen wurde, lag bei knapp 8J/g über den gesamten gemessen Temperaturbereich (5°C - 35°C), in einigen Proben lag sie unter 5J/g. Da der Peak bei 13°C, der ca. 1/4 zur Gesamtschmelzwärme beiträgt und in den Messungen nie aktiviert wurde (Tiefsttemperatur nicht unter 20°C), ist die zur Verfügung stehende Schmelzwärme mit maximal 6J/g (in dem engen genutzten Temperaturband von 2-3K noch geringer, siehe Abbildung 6-36) abzuschätzen. In Verbindung mit dem massiven Mauerwerk als Untergrund (was zur ohnehin sehr geringen Amplitude der Raumtemperatur von max. 3K führt) erklärt dies die geringe Differenz zwischen den Temperaturen der beiden Räume.

Nachdem durch die DSC-Messungen der Verdacht nahe lag, ein nennenswerter Teil der Kapseln im Putz sei defekt, wurde nun Versucht, dies durch Rasterelektronenmikroskopaufnahmen zu verifizieren. Zu diesem Zweck wurden mehrere Proben des Gipsputzes aus Holzkirchen gespattert und im REM untersucht. Abbildung 6-38 zeigt eine vorbereitete Probe.

Abbildung 6-38: Für REM gespatterte Probe

Bei den Aufnahmen wurde festgestellt, dass in der Tat ein nennenswerter Anteil an Kapseln defekt war (siehe. z.B. Abbildung 6-39). In einigen Bereichen waren nach dem rein optischen Eindruck 20% - 30% der Kapseln defekt. Um nicht beim Schneiden der Probe beschädigte Kapseln fälschlicherweise zu werten, wurden die Aufnahmen in einer luftblasenartigen


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Vertiefung gemacht. Auch das reine Kapselpulver wurde dieser Prozedur unterzogen, um sicherzustellen, dass die Kapseln nicht durch das Präparieren (Spattern) beschädigt werden. In diesem Falle waren alle Kapseln intakt, das REM ist also eine zulässige Schadensfeststellungsmethode. Zum Vergleich mit anderen Materialien wurde aus einem Testbüro bei maxit eine mit Melaminharzkapseln hergestellte Gipsprobe und auch das reine Kapselpulver sowohl im REM als auch im DSC untersucht.

Abbildung 6-39: REM-Aufnahme Putz Holzkirchen

In diesem Falle fanden sich praktisch keinerlei defekte Kapseln bei den REM-Aufnahmen (Abbildung 6-40). Auch im DSC fanden sich keinerlei qualitative Unterschiede zwischen den Messungen am reinen Pulver und am fertigen Putz, die auf defekte Kapseln schließen ließen. (Abbildung 6-41 und Abbildung 6-42)


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Abbildung 6-40: REM-Aufnahme Putz Merdingen

Abbildung 6-41: DSC Melaminharzkapselpulver


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Abbildung 6-42: DSC Melaminharzkapseln in Putz

Allerdings zeigt hier schon das reine Kapselpulver beim Abkühlen zwei Peaks. Dennoch ist die Schmelzwärme dieser Kapseln mit ca. 165 J/g für den gesamten Bereich deutlich größer, auch wenn man nur den oberen Peak betrachtet (ca.120 J/g - 130 J/g). Allerdings liegt der Schmelzpunkt mit nahezu 28 C (Peak!) sehr hoch. Ebenso ist die Hysterese (Unterkühlung) größer als beim BASF-Material. Die inzwischen im ISE-Neubau eingebrachten Produkte von Maxit und DAW (Kapitel 6.3.4) wurden nach diesen Erfahrungen ebenfalls sowohl im DSC als auch im REM untersucht. Die PCM-Spachtelmasse von DAW wies praktisch keine defekten Kapseln auf, der Gipsputz von Maxit zeigte einige defekte Kapseln, aber deutlich weniger als im Putz aus Holzkirchen. Entsprechend zeigte sich in der DSC-Messung des ISE-Gipsputzes auch kein 2. Peak. Da die ISE-Räume zu diesem Zeitpunkt noch keine nennenswerte Anzahl an Schmelz- und Erstarrungszyklen durchlaufen hatten, war unklar, ob der Defekt der Kapseln durch den Abbindeprozess des Gipses (Unterschied zu DAW-Spachtelmasse) oder durch die Zyklenzahl (Unterschied zu Holzkirchen) zustande kommt. Des Weiteren war das Aufbringen des Putzes in Holzkirchen mit einer anderen Maschine als am ISE erfolgt. Inzwischen hatte BASF aber in Anbetracht der Fogging-Problematik neue, mit ca.20%-30% Wandanteil, deutlich stabilere Kapseln entwickelt.

In Rücksprache mit Maxit wurde daraufhin beschlossen, sowohl das alte als auch das neuere, stabilere Material von BASF in verschiedenen Stufen des Abbindeprozesses abzustoppen und danach im Klimaschrank zu zyklieren. Dies sollte für beide bisher verwendeten Maschinen (M3 und Monomix) erfolgen, um deren Einfluss festzustellen.

Tabelle 6-1 zeigt die möglichen Varianten:

Tabelle 6-1: Matrix der untersuchten Proben


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Des Weiteren wurde auch das neue Kapselpulver als reines Pulver untersucht. Mehrere der Untersuchungen fanden im Beisein von Herrn Hill (maxit) statt. Schon vor den Zyklentests ließen sich zwei Dinge feststellen:

• Beim Abbindeprozess werden einige Kapseln beschädigt. in den schon makroskopisch viel weicheren abgestoppten (A-Proben) Proben waren weniger Kapseln beschädigt als in den im Prisma (P-Proben) und am Stein (S-Proben) ausgehärteten Proben. Allerdings wurde auch in den S-Proben nicht annähernd der Zerstörungsgrad beobachtet wie in Holzkirchen.

• Das neuere, stabilere Material erweist sich gegenüber dem Abbindeprozess als deutlich resistenter, hier waren auch in den S-Proben kaum defekte Kapseln zu finden. Optisch sehen die Kapseln der neuen Herstellung allerdings bereits im reinen Pulver deutlich eingedellter aus, als das alte Material.

Ein Einfluss der Maschinen auf die Kapseln konnte nicht festgestellt werden. In den Proben, die mit Monomix bzw. M3 hergestellt waren, war der gleiche Anteil an Kapseln defekt, ein Unterschied in der Verteilung der Kapseln (Anzahl der noch zusammenhängenden Agglomerate) ist möglich, konnte aber nicht zweifelsfrei bestätigt werden.

In keiner der DSC-Messungen konnte ein 2. Peak wie in Holzkirchen festgestellt werden, was aber nach dem geringen Anteil defekter Kapseln aus den REM-Bildern auch nicht zu erwarten war. Erfreulicherweise bleibt festzuhalten, das die Schmelzwärme im neuen Material nicht, wie nach dem erhöhten Anteil an Wandmaterial zu erwarten gewesen wäre, geringer wurde, sondern durch die bessere Qualität des Wachses noch zugenommen hat. Beim neuen Material wurde am reinen Kapselpulver eine Schmelzwärme von max. 110 J/g gemessen.

Nach diesen Messungen wurden die Proben im Klimaschrank über mehrere Wochen einem Temperaturprofil von 1h bei 15°C und anschließend 1h bei 40°C unterzogen. Nach ca.500 Zyklen wurden die Messungen der obigen Matrix im REM und bei einigen ausgewählten Proben im DSC wiederholt. Im REM konnte keinerlei Zunahme der Schäden durch die Zyklierung festgestellt werden. Auch im DSC wurden keinerlei Anomalitäten gegenüber den ersten Messungen beobachtet.

Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass das neue Material von BASF eine Verbesserung sowohl bezüglich der Stabilität als auch der thermischen Eigenschaften darstellt. Nach 500 Zyklen konnte keinerlei Verschlechterung der Kapseln festgestellt werden. Eine schlüssige Erklärung des Ausmaßes des Schadens im Holzkirchen-Putz kann durch die bisherigen Messungen nicht gegeben werden. Auch wenn das neue Material der BASF stabiler ist, muss der Vorgang des Alterns im fertigen Wandmaterial weiter untersucht werden. Um den Prozess der Zyklierung zu Standardisieren und nicht auf teure Zeiten im Klimaschrank angewiesen zu sein wurde deshalb am ISE eine eigene Apparatur gebaut (Kapitel 6.3.6).


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6.3.4 ISE-Neubau

Kurz nach dem gemeinsamen Projekttreffen mit dem Leitprojekt „Innovative PCM-Technologie“ im Juni 2001 am ISE in Freiburg bezog das ISE seinen Neubau in der Heidenhofstraße. Wie bei dem Treffen besprochen wurden 2 der Büros mit PCM-Materialien ausgestattet und ein drittes als Referenzbüro mit der identischen Messtechnik versehen. Abbildung 6-43 zeigt einen Teil der verwendeten Sensorik (Temperaturfühler (PT100), die später mit eingeputzt wurden.

Abbildung 6-43: Ein Teil der Sensorik im ISE Neubau)

Das Einbringen des Gipsputzes durch Maxit ist in Abbildung 6-44 zu sehen. Es erfolgt in herkömmlicher Art und Weise. Auf der Baustelle ist kein Unterschied erkennbar. Der Referenzraum wurde ebenfalls von Maxit mit einer bis auf das PCM identischen Putzschicht versehen. Den Nutzern der Büros wurde bisher nicht mitgeteilt, welcher der Räume das PCM-Material enthält, um bei einem späteren Befragen objektive Ergebnisse zu erhalten. In allen 3 Räumen werden in regelmäßigen Abständen Proben entnommen und im DSC und REM untersucht.

In Abbildung 6-44 sieht man, dass nur ein Teil der Innenwände opak ist, ein großer Teil ist ein unter der Decke ringsum laufendes Lichtband von ca. 60 cm Höhe. Von der opaken Fläche ist inzwischen ein großer Teil durch Regale verstellt. Der Einfluss des PCMs auf die Raumtemperatur ist dadurch bedauerlicherweise limitiert. Durch Rücksprache mit den Nutzern konnte aber ein Freilassen der mit Sensorik ausgestatteten Flächen erreicht werden. Da der Bezug der Büros und die endgültige Inbetriebnahme der Messtechnik erst nach der Sommerperiode erfolgten, wurde der Sommerfall an einem Wochenende durch Heizlüfter simuliert. Abbildung 6-45 zeigt den (erzwungenen) Verlauf der Lufttemperatur in den 3 vermessenen Räumen.


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Abbildung 6-44: Einbringen des PCM-Putzes von Maxit)

Abbildung 6-45: Lufttemperaturen am Testwochenende

Der unterschiedliche Verlauf der Raumtemperaturen insbesondere am 2. Tag ist durch die Ungenauigkeit der Heizlüfterthermostate zu erklären. Dies macht einen direkten Vergleich (mit dem ohnehin sehr unterschiedlich möblierten Referenzraum) unmöglich.


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Abbildung 6-46: Wandtemperaturen Maxitraum 18.11

In Abbildung 6-46 sieht man den Verlauf der im Putz verlegten Fühler und einen im Betonkern der Decke eingebrachten Fühler. Bei der Schmelztemperatur (25°C - 26°C) sieht man bei den beiden auf der Leichtbauwand positionierten Fühler, beim Schmelzen wie beim Erstarren, den zu erwartenden Knick. Er ist allerdings zu gering um nennenswerten Einfluss auf das Raumklima zu nehmen. D.h. bei der momentan möglichen Schmelzwärme von ca. 100 J/g - 110 J/g ist ein Anteil von 10% in der Trockenmasse (gemessen wurden ca. 8 J/g – 9 J/g im Putz) als zu gering einzuschätzen.

Abbildung 6-47: Wandtemperaturen ISE Neubau 10.3.2002

Interessant ist weiter der Verlauf der Temperatur des Fühlers, der in der Putzschicht auf der Betondecke angebracht wurde. Bei ihm ist kein Knick in


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der Nähe der Schmelztemperatur erkennbar. Der Wärmeübergang zum Beton, der (bei 25 cm Dicke) ein nahezu unerschöpfliches Wärmereservoir darstellt, ist sehr gut. Da der Betonkern in einem 24 h Zyklus ohnehin nicht vollständig aktiviert werden kann, wird nahezu die gleiche Wärmemenge wie ohne den PCM-Putz gespeichert, es verringert sich nur die Eindringtiefe der Wärme in den Betonkern entsprechend. D.h. wenn ohnehin nicht ein Großteil der zur Verfügung stehenden Wärmekapazität in 24 h aktiviert werden kann, ist das Aufbringen eines PCM-Putzes als nicht sinnvoll anzusehen, wenn man nur die Lage der gespeicherten Wärme verschiebt. Anders stellt sich die Lage dar, wenn der PCM-Putz schlecht erreichbare Wärmespeicher durch gut erreichbare ersetzt, so zum Beispiel bei einer abgehängten Decke mit PCM vor einer Massivdecke. Dieser Effekt erklärt auch die Ergebnisse aus Holzkirchen (Kapitel 6.3.3), wo ebenfalls Massivbauwände vorhanden waren, und erhärtet die Simulationsergebnisse (Kapitel 6.1.3), die Leichtbau als vielversprechender aufzeigten. Insgesamt stellt die sehr unterschiedliche Nutzung und Möblierung der Räume ein großes Hindernis dar, belastbare Ergebnisse bezüglich der Differenz zwischen PCM- und Referenzraum zu bekommen.

Abbildung 6-48: Wandtemperaturen ISE Neubau Juni 2002

Abbildung 6-47 und Abbildung 6-48zeigen Messwerte aus dem normalen Betrieb der Räume im Jahr 2002. In Abbildung 6-47 erkennt man deutlich den durch das PCM verlangsamten Anstieg der Temperatur ab 12:00 Uhr, allerdings überwiegt in der Temperaturdifferenz zwischen den Räumen wahrscheinlich ist der Grund die unterschiedliche Nutzung. In Abbildung 6-48 sieht man deutlich die am Wochenende nicht arbeitende Nachtlüftung, in den Nächten am 14.6, 15.6 und 16.6 bleibt die Wand deutlich wärmer, so dass die Entladung des PCM nur noch unvollständig möglich ist. Trotzdem ist die Amplitude der Wandtemperatur im PCM-Material ca. 0.5 K geringer als im Referenzputz (Wochenende, keine Unterschiedliche Nutzung!). Dies unterstreicht das prinzipielle Funktionieren, aber auch den zu geringen Anteil an PCM.


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6.3.5 Fassadenteststand

Das Fraunhofer ISE betreibt in Freiburg einen Teststand für innovative Fassadenkonstruktionen (siehe Abbildung 6-49). Insgesamt stehen auf zwei Etagen acht Testkabinen zur Verfügung, deren Fassaden austauschbar sind. Die Fassadenseite des Teststandes weist genau nach Süden und ist in den Sommermonaten nahezu über den ganzen Tag unverschattet.

Innovative Elemente werden hier im Freilandtest charakterisiert. Die Innenausstattung der Kabinen, Lüftung und Heizung können beliebig variiert werden.

Abbildung 6-49: Fassadenteststand des Fraunhofer ISE - Blick auf die Südseite

6.3.5.1 Die Testzellen

Die Maße der Fassadenelemente sind in Abbildung 6-50 zu sehen. Die Tiefe der Kabinen beträgt 2,4 m (Innenmaß) und die Innenwände bestehen aus 14 cm staken PU-Stahl-Verbundelementen (13,8 cm PU-Isolierung zwischen zwei 1 mm Stahlblechen). Die Testkabinen stehen auf isolierenden Holzelementen im umgebenden Gebäude, so dass Wärmebrücken zwischen Kabine und Gebäude minimiert sind. Das Teststandgebäude wird auf mindestens 20°C temperiert, im Sommer jedoch nicht gekühlt. Eine Innenansicht des Testgebäudes ist in Abbildung 6-51 zu sehen. Die Luft im Gebäude wird zur Vermeidung größerer Temperaturschichtungen mittels zweier Gebläse umgewälzt.


72

Abbildung 6-50: Schnitt durch die Testkabinen mit Blick nach Norden

Abbildung 6-51: Fassadenteststand des Fraunhofer ISE – Innenansicht

Die Kabinen 1 und 5 wurden für die Quantifizierung der Auswirkung des PCM-Putzes auf das Raumklima ausgewählt (siehe Abbildung 6-50): Kabine 1 als Testkabine zur Ausstattung mit PCM Putz und Kabine 5 als Referenzkabine (identisch mit 1 jedoch mit Putz ohne PCM).


73

6.3.5.2 Die Fassade

Abbildung 6-52: Fassadenelement einer Kabine

Der opake Teil der Fassadenelemente wurde mit Mineralwolle (10 cm) gedämmt. Das jeweils 1,8 m x 0,8 m große Fenster besteht aus einer Einfachverglasung außen und einer Doppelverglasung innen.

Die Fassaden sind exakt nach Süden ausgerichtet. Mit einem Horizontoskop wurden Aufnahmen gemacht, um unterschiedliche Verschattung durch die Umgebung zwischen den zwei Kabinen festzustellen (Abbildung 6-53, Abbildung 6-54). Das Horizontoskop ist eine Halbkugel aus Glas, in der sich an diffusen Tagen, die Umgebung spiegelt. Unter die Halbkugel wird ein Diagramm mit den Sonnengängen für den Breitengrad, an dem man sich befindet, eingelegt. Mit dem Kompass wird dann das Horizontoskop genau nach Süden ausgerichtet, und mit der Libelle in der Mitte die horizontale Lage eingestellt. Blickt man genau senkrecht über der Mitte auf das Horizontoskop, kann direkt für jeden Tag und Uhrzeit abgelesen werden, ob an dieser Stelle die Sonne direkt einstrahlt oder durch welche Objekte in der Umgebung Verschattungen auftreten.

Beide Kabinen sind im Tagesverlauf weitestgehend unverschattet. Die Gebäude in der direkten Umgebung führen jedoch morgens und abends zu etwas kürzeren Einstrahlungszeiten in der unteren Kabine. Im Winter werden diese Unterschiede durch den tieferen Sonnenstand noch verstärkt.


74

Abbildung 6-53: Horizontoskopaufnahme der oberen Kabine in der Fensterebene

(Referenz)

Abbildung 6-54: Horizontoskopaufnahme der unteren Kabine in der Fensterebene

(PCM)

Smarttower

Nachbargebäude

Nachbargebäude

Smarttower

Bäume


75

6.3.5.3 Lüftung

Um die Auswirkung des PCM-Putzes im Vergleich zum Referenzputz auf das Raumklima der Testzellen zu untersuchen, war es notwendig die Kabinen variabel belüften zu können. Grund dafür ist, dass der Latentwärmespeicher des PCM-Putzes regelmäßig entladen werden muss, um durch das Beladen tagsüber unerwünschte Temperaturspitzen vermeiden zu können. Die geplante Versuchsreihe benötigt einstellbare Luftwechselraten von 1-2 Luftwechseln bis zu Nachtlüftungen mit über 4 Luftwechseln pro Stunde.

Die Fassaden der Kabinen wurden zu diesem Zweck jeweils oben und unten mit einem Lüftungsrohr versehen (10cm Durchmesser), so dass die Kabinen über das untere Rohr belüftet und über das obere Rohr entlüftet werden. In jedes der Rohre wurde ein 6 W Lüfter mit einer maximalen Leistung von etwa 80m³/h eingebaut. Um einen Luftströmungskurzschluss zu vermeiden und den erwünschten Luftwechsel für die gesamte Kabinenluft zu gewährleisten, wurde das Zuluftrohr bis zur Nordwand der Testzellen verlängert, wo die Luft über einen T-förmigen Auslass in die Kabine eingeblasen wird (Abbildung 6-55).

Abbildung 6-55: Lüftung in den Testzellen

Die Lüfter können über den PC in vier Stufen angesteuert werden. Die entsprechenden Luftwechselraten wurden mit einer Tracergasmessung ermittelt. Änderungen des Luftwechsels bei unterschiedlichen Randbedingungen wurden dabei nicht berücksichtigt.

Die Bestimmung der einstellbaren Luftwechselraten wurde mittels einer Tracergasmessung mit dem Auto Trac Messgerät des ISE durchgeführt.

Die Tracergasmessung beruht auf der Vermessung der Abnahme der Konzentration eines Tracergases in der Luft des Raumes, dessen Luftwechselrate bestimmt werden soll, mit der Zeit. Die


76

Konzentrationsabnahme mit der Zeit ist ein Maß für die jeweilige Luftwechselrate.

Das verwendete Tracergas war SF6. Es wurde von Anfangskonzentrationen des Gases in den Testzellen von empfohlenen 50 ppb ausgegangen. In Zeitabständen, die von der Luftwechselrate abhängen, wurden der Testzelle Gasproben entnommen. Bei einem geschätzten Luftwechsel von etwa 0,5 h-1 erfolgt die Probenentnahme alle 20 Minuten, bei Luftwechseln von 2-5 h-1 werden Proben im 10 Minutentakt entnommen, bei höheren Luftwechselraten z.B. im 5 Minutentakt. Die Vermessung der Konzentration des Tracergases in den Luftproben erfolgt mit einem Gaschromatographen (Spektralanalyse).

Das Tracergas wurde mit entsprechend geladenen Spritzen in die Testzellen eingebracht und vermischt. Die Probenentnahme erfolgte mit Spritzen über dünne Schläuche in Zeitabständen, die dem Luftwechsel angepasst waren. Proben wurden sowohl aus der Mitte der Testzelle als auch vom Rand entnommen, um sicher zu stellen, dass die Gasmischung in der Zelle ausreichend homogen ist und verlässliche Aussagen bezüglich der Luftwechselrate getroffen werden können. Die Schläuche wurden durch den bestehenden Kabelschacht in die Zellen eingeführt. Ein Öffnen der Türen zur Probenentnahme hätte wegen des kleinen Gesamtvolumens der Zellen (etwa 10m³) zu einer zu großen lokalen Störung geführt, und so zu einer Verfälschung der ermittelten Luftwechselrate.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Lüftungsstufe

Luftwechsel [AC/h]

ReferenzkabineKabine mit PCM

Abbildung 6-56: Durch Tracergasmessung ermittelte Luftwechselraten ohne

zusätzliche Lüftung und mit zusätzlicher Lüftung (Lüftungsstufe:1 – 4).

Abbildung 6-56 zeigt das Ergebnis der Messreihe: die Luftwechselraten für die Kabinen 1 (Testkabine) und 5 (Referenzkabine) für den Fall ohne zusätzliche Lüftung (Lüftungsstufe 0) und mit zusätzlicher Lüftung (Lüftungsstufen 1 bis 4).


77

Die ermittelten Luftwechselraten in den beiden Kabinen zeigen eine gute Übereinstimmung. Die maximale Abweichung entspricht der höchsten Lüftungsstufe (etwa 0,5 h-1 bei insgesamt 6 Luftwechseln).

Die Kabinen können also vom Standpunkt des einstellbaren Luftwechsels als nahezu identisch betrachtet werden. Der Luftwechsel beträgt ohne zusätzliche Lüftung etwa 0,3 h-1 und kann bis auf 6 Luftwechsel pro Stunde hochgefahren werden.

Die Vergleichbarkeit der Testzellen, wie auch der Bereich innerhalb dessen die Luftwechselrate einstellbar ist, ermöglicht den Vergleich des Raumklimas der beiden Zellen mit und ohne PCM-Putz für alle relevanten Lüftungsverhältnisse.

6.3.5.4 Regelbare Solargewinne

Um in den Zellen realitätsnahe Innenraumbedingungen zu schaffen, wurden beide Kabinen mit regelbaren Jalousien zur Verschattung der Fenster ausgestattet. Abbildung 6-57 zeigt die Kabinen mit zugefahrenen Jalousien.

Der g-Wert der Verglasung wird (für senkrechten Strahlungseinfall) durch Schließen der Jalousien von etwa 0,75 auf unter 0,05 reduziert.

Das Schließen der Jalousien wird über den Rechner des Fassadenteststandes gesteuert. Es erfolgt temperaturabhängig (zum Beispiel in Abhängigkeit von der Raumlufttemperatur in einer der Zellen) oder zeitabhängig.

Abbildung 6-57: Kabine mit geschlossener Jalousie


78

6.3.5.5 Messwerterfassung

Der Fassadenteststand verfügt über eine eigene Messwerterfassung. Alle Messdaten werden im 10 - Sekunden Takt aufgezeichnet und als Mittelwerte über eine Zeitspanne von in der Regel 2 - Minuten (einstellbar) gespeichert.

Unabhängig vom jeweiligen Experiment werden die Wetterdaten und die allgemeine Vermessung der Testkabinen kontinuierlich aufgezeichnet. Zusätzlich dazu werden für jedes Experimentes spezifische Größen vermessen.

Die allgemeine Messwerterfassung des Teststandes umfasst:

• Wetterdaten: Außenlufttemperatur, relative Feuchte, Windgeschwindigkeit, Globalstrahlung auf die Horizontale, Diffusstrahlung auf die Horizontale und Globalstrahlung auf eine nach Süden ausgerichtete Vertikale.

• Vermessung der Testkabinen: Raumlufttemperatur (3 Sensoren in unterschiedlicher Höhe), Globethermometer (Empfindungstemperatur), Oberflächentemperaturen (2 Sensoren auf dem Boden, 2 Sensoren an der Decke, jeweils 1 Sensor an den Wänden), verbrauchte elektrische Leistung und Energiemenge, Hallentemperatur (oben, unten, zwischen 2 Kabinen, zwischen einer Kabine und der Außenwand).


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6.3.5.6 Vermessung der PCM-Spachtelmasse von DAW (2003)

Die Vermessung der DAW Spachtelmasse erfolgte im Jahr 2002. Dazu mussten zunächst die Kabinen für den Einbau der Spachtelmasse vorbereitet werden.

6.3.5.6.1 Vorbereitung der Kabinen

Um den Putz mit PCM in der Testzelle und ohne PCM in der Referenzzelle auftragen zu können, musste ein geeigneter Untergrund geschaffen werden. Zu diesem Zweck wurde an den Stahloberflächen der Kabinen eine Holzverlattung angebracht (2,5 cm), darauf konnten Gipskartonplatten montiert werden. In den Hohlraum wurde Dämmstoff (Mineralwolle) eingebracht.

6.3.5.6.2 Visualisierung von Schwachstellen mittels IR-Thermographie

Für die Fassadenelemente der beiden Kabinen (Abbildung 6-52) wurden existierenden Konstruktionen umgebaut, um zwei identische Kabinen abzugeben. Um mögliche Schwachstellen (Wärmebrücken, Undichtigkeiten) der Kabinenkonstruktion, die zu Unterschieden zwischen Testzelle und Referenzzelle führen können, zu lokalisieren und zu beseitigen, wurde der kritische Fassadenbereich mittels Thermografie visualisiert. Für aussagekräftige Aufnahmen des Fassadenbereiches ist es von Vorteil einen hohen Temperaturgradienten zwischen Innen und Außen zu realisieren. Zu diesem Zweck wurden die Kabinen 2 Tage vor den Aufnahmen mit Heizlüftern auf etwa 35°C (Raumlufttemperatur) aufgeheizt. Eine beispielhafte Aufnahme des unteren Bereiches der Fassade von Kabine 5 ist in Abbildung 6-58 dargestellt.

Abbildung 6-58: Beispielhafte Thermografieaufnahme des unteren Fassadenbereiches

der Referenzkabine (Kabine 5) vor der zusätzlichen Abdichtung


80

Der Bereich des Anschlusses der Fassade an den Boden und die seitlichen Eckbereiche stellen Schwachstellen dar, die durch Abdichtung weitgehend eliminiert werden konnten, so dass zwei annähernd identische Kabinen für die vorgesehene Messreihe zur Verfügung standen.

6.3.5.6.3 Bestimmung des K-Wertes der Fassadenkonstruktion der Zellen und Vergleich der Speicherfähigkeit

Die Gleichheit der Testzelle und der Referenzzelle muss auch vom Standpunkt der Transmissionswärmeverluste und der sensiblen Speicherfähigkeit nachgewiesen werden.

Der k-Wert der Fassadenkonstruktionen der beiden Kabinen wurde mit Hilfe einer Dunkelmessung bestimmt. Dadurch werden solare Gewinne, die im Rahmen einer vereinfachten quasistationären Berechnung nur schwer quantifizierbar sind, ausgeschlossen.

Die beiden Fassaden wurden mit Holzkappen abgedeckt. Der Aufbau ist in Abbildung 6-59 dargestellt. Die Kappen wurden weiß gestrichen, um ein Aufwärmen durch die Sonnenstrahlung möglichst gering zu halten. Die Spalten zwischen Kappe und Fassadenteststand wurden mit Klebeband abgedichtet. In den Kappen messen jeweils 3 Temperatursensoren die Lufttemperatur, um auch eine Temperaturschichtung in vertikaler Richtung berücksichtigen zu können.

Zur Bestimmung des k-Wertes der Fassadenkonstruktionen wurden beide Kabinen mit Hilfe von 2 Heizlüftern über eine Zeitspanne von einer Woche auf eine konstante Temperatur von 35°C geheizt. Die Hallentemperatur (oben, unten und zwischen den Kabinen und der Hallenwand), die genauen Temperaturwerte innerhalb der Zellen, die Temperaturen innerhalb der Holzkappen und die verbrauchte elektrische Leistung wurden im 10-Sekundentakt erfasst und als 2-Minuten Mittelwerte ausgewertet.

Für die Kabinenwände waren die Materialdaten bekannt, die Dämmung und Gipskartonplatten, die zur Konstruktion des Untergrundes für die Einbringung des Putzes gehören, wurden im Labor vermessen. Für die Wärmeübergangskoeffizienten wurden Standardwerte angenommen: innen 8 W/m²K und außen 23 W/m²K.

Im Falle der insgesamt leichten Konstruktion der Testkabinen konnte für die energetische Bilanz über eine Zeitspanne von einer Woche, unter Einsatz des Gesamtenergieverbrauchs und mittlerer Temperaturwerte, stationär gerechnet werden.

Unter der Annahme einer Luftwechselrate von 0,3 h-1 (Fugenlüftung ohne zusätzliche Lüftung über Lüftungsvorrichtung – Kapitel 6.3.5.3) ergab sich ein k-Wert der Fassadenelemente (Fenster mit eingeschlossen) von 1,24 ± 0,1 W/m²K. Die Kabinen sind hiermit für die geplanten Messreihen ausreichend konstruktionsgleich.


81

Abbildung 6-59: Ansicht der Kabinen 1 und 5 mit Holzkappen vor der Fassade –

Ausstattung im Falle der Dunkelmessungen

Dynamische Messungen von Oberflächentemperaturen der Testzellen während einer Aufheizphase und die zur Temperaturvariation benötigte Energiemenge haben einen näherungsweisen Vergleich der Speicherfähigkeit der Testzellen, vor dem Einbringen des Putzes, erlaubt. Das Ergebnis war, dass die Zellen, im Rahmen einer Ungenauigkeit von bis zu 6% dieselbe Speicherkapazität aufweisen. Letztere Berechnungen sind nur eine grobe Schätzung des komplexen dynamischen Verhaltens der Zellen in einer thermisch inhomogenen Umgebung.

6.3.5.6.4 Ausstattungen der Testkabine mit Spachtelmassen

In Kabine 5 wurde die PCM Spachtelmasse als 6 mm dicke Schicht eingebracht, entsprechend wurde in Kabine 1 der Referenzputz ohne Latentspeicherzusatz aufgetragen. Der erste Schritt war die Vorbereitung des Untergrundes (Gipskartonplatten) mit einer quarzsandhaltigen Grundierung, um die Haftung der Spachtelmassen auf den Gipskartonplatten zu gewährleisten. Die PCM Spachtelmasse wurde an 3 zusätzlichen Arbeitstagen schichtweise eingebracht (die letzte Schicht mit Brandschutz), da keine Erfahrungswerte bezüglich zu erwartender Trocknungszeiten vorlagen und verhindert werden sollte, dass sich Risse bilden. Außer den mit Gipskartonplatten belegten Flächen wurde auch die opake Fassadenfläche unter dem Fenster mit PCM-Spachtelmasse versehen. Nach den insgesamt 4 Arbeitsschritten wurde die Spachtelmasse 6 Stunden trocknen gelassen und anschließend geglättet.

Es wurden insgesamt 5-6 kg Spachtelmasse pro Quadratmeter aufgetragen. Die gesamte Fläche der Kabinen, auf die Putz aufgetragen wurde, beträgt etwa 20 m² pro Kabine. Es wurde speziell darauf geachtet, dass in beide Kabinen dieselbe Masse Putz eingebracht wird. Der Unterschied der


82

Temperaturwerte soll nur durch die Latentspeicherfähigkeit der PCM-Spachtelmasse gegeben sein.

Ein Ausschnitt der fertig gestellten Kabine mit PCM–Spachtelmasse ist in Abbildung 6-60 dargestellt. Trotz sehr sorgfältigem Auftragen der Schichten bildeten sich nachträglich doch Risse. Eine Nahaufnahme der PCM-Spachtelmasse ist in Abbildung 6-61 zu sehen.

Abbildung 6-60: Ausschnitt der fertig gestellten Testzelle mit PCM-Spachtelmasse

Abbildung 6-61: Rissbildung in der PCM-Spachtelmasse


83

6.3.5.6.5 Messwerterfassung

Zusätzlich zu der allgemeinen in Kap. 6.3.5.5 dargestellten Messtechnik, die zur Ausstattung des Fassadenteststandes gehört, erfassen gezielt eingebaute Sensoren Messdaten, die speziell für den Vergleich des Raumklimas der Testzelle mit PCM im Vergleich zur Referenzzelle von Bedeutung sind.

Temperatursensoren vermessen die Putztemperatur in beiden Zellen und zwar:

• An der Westwand erfassen jeweils 3 Sensoren in 3 unterschiedlichen Tiefen (Oberfläche, Mitte und Unterseite) die Putztemperatur in zwei unterschiedlichen Höhen: unten (etwa 50 cm über dem Boden) und oben (etwa 170 cm über dem Boden).

• Zusätzlich wird an der Westwand die Temperatur hinter der Gipskartonplatte und an der Außenwand der Kabine vermessen.

• An der Nordwand erfassen 3 Sensoren die Putztemperatur in 3 unterschiedlichen Tiefen (Oberfläche, Mitte und Unterseite) in einer Höhe von etwa 170 cm über dem Boden. In einer Höhe von etwa 50 cm über dem Boden wird die Temperatur der Putzmitte vermessen.

• An zwei Positionen an der Decke (Norden und Süden) werden die Putztemperaturen ebenfalls in 3 Tiefen (Putzoberfläche, Putzmitte und Putzunterseite) erfasst.

Alle Temperatursensoren entsprechen der DIN-Klasse 1/3B und sind in 4-Leiter-Messtechnik ausgeführt. Die Sensoren, die in den Putz eingebracht wurden, sind ohne Metallschutzmantel nur durch einen Schrumpfschlauch vor Feuchtigkeit geschützt. So beeinflussen sie ihre Umgebung im Putz thermisch nur geringfügig.

Zwei Wärmeflussplatten wurden an der Westwand oben (170 cm über dem Boden) und an der Decke (Norden) in die Putzoberfläche eingebettet.

Die experimentspezifischen Sensoren wurden an die Messwerterfassung des Fassadenteststandes angeschlossen. Die Erfassung der Daten erfolgt im 10-Sekunden Takt, abgelegt wurden 2- oder 5-Minuten Mittelwerte.

Die Software des Messstandes ermöglicht eine Visualisierung aktueller Messwerte, am lokalen PC oder am ISE über das Intranet.

6.3.5.6.6 Messergebnisse für unterschiedliche Randbedingungen

Am 14.06.2002 begann die Vermessung der Testzelle mit PCM-Spachtelmasse im Vergleich zur Referenzzelle. Raumlufttemperaturen, Wandtemperaturen und Temperaturen im Putz wurden für die beiden Zellen im Falle unterschiedlicher Randbedingungen verglichen. Zeitspannen mit hoher Nachtlüftung, geregelter Verschattung der Fenster, variablen inneren Lasten und Möblierung wurden gezielt ausgewertet.

Die Spachtelmasse für die Testzelle wurde zuerst im Labor charakterisiert: Zur Vermessung im DSC wurden parallel zum Einbau in die Testzellen 3 Testplatten (15 x 25cm) hergestellt, die auch für die Zyklierungstest verwendet werden sollten (vgl. Kap 6.3.6). Die Ergebnisse sind in Tabelle 6-2 dargestellt:


84

DAW Spachtelmasse Probe 1 Probe 2 Probe 3

Enthalpie [J/g] schmelzen 37,92 37,71 37,70

Enthalpie [J/g] erstarren 40,65 40,92 39,69

Tabelle 6-2: Latente Wärmespeicherfähigkeit der DAW Spachtelmasse

Die trockene PCM-Spachtelmasse hat somit eine latente Speicherkapazität von etwa 38 J/g. Wie in Kapitel 6.2.2 beschrieben weist reines mikroverkapseltes PCM eine Speicherfähigkeit von 100 J/g auf. Im trockenen Spachtel beträgt der PCM Anteil demnach etwa 38% (Masse).

Zusätzlich wurden die Proben unter dem Rasterelektronenmikroskop des ISE untersucht, da defekte Kapseln im DSC nicht festgestellt werden können. Eine REM-Aufnahme einer Probe der PCM-Spachtelmasse ist in Abbildung 6-62 dargestellt.

Abbildung 6-62: REM Aufnahme der DAW Spachtelmasse

Die anteilsmäßig große Anzahl der PCM-Kapseln ist in der Abbildung deutlich zu sehen. Nur wenige Kapseln sind defekt, also aufgebrochen, so dass Paraffin aus der Ummantelung austreten kann.


85

Freies Schwingen der Temperatur

Während der Zeitspanne vom 14.06. bis zum 21.06.2002 wurde in beiden Kabinen die Lüftung mit maximaler Leistung betrieben. Die Luftwechselrate betrug also in beiden Kabinen zwischen 5 und 6 Luftwechsel pro Stunde. Die Fenster waren unverschattet.

Der Vergleich der Wandtemperaturen in der Kabine mit PCM und ohne PCM ist in Abbildung 6-63 dargestellt.

Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, liegen die Wandtemperaturen in der Testzelle mit PCM bis zu 2 Grad unter den Wandtemperaturen in der Referenzzelle. Die Lufttemperaturen in der PCM-Testzelle lagen während derselben Zeitspanne etwa 1,5 Grad unter denen in der Referenzzelle.

Da die Räume in dieser Zeitspanne unverschattet und die Nächte sehr warm waren, konnte der Latentspeicher während der ersten 3 Nächte jeweils nur zu einem geringen Anteil entladen werden. Nach 4 Tagen war der Speicher dann voll und die Wandtemperatur blieb nachts über 26°C. Der PCM-Effekt kam nicht mehr zum Tragen. Entsprechend verlaufen die Wandtemperaturen am 5. und 6. Tag in beiden Zellen auch praktisch identisch, was ein Beweis dafür ist, dass, vom PCM Effekt abgesehen, die Zellen identisch sind. Eine Verschattung der Zellen ist jedoch dringend erforderlich, um die eingebrachten thermischen Lasten zu begrenzen.

Zeit

22

24

26

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38

14/0600:00

15/0600:00

16/0600:00

17/0600:00

18/0600:00

19/0600:00

20/0600:00

21/0600:00

Tem

per

atu

r [°

C]

T_Wand_REFT_Wand_PCM

Abbildung 6-63: Vergleich der Wandtemperaturen in der Kabine mit PCM im

Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 14.06.2002 bis 21.06.2002

Nachtlüftung

In der Zeitspanne vom 24.07 bis 31.07.2002 war noch keine geregelte Verschattung der Fenster der Testzellen möglich. Die Lüftung wird nur nachts zwischen 22 und 8 Uhr mit maximaler Leistung betrieben. Tagsüber wird nicht aktiv gelüftet. Die Fugenlüftung beträgt etwa 0,3 Luftwechsel pro Stunde.

Der Vergleich der Wandtemperaturen und der Raumlufttemperaturen ist für die Zeitspanne vom 24.07 bis zum 31.07.2002 in Abbildung 6-64 dargestellt.


86

Am 27.07.2002 wird, nach einer Nacht in der die Lufttemperatur auf 21°C abkühlt, tagsüber ein Temperaturunterschied von etwa 4°C zwischen den Wandtemperaturen in der Zelle mit PCM und der Referenzzelle erzielt. An demselben Tag beträgt der Temperaturunterschied der Lufttemperaturen beider Zellen über 3°C. Wegen der auch im diesem Fall fehlenden Verschattung der Fenster und der warmen Nächte wird der PCM-Speicher während der nächsten Nächte immer weniger entladen, der Temperaturunterschied zwischen der Zelle mit PCM und der Referenzzelle wird tagsüber immer kleiner, bis er am 30.07. praktisch null ist.

a.)

T_Wand_REFT_Wand_PCM

18

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24/0700:00

25/0700:00

26/0700:00

27/0700:00

28/0700:00

29/0700:00

30/0700:00

31/0700:00

Tem

pera

tur [

°C]

Zeit

Vergleich Wandtemperaturen

b.)

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

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38

24/0700:00

25/0700:00

26/0700:00

27/0700:00

28/0700:00

29/0700:00

30/0700:00

31/0700:00

Tag im Jahr

Lufttemperatur [°C] 24.07. bis 31.07.2002


Abbildung 6-64: Vergleich der a.) Wandtemperaturen und b.) Raumlufttemperaturen

in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 24.07.02 bis 31.07.2002


87

Abbildung 6-65 zeigt für drei der Tage der berücksichtigten Messreihe den Vergleich der Lufttemperaturen in den beiden Testzellen und den Verlauf der Temperaturen in der Putzschicht mit PCM-Zusatz: „Schicht_1“ bezeichnet den Sensor an der Putzoberfläche, „Schicht_2“ den Sensor in der Putzmitte und „Schicht_3“ den Sensor an der Putzunterseite.

Aufgrund der dünnen Putzschicht sind die Temperaturverläufe der drei Messstellen, an der Putzoberfläche, in der Putzmitte und an der Putzunterseite, sehr ähnlich. Das PCM führt zu einem zeitlichen Versatz des Temperaturmaximums im Vergleich zum Referenzraum. Dort wo es möglich ist wird der Speicher, nachdem er nachts entladen wurde, tagsüber über die gesamte Dicke der Spachtelmasse, geladen. Es ergeben sich Unterschiede im täglichen Maximum der Lufttemperatur von über 3 Grad, bezogen auf den Referenzraum.

20

22

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26

28

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27/0700:00

27/0712:00

28/0700:00

28/0712:00

29/0700:00

29/0712:00

30/0700:00

Tem

pera

tur

[°C

]

Zeit

Luft_RefLuft_PCMSchicht_1Schicht_2Schicht_3

Abbildung 6-65: Vergleich der Lufttemperaturen in der PCM-Zelle und der

Referenzzelle und Verlauf der Temperaturen in der Putzschicht mit PCM Zusatz (Schicht_1- Sensor an der Putzoberfläche, Schicht_2 - Sensor in der Putzmitte,

Schicht_3 - Sensor an der Putzunterseite

Geregelte Verschattung der Fenster

Während der Zeitspanne vom 14.08.2002 bis zum 03.09.2002 wurden die Fassaden der Testzellen tagsüber (zwischen 8:00 und 19:00 Uhr) verschattet, wenn die Lufttemperatur in der Referenzzelle (mittlerer Sensor) 27°C erreichte. Sank die Temperatur unter 26,5°C wurden die Jalousien hochgefahren, spätestens aber abends um 19 Uhr. Die Nachtlüftung wurde weiter beibehalten.

Abbildung 6-66 zeigt die Lufttemperaturen in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine für die Zeitspanne 24.08. bis 31.08.2002. Die grün umrandeten Balken markieren die Zeit mit geschlossenem Rollo. Die Regelung bewirkt insgesamt niedrigere Raumlufttemperaturen. Im Gegensatz zu den in Abbildung 6-63 und Abbildung 6-64 dargestellten Zeitspannen, bleibt im Falle des Zeitraums vom 24.08 bis 31.08, mit geregelter


88

Verschattung der Fenster, die Raumlufttemperatur in beiden Räumen unter 28°C, trotz hoher Außenlufttemperaturen auch während dieser Zeit. Das PCM bewirkt eine Absenkung der Raumlufttemperaturen im Vergleich zum Referenzraum von bis zu 2°C.

16

18

20

22

24

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24/0800:00

25/0800:00

26/0800:00

27/0800:00

28/0800:00

29/0800:00

30/0800:00

31/0800:00

Tag im Jahr

Lufttemperatur, Regelung [°C] 24.08. bis 31.08.2002

Temp. ReferenzkabineTemp. Kab. mit PCM

Rollo zu

Abbildung 6-66: Vergleich der Lufttemperaturen in der Kabine mit PCM im Vergleich

zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 24.08.02 bis 31.08.2002

In Abbildung 6-67 ist die Anzahl von Stunden dargestellt, während der die Raumlufttemperatur in der Zeitspanne vom 14.08. bis 03.09.2002 in beiden Zellen einen bestimmten Wert überschreitet. Im Referenzraum liegt die Raumlufttemperatur z.B. während 50 Stunden über 28°C, während im Raum, der mit PCM ausgestattet ist, die Temperatur nur während 5 Stunden Werte über 28° C angenommen hat.

In Abbildung 6-68 ist die Häufigkeitsverteilung der Wandtemperaturen in den beiden Testzellen für dieselbe Zeitspanne im Vergleich dargestellt. Die Abbildung zeigt, dass die hohen Temperaturen (über 27°C) häufiger in der Referenzzelle auftreten im Vergleich zur Testzelle mit PCM.


89

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

18 20 22 24 26 28 30 32

Übe

rsch

reitu

ngsd

auer

[h]

Temperatur [°C]

Verteilung Lufttemperaturen

REF_Luft

PCM_Luft

Abbildung 6-67: Kumulative Häufigkeitsverteilung der Raumlufttemperaturen in der

Testzelle mit PCM im Vergleich zur Referenzzelle, während der Zeitspanne 14.08.2002 bis 03.09.2002 bei geregelter Verschattung der Fenster

0

5

15 20 25 30 35Temperatur [°C]

Statistik 14.08.2002 - 03.09.2002 Wand West

REF

10

15

20

25

30

35

40

Stu

nden

[h]

PCM

Abbildung 6-68: Häufigkeitsverteilung der Wandtemperaturen in der Testzelle mit

PCM im Vergleich zur Referenzzelle, während der Zeitspanne 14.08.2002 bis 03.09.2002 bei geregelter Verschattung der Fenster

In der Zeitspanne vom 20.03.2003 bis zum 27.03.2003 wurden unterschiedliche Regelungsstrategien für die Rollos getestet. Ab dem 24.03 (während des Tages) erfolgte das Öffnen und Schließen der Rollos in Abhängigkeit von der Lufttemperatur in der PCM Zelle (mittlerer Sensor): überschritt diese 28°C wurden die Rollos geschlossen, sank sie unter 27,5°C wurden die Rollos geöffnet. Spätestens um 19 Uhr wurden die Rollos jeden Abend geschlossen.

Abbildung 6-69 zeigt den Vergleich der Wandtemperaturen und der Raumlufttemperaturen in der mit PCM ausgestatteten Kabine im Vergleich zur


90

Referenzkabine für Zeitspanne vom 20.03.2003 bis zum 27.03.2003. Der Unterschied der Wandtemperaturen beträgt zwischen 3°C und über 4°C. Der Unterschied der Raumlufttemperaturen beträgt zwischen 2°C und nahezu 4°C. Die passive Kühlung durch den PCM Putz ist also sehr effektiv.

a.)

14

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22

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Tag im Jahr

Wandtemperatur [°C] 20.03. bis 28.03.2003


b.)

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27/0300:00

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Tag im Jahr

Lufttemperatur [°C] 20.03. bis 28.03.2003


Abbildung 6-69: Vergleich der Wandtemperaturen (19a.) und Lufttemperaturen (19b.)

in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 20.03.2002 bis 27.03.2003


91

Einfluss der Möblierung

1.) Einfluß von Massivmöbeln:

Der Einfluss von Möbeln, speziell Massivmöbeln, aufgestellt vor den mit Latentwärmespeicher ausgestatteten Wänden, wurde während der Zeitspanne vom 23.11.2002 bis 22.12.2002 untersucht. In der Kabine mit PCM und in der Referenzkabine wurden je zwei identische Schränke aufgestellt. Einer davon ist in Abbildung 6-70 zu sehen. Um trotz der kalten Jahreszeit hohe Raumlufttemperaturen zu erzielen und das PCM zu aktivieren, wurden in den Kabinen tagsüber (zwischen 8 und 18 Uhr) 5 x 60W Lampen aufgestellt. Diese simulieren hohe interne Lasten. Die Rollos vor den Fassaden waren durchgehend geschlossen, die Nachtlüftung ausgeschaltet.

Abbildung 6-70: Messzelle mit massivem Schrank

18% der aktiven Flächen wurden mit Möbeln verstellt. Nur auf die Wandfläche bezogen waren es 24%.

In Abbildung 6-71 ist der Vergleich der Wandtemperaturen in der Kabine mit PCM und der Kabine ohne PCM dargestellt, und zwar für den Fall einer mit Schränken verstellten Wand (W-Wand) und für eine frei stehende Wand (N-Wand).

Das Aufheizen der Flächen hinter der Möblierung findet zeitversetzt statt, die Maxima liegen bis zu 3 Grad unter den Maxima der Wandtemperaturen bei unverstellten Flächen. Die wichtigste Wärmequelle sind die aufgestellten Lampen. Die Wandflächen hinter massiven Möbeln und einen schmalen Luftspalt (etwa 1 cm) können von den Lampen und warmen Wandflächen nicht radiativ aufgeheizt werden. Der Schrank wirkt wie eine Dämmung, die die Wand von dem warmen Innenraum trennt. Es kommt zu einem Zeitversatz und entsprechend abgeschwächtem Temperaturmaximum der Wand hinter dem Schrank. Die höheren Temperaturen der Oberflächen der Schränke (kein Latentspeichereffekt) führen zu höheren Raumlufttemperaturen.


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Tag im Jahr

Wandtemp. N und W [°C] Möblierung: 23.11. bis 29.11.2002

Referenzkabine N. o. MoebelKabine mit PCM N. o. MoebelReferenzkabine W. m. MoebelKabine mit PCM W. m. Moebel

Abbildung 6-71: Vergleich der Wandtemperaturen in der PCM-Kabine im Vergleich

zur Referenzkabine, ohne Möblierung davor (N Wand) und mit Möblierung (W Wand)

Die durch das PCM bedingte Absenkung der Wandtemperaturen kommt auch im Falle der niedrigeren Wandtemperaturen hinter den Schränken zum Tragen. Auch hier liegt die Wandtemperatur im Falle mit PCM bis zu 4°C unter der Wandtemperatur im Referenzfall (am 28.11.). Berücksichtigt man die Temperaturabhängigkeit der Schmelzenthalpie (Abbildung 10) so ist ersichtlich, dass in beiden Fällen, sowohl im Falle der Wände hinter den Schränken als auch der frei stehenden Wände, das PCM nachts nicht vollständig entladen wird. Im Falle der frei stehenden Wände wird der zur Verfügung stehende Latentspeicher tagsüber vollständig geladen, im Falle der Wände hinter den Schränken nicht. Durch die dämmende Wirkung der Schränke bewirkt letztere Absenkung der Wandtemperaturen hinter den Schränken von etwa 28 °C auf etwa 25°C jedoch nicht, dass Spitzenwerte der Raumlufttemperatur (bis 29°C) vermieden werden. Die Funktion des PCM zur Vermeidung der Spitzenwerte der Raumlufttemperaturen kommt in diesem Fall nicht voll zum Tragen.

Abbildung 6-72 zeigt den Vergleich der Raumlufttemperaturen in der PCM-Kabine im Vergleich zur Referenzkabine. Im Falle der mit Schränken verstellten Wände erreicht die Raumlufttemperatur in der Kabine mit PCM noch nahezu 29°C, eine Absenkung von bis zu 3°C im Vergleich zu den Raumlufttemperaturen in der Referenzkabine ist trotzdem gegeben (Maximalwert in der Referenzkabine 32°C).


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30/1100:00

Tag im Jahr

Lufttemperatur [°C] Möblierung: 23.11. bis 29.11.2002


Abbildung 6-72: Vergleich der Raumlufttemperaturen in der PCM-Kabine im Vergleich

zur Referenzkabine für die Zeitspanne 23.11. bis 29.11.2003 (mit Möblierung)

Schlussfolgerung ist also, dass das großflächige Verstellen von Wandflächen, die PCM zur Vermeidung überhöhter Raumlufttemperaturen beinhalten, mit massiven Möbelstücken möglichst vermieden werden sollte. Andererseits sollten frei stehende Flächen (z.B. die Decke) prioritär genutzt werden.

2.) Einfluß offener Möblierung (z.B. Regale ohne Rückwand):

In der Zeitspanne vom 04.03. bis zum 11.03.2003 wurden in beide Kabinen jeweils zwei Regale mit üblichen Büroordnern gestellt. Ein Regal ist in Abbildung 6-73 dargestellt. Der Abstand der Regale zur Wand beträgt konstruktiv bedingt etwa 5 cm. Um möglichst ähnliche Randbedingungen zu schaffen wie im Falle der Möblierung mit Schränken wurden auch in diesem Fall in den Kabinen tagsüber (zwischen 8 und 18 Uhr) 5 x 60W Lampen aufgestellt. Die Rollos vor den Fassaden waren durchgehend geschlossen, die Nachtlüftung ausgeschaltet.


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Abbildung 6-73: Testzelle mit offenem Regal

Ähnlich wie im Falle der Massivmöbel sind in Abbildung 6-74 die Wandtemperaturen einer mit Regalen verstellten Wand (W-Wand) in der Kabine mit PCM und in der Referenzkabine dargestellt, im Vergleich zu den Wandtemperaturen einer frei stehenden Wand (N-Wand) in beiden Zellen.

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Tag im Jahr

Wandtemperatur [°C]Möblierung: 04.03 bis 11.03.2003

Referenzkabine N.o.MoebelKabine mit PCM N.o.Moebel

Referenzkabine W m. MoebelKabine mit PCM W m. Moebel

Abbildung 6-74: Vergleich der Wandtemperaturen in der PCM-Kabine im Vergleich

zur Referenzkabine, ohne Regale davor (N Wand) und mit Regalen (W Wand)


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Im Gegensatz zu dem Fall massiver Schränke ist im Fall von Regalen kein signifikanter Unterschied zwischen den Wandtemperaturen hinter den Regalen und an der Oberfläche frei stehender Flächen festzustellen.

Im Falle der Regale sind die verstellten Flächen (mit Ordnern davor) jeweils durch unverstellte Teile unterbrochen. Die Wand kann also teilweise radiativ durch die Lampen und andere warme Flächen aufgeheizt werden (abgesehen von dem Strahlungsaustausch mit der relativ kalten Rückseite des Regals). Auch war der Luftspalt hinter dem Regal größer als im Fall der Schränke, was zu einem höheren konvektiven Wärmeaustausch führt. Berücksichtigt man auch die gute Wärmeleitung des Putzes, ergibt sich so eine Wandtemperatur, die sich von der Temperatur der unverstellten Flächen kaum unterscheidet.

Die Schlussfolgerung ist, dass im Gegensatz zu Massivmöbeln, sich das Aufstellen „unterbrochener“ Möbelstücke vor Wände mit PCM voraussichtlich kaum auf die erwünschte Absenkung der Raumlufttemperatur auswirkt.


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6.3.5.7 Vermessung Maxit Gipsputze (2003)

Die PCM-Gipsputze von Maxit wurden 2003 am Fassadenteststand vermessen.

6.3.5.7.1 Vorbereitung der Messräume

Für den Einbau der Putze in die Test- und Referenzzelle, musste ein geeigneter Untergrund geschaffen werden. Zu diesem Zweck wurde an den Ost- und Westwänden eine Metallständerkonstruktion aufgebaut (5 cm), die Nord-, Süd- und Deckenwände wurden mit einer Holzlattung versehen (2,5 cm). Darauf konnten Gipskartonplatten montiert werden. In die Hohlräume wurde Dämmstoff (Mineralwolle) eingebracht.

6.3.5.7.2 Visualisierung von Schwachstellen mittels IR-Thermographie

Nach dem Umbau der Kabinen wurden wieder Thermographieaufnahmen gemacht, um Schwachstellen (Wärmebrücken, Undichtigkeiten) feststellen zu können. Die typischen Schwachstellen wie die Ecken konnten dadurch größtenteils verhindert werden. Die Vorgehensweise war dabei dieselbe, wie sie bereits in Kapitel 6.3.5.6.2 beschrieben wurde.

6.3.5.7.3 Bestimmung des K-Wertes der Fassadenkonstruktionen der Zellen und Vergleich der Speicherfähigkeit

Nach den Umbauarbeiten wurden Untersuchungen bezüglich der thermischen Gleichheit von Testzelle und Referenzzelle und der K-Werte der Fassadenelemente durchgeführt. Die K-Werte der Fassadenelemente wurden mit einer Dunkelmessung bestimmt. Die Vorgehensweise ist dabei dieselbe, wie sie bereits in Kapitel 6.3.5.6.3 beschrieben wurde.

Beide Kabinen wurden mit Hilfe von 2 Heizlüftern über eine Zeitspanne von 4 Tagen auf eine konstante Temperatur von 35°C geheizt. Die Hallentemperatur (oben, unten und zwischen den Kabinen und der Hallenwand), die genauen Temperaturwerte innerhalb der Zellen, die Temperaturen innerhalb der Holzkappen und die verbrauchte elektrische Leistung wurden im 10-Sekundentakt erfasst und als 2-Minuten Mittelwerte ausgewertet.

Für die Kabinenwände, Dämmung und Gipskartonplatten sind die Materialdaten bekannt. Als Wärmeübergangskoeffizienten wurden Standardwerte angenommen: innen 8 W/m2K und außen 23 W/m2K. Unter der Annahme einer Luftwechselrate von 0,3 h-1 (Fugenlüftung ohne zusätzliche Lüftung über Lüftungsvorrichtung – siehe Kap. 6.3.5.3) ergab sich ein k-Wert der Fassadenelemente (Fenster mit eingeschlossen) beider Kabinen von 1,14 ± 0,1 W/m2K. Die Kabinen sind hiermit für die geplanten Messreihen ausreichend konstruktionsgleich.


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Dynamische Messungen von Oberflächentemperaturen der Testzellen während einer Aufheizphase und die zur Temperaturvariation benötigte Energiemenge haben einen näherungsweisen Vergleich der Speicherfähigkeit der Testzellen, vor dem Einbringen des Putzes, erlaubt. Das Ergebnis war, dass die Zellen, im Rahmen einer Ungenauigkeit von bis zu 3% dieselbe Speicherkapazität aufweisen. Letztere Berechnungen sind nur eine grobe Schätzung des komplexen dynamischen Verhaltens der Zellen in einer thermisch inhomogenen Umgebung.

Da in die Testzellen zunächst ein PCM-Putz mit zu niedrigem PCM-Anteil eingebaut wurde, wurde ein erneuter Umbau der Zellen notwendig, bei dem das falsche Material wieder ausgebaut, und die Testzellen wieder neu vorbereitet werden mussten. Die knappe Zeit ließ es nicht zu nochmals den k-Wert der Fassadenelemente exakt zu bestimmen. Um jedoch einen Anhaltspunkt auf mögliche Veränderungen während der Umbauarbeiten zu erhalten (Der Bereich unter und oberhalb des Fensters wurde innen komplett neu gestaltet), wurde der k-Wert in mehreren Kurzmessungen bestimmt. Dazu wurden die Jalousien geschlossen und die Lüftung abgeklebt. Anschließend wurden die Kabinen mit Heizlüftern auf 40°C aufgeheizt und die hierfür benötigte Energie mitgemessen. Aus diesen Daten kann der k-Wert näherungsweise ermittelt werden. Anschließend wurde auch das dynamische Temperaturverhalten beider Kabinen überprüft, indem die Heizlüfter zeitgleich ausgeschaltet wurden und das Abklingverhalten der Kabinen aufgezeichnet wurde.

Diese schnellen Tests ergaben bei beiden Zellen eine sehr gute Übereinstimmung, sowohl im k-Wert, der ca. 0,96 W/m²K beträgt, als auch im identischen Heiz- und Kühlverhalten der Testzellen.

6.3.5.7.4 Ausstattung der Testkabinen mit Gipsputz

In Kabine 5 wurde der PCM Putz als 12 mm dicke Schicht eingebracht, entsprechend wurde in Kabine 1 der Referenzputz ohne Latentspeicherzusatz aufgetragen. Der erste Schritt war die Vorbereitung des Untergrundes (Gipskartonplatten) mit einer quarzsandhaltigen Grundierung und die Anbringung der Armierung, um die Haftung des Putzes auf den Gipskartonplatten zu gewährleisten. Gleichzeitig wurden die Sensoren genau an den jeweils vorgesehen Positionen mit Putz fixiert. Der Putz wurde wie üblich durch Aufspritzen und anschließendem glätten in die Kabinen eingebracht. Dabei wurden alle opaken Flächen, auch die Flächen unter und Oberhalb des Fensters mit Putz belegt. Anschließend wurde der Putz bei laufender Lüftung und geöffneter Kabinentür ca. 2 Wochen trocknen gelassen.

Es wurden insgesamt ca. 11-12 kg Putz pro Quadratmeter aufgetragen. Die gesamte Fläche der Kabinen, auf die Putz aufgetragen wurde, beträgt etwa 20 m² pro Kabine. Es wurde speziell darauf geachtet, dass in beide Kabinen dieselbe Masse Putz eingebracht wird. Der Unterschied der Temperaturwerte soll nur durch die Latentspeicherfähigkeit des PCM-Putzes gegeben sein.

Das Einbringen des Putzes ist in Abbildung 6-75 und ein Ausschnitt der fertig gestellten Kabine mit PCM Putz ist in Abbildung 6-76 dargestellt.


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Abbildung 6-75: Aufspritzen des PCM-Putz auf den vorbereiteten Untergrund in der

Testzelle

Abbildung 6-76: Ausschnitt der fertig gestellten Testzelle mit PCM Putz

6.3.5.7.5 Messwerterfassung

Zusätzlich zu der allgemeinen in Kap. 6.3.5.5 dargestellten Messtechnik, die zur Ausstattung des Fassadenteststandes gehört, erfassen gezielt eingebaute Sensoren Messdaten, die speziell für den Vergleich des Raumklimas der Testzelle mit PCM im Vergleich zur Referenzzelle von Bedeutung sind.

Temperatursensoren vermessen die Putztemperatur in beiden Zellen und zwar:

• An der Westwand erfassen jeweils 4 Sensoren in 3 unterschiedlichen Tiefen (Oberfläche 2x, Mitte und Unterseite)


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die Putztemperatur in zwei unterschiedlichen Höhen: unten (etwa 40 cm über dem Boden) und oben (etwa 180 cm über dem Boden).

• Zusätzlich wird an der Westwand die Temperatur hinter der Gipskartonplatte und an der Außenwand der Kabine vermessen.

• An der Nordwand erfassen 4 Sensoren die Putztemperatur in 3 unterschiedlichen Tiefen (Oberfläche 2x, Mitte und Unterseite) in einer Höhe von etwa 180 cm über dem Boden. In einer Höhe von etwa 50 cm über dem Boden wird die Temperatur der Putzmitte vermessen.

• An der Ostwand erfassen jeweils 2 Sensoren die Putztemperatur in 2 unterschiedlichen Tiefen (Oberfläche, Unterseite) in einer Höhe von etwa 180 cm und 40 cm über dem Boden

• In der Ecke zwischen Nordwand und Ostwand misst 1 Sensor die Putztemperatur in der Putzmitte etwa 150cm über dem Boden.

• An zwei Positionen an der Decke (Norden und Süden) werden die Putztemperaturen ebenfalls in 3 Tiefen (Putzoberfläche 2x, Putzmitte und Putzunterseite) erfasst.

Alle Temperatursensoren entsprechen der DIN-Klasse 1/3B und sind in 4-Leiter-Messtechnik ausgeführt. Die Sensoren, die in den Putz eingebracht wurden, sind ohne Metallschutzmantel nur durch einen Schrumpfschlauch vor Feuchtigkeit geschützt. So beeinflussen sie ihre Umgebung im Putz thermisch nur geringfügig.

Zwei Wärmeflussplatten wurden an der Westwand oben (180 cm über dem Boden) in die Putzoberfläche eingebettet.

Die experimentspezifischen Sensoren wurden an die Messwerterfassung des Fassadenteststandes angeschlossen. Die Erfassung der Daten erfolgt im 10-Sekunden Takt, abgelegt wurden 2-Minuten Mittelwerte.

6.3.5.7.6 Messergebnisse für unterschiedliche Randbedingungen

Am 30.05.2003 begann die Vermessung der Testzelle mit PCM-Putz im Vergleich zur Referenzzelle. Raumlufttemperaturen, Wandtemperaturen und Temperaturen im Putz wurden für die beiden Zellen im Falle unterschiedlicher Randbedingungen verglichen. Zeitspannen mit hoher Nachtlüftung, geregelter Verschattung der Fenster, variablen inneren Lasten wurden gezielt ausgewertet. Nach kurzer Messperiode wurde festgestellt, dass ein PCM-Putz mit deutlich zu geringem PCM-Gehalt in die Testzelle eingebaut wurde. Daraufhin wurden am 25.06.2003 begonnen das Material aus den Testzellen zu entfernen und die Kabinen für neues Material vorzubereiten. Dabei wurde der Wandaufbau komplett neu konstruiert und die Holzständerkonstruktion an den Ost- und Westwänden durch Metallständer ersetzt. Am 17.07.2003 wurde schließlich damit begonnen den richtigen Putz einzubauen und die Messungen konnten am 05.08.03 nach 2-wöchiger Trocknungszeit gestartet werden.


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Zunächst wurde der Gipsputz für die Testzelle, durch DSC-Messungen charakterisiert. Dazu wurden sowohl das reine Kapselpulver, als auch jeder fertig angemischte Pulversack im DSC vermessen. Zusätzlich wurden während des Einbringens des Gipsputzes in die Testzellen Putzproben entnommen. Die ersten DSC-Messungen zeigten dabei, dass anstelle von 20J/g nur etwa 10J/g Wärme latent im Putz gespeichert werden können. Daraufhin wurde das reine mikroverkapselte Paraffin im DSC vermessen, wo aber keine Veränderungen vorlagen. Das angemischte Gipspulver zeigte jedoch auch einen deutlich zu geringen PCM-Anteil. Da diese Charge erstmals großtechnisch bei Maxit hergestellt wurde, wurde dieser Fehler auf Schwund bei der Produktion zurückgeführt, konnte zunächst jedoch nicht näher spezifiziert werden. Für die Testzellen wurde dann im Labor ein neuer Ansatz hergestellt. Die weiteren Proben zeigten dann auch die erwartete latente Wärmespeicherfähigkeit von 20 J/g im Pulver bzw. 18J/g im Putz. Die DSC-Messungen sind in Tabelle 6-3 aufgelistet:

Bezeichnung

Enthalpie [J/g] schmelzen

Enthalpie [J/g] erstarren

Putz Maxit nach Einbau am Fastest Fastest PCM Maxit_1 9,5971 -9,5283 Fastest PCM Maxit aus Kabine 1 10,4003 -10,7773 Putzprobe aus der PCM-Zelle 9,2932 -9,1757 reines Kapselpulver (von Maxit verwendet) PCM Pulver Maxit Testzellen 0-50 2K/min 95,6178 -103,1361 PCM Pulver Maxit Testzellen 0-50 1K/min 98,1127 -101,4661 Gipspulver für 1. Einbau am Fastest Gipspulver aus Sack 1 für Fastest_1 13,1277 -13,8333 Gipspulver aus Sack 4 für Fastest_1 14,1223 -14,8013 Gipspulver aus Sack 7 für Fastest_1 14,9326 -15,9542 Gipspulver aus Sack 10 für Fastest_1 18,249 -18,6346 neues Material aus Merdingen Gipsprobe maxit neues Material 0-50 1K/min 16,7769 -17,4318 Gipspulver für Fastest neu P1 0-50 1K/min 20,844 -21,4355 Gipspulver für Fastest aus Sack am Fastest 18,0139 -18,9385 Gipspulver für Fastest neu aus Merdingen 1 20,6235 -21,2497 Gipspulver für Fastest neu aus Merdingen 2 15,9391 -16,9949 Gipspulver für Fastest neu aus Merdingen 4 21,4817 -21,861 Putzprobe 50x50 Platte 15,9102 -16,0154 Materialproben neues Material vor dem Einbau Pulverprobe Maxit Nr.1 Chr 1A 19,8571 -20,3857 Pulverprobe Maxit Nr.2 Chr 1M 17,9775 -19,0865 Pulverprobe Maxit Nr.3 Chr 1E 18,9395 -19,5611 Pulverprobe Maxit Nr.4 Chr 2A 18,6421 -19,0016 Pulverprobe Maxit Nr.5 Chr 2M 18,9647 -19,2788 Pulverprobe Maxit Nr.6 Chr 2E 18,9466 -19,1168


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Pulverprobe Maxit Nr.7 Chr 2E2 19,6698 -20,0874 Pulverprobe Maxit Nr.8 Chr 2M3 19,054 -19,8233 Putzprobe Nr. 1 Chr. 1A angerührt/getrocknet 14,7314 -15,3999 Putzprobe Nr. 2 Chr. 1M angerührt/getrocknet 15,7409 -16,5927 Putzprobe Nr. 3 Chr. 1E angerührt/getrocknet 16,8314 -17,1858 Putzprobe Nr. 4 Chr. 2A angerührt/getrocknet 16,0714 -16,4903 Putzprobe Nr. 5 Chr. 2M angerührt/getrocknet 17,4631 -18,2492 Putzprobe Nr. 6 Chr. 2E angerührt/getrocknet 18,0168 -18,7599 Putzprobe Nr. 7 Chr. 1A2 angerührt/getrocknet 17,8982 -19,4543 Putzprobe Nr. 8 Chr. 2M3 angerührt/getrocknet 15,7064 -16,0368 neues Material in Fastest eingebaut Putzprobe beim Einbau 1_1 15,0222 -15,6646 Putzprobe beim Einbau 2_1 15,9904 -17,1685 Putzprobe beim Einbau 3_1 16,5411 -16,4789 Putzprobe beim Einbau 4_1 16,2632 -17,2821 Putzprobe beim Einbau 5_1 16,7208 -17,2545 Putzprobe beim Einbau 6_1 16,4782 -16,5078 Putzprobe beim Einbau 7_1 15,7842 -16,9745 Putzprobe beim Einbau 8_1 15,151 -15,9139 Putzprobe beim Einbau 9_1 15,7481 -15,9263 Putzprobe beim Einbau 10_1 16,025 -17,1963 Putzprobe beim Einbau Decke 11_1 16,6241 -17,1077 Putzprobe beim Einbau Decke 12_1 17,1529 -17,2973

Tabelle 6-3: Latente Wärmespeicherfähigkeit des maxit Gipsputzes

Die Proben wurden auch mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht, da im DSC nicht zwischen freiem und verkapseltem PCM unterschieden werden kann. Eine REM-Aufnahme einer Probe des PCM-Putzes ist beispielhaft in Abbildung 6-77 dargestellt.

In der Aufnahme sind deutlich die Gipskristallnadeln und die dazwischen liegenden PCM-Mikrokapseln zu sehen. Nur wenige Kapseln sind defekt, also aufgebrochen, so dass Paraffin aus der Ummantelung austreten kann.


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Abbildung 6-77: REM Aufnahme des PCM-Gipsputzes

Freies Schwingen der Temperatur ohne Putze

Vor dem Einbringen der neuen Putze wurden während der Zeitspanne vom 11.07. bis zum 17.07.2003 beide Kabinen ohne Lüftung und ohne Verschattung frei schwingend betrieben. Der Vergleich der Wandtemperaturen beider Kabinen ist in Abbildung 6-78, die zugehörigen Lufttemperaturen in Abbildung 6-79 dargestellt.

Wie aus den Abbildungen ersichtlich ist, liegen die Temperaturen beider Testzellen sehr gut übereinander. Der Fehler von maximal 0,5K ist nahezu vernachlässigbar. Auch zu sehen ist, dass die PCM-Kabine sensibel geringfügig leichter ist und somit thermisch leicht im Nachteil gegenüber der Referenzkabine ist.


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Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 11.07.2003 bis 17.07.2003.



Freies Schwingen der Kabinen mit PCM- und Referenzputz

In der Zeitspanne vom 16.08 bis 20.08.2003 wurden dir Kabinen oberhalb des PCM-Schmelzebereiches ohne Lüftung und Verschattung frei schwingen gelassen. Der zweite Putz mit einem PCM-Massenanteil von ca. 20% und der zugehörige Referenzputz waren zu diesem Zeitpunkt ca. 1 Monat in den Kabinen installiert und vollkommen ausgetrocknet. Die Lüftung nach Außen hin wurde wieder geöffnet. Ab dem 18.08.03 wurde die Nachtlüftung hinzugeschaltet.


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Abbildung 6-80: Vergleich der Raumlufttemperaturen in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 16.08.03 bis 20.08.2003

Abbildung 6-81: Vergleich der Wandtemperaturen in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 16.08.03 bis 20.08.2003

Die Unterschiede am 16.08. und 17.08.2003 resultieren aus unterschiedlichen Benutzungen im Vorfeld dieser Messung. So waren in der PCM-Kabine einige Sensordefekte aufgetaucht, die behoben werden mussten, während die Referenzkabine in Ruhe gelassen wurde. Ab dem 17.08 2003 sind keine Einflüsse mehr vorhanden und beide Kabinen schwingen parallel. Dies zeigt, dass in beide Kabinen die annähernd gleiche Putzmenge eingebracht worden ist.


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Nachtlüftung

Während der Zeitspanne vom 23.08.2003 bis zum 30.09.2003 wurden die Testzellen mit einer Nachtlüftung von 22.00 Uhr bis 8.00 betrieben. Die Luftwechselrate betrug etwa 4-5 Luftwechsel pro Stunde. Eine Verschattung wurde zu diesem Zeitpunkt nicht eingesetzt. In Abbildung 6-82 sind die Lufttemperaturen vom 23.08 –30.08.2003 und in Abbildung 6-83 die dazugehörigen Wandtemperaturen dargestellt.



In der Zeit vom 23.08 –27.08.2003 war es aufgrund sehr hoher Nachttemperaturen jenseits von 24 °C trotz Nachtlüftung nicht möglich den Latentwärmespeicher zu entladen, so dass der Temperaturunterschied zwischen Referenz und PCM-Zelle gering ausfällt. An den darauf folgenden Tagen sinken jedoch die Nachttemperaturen und eine Temperaturdifferenz von bis zu 4K kann in der Luft-, sowie in der Wandtemperatur erreicht werden. Ebenfalls zu sehen ist, dass die Amplitude des PCM-Raumes im Tagesverlauf deutlich geringer ausfällt, was den Nutzerkomfort erhöht.


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Abbildung 6-83: Vergleich der Wandtemperaturen in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 23.08.02 bis 30.08.2003


Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 01.09.2003 bis 20.08.2003

Die Abbildung 6-84 zeigt eine längeren Zeitausschnitt der Wandtemperaturen beider Testzellen. Die Messung wurde nur mit Nachtlüftung und ohne Verschattung durchgeführt. Dennoch ist eine deutliche Reduzierung der Temperaturspitzen erreicht worden. Die letzten zwei Tage zeigen aber deutlich, dass auf eine Verschattung nicht gänzlich verzichtet werden kann, vor allem in längeren Hitzeperioden. Aufgrund der ohnehin schon hohen sensiblen thermischen Masse des PCM-Putzes (11-12 kg/m²) spielt die Verschattung jedoch hier keine so bedeutende Rolle. Auf eine Nachtlüftung kann jedoch in keinem Fall verzichtet werden.


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Statistik

n den folgenden Abbildungen ist die Anzahl von Stunden dargestellt, während der die Raumlufttemperatur in der Zeitspanne vom 01.09. bis 31.09.2003 in beiden Zellen einen bestimmten Wert überschreitet. Abbildung 6-85 zeigt dabei alle Stunden, wohingegen in Abbildung 6-86 nur die Arbeitsstunden von 08.00 – 18.00 Uhr berücksichtigt sind. Der Grund dafür, dass die Flächen zwischen den Kurven beider Zellen Ober- und Unterhalb des Schmelzpunktes nicht gleich groß sind, ist auf die Nachtlüftung zurückzuführen, bei der in der Referenzzelle im Vergleich zur PCM-Zelle bei höheren Temperaturen viel mehr Energie in der selben Zeit ausgebracht wird. Die Statistiken zeigen deutlich, dass durch den PCM-Putz die Anzahl der Stunden hoher Temperatur deutlich gesenkt werden kann. So ist die Referenzzelle ca. 200 Stunden im berücksichtigten Zeitraum wärmer als 27°C, wohingegen die PCM-Zelle nur in ca. 90 Stunden wärmer als 27°C war. Wärmer als 30°C war die Referenz-Zelle ca. 75 Stunden und die PCM-Zelle nur 30 Stunden.

Abbildung 6-85: Kumulative Häufigkeitsverteilung der Wandtemperaturen in der

Testzelle mit PCM im Vergleich zur Referenzzelle, während der Zeitspanne 01.09.2003 bis 30.09.2003 bei geregelter Nachtlüftung ohne Verschattung


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Abbildung 6-86: Häufigkeitsverteilung der Wandtemperaturen während den

Arbeitsstunden von 08.00 bis 18.00 Uhr in der Testzelle mit PCM im Vergleich zur Referenzzelle, während der Zeitspanne 01.09.2003 bis 30.09.2003 bei geregelter

Nachtlüftung ohne Verschattung


109

6.3.6 Zyklierung

In der am ISE konstruierten Apparatur zur beschleunigten Zyklierung (Abbildung 6-87) werden Putzproben wiederholtem Aufheizen auf 35°C gefolgt von Abkühlen auf 15°C ausgesetzt. Das Ziel ist, die Beständigkeit der Kapseln und Paraffine gegen die häufigen Phasenwechsel und die damit verbundenen Belastungen zu untersuchen. Dazu werden die Proben zwischen 2 Kupferplatten montiert, die über einen Thermostaten auf die gewünschte Temperatur geregelt werden. Mit dieser Anordnung sind keine echten Alterungsuntersuchungen möglich, bei denen Proben durch schnelle Abfolgen extremer klimatischer Einflüsse beschleunigt gealtert werden. Es kann lediglich die Zyklenbeständigkeit der Paraffine und der Kapseln untersucht werden.

Es wurden 8 Proben (10 x 10 cm) für die Messungen hergestellt: 3 Proben mit PCM-Spachtelmasse von DAW und 4 Proben mit PCM-Gipsputz von Maxit. Die Materialien entsprechen denen, die am Fassadenteststand benutzt wurden. Zusätzlich wurde noch eine Gipsputzreferenzprobe hergestellt. Die Putze sind jeweils auf einer Gipskartonplatte aufgetragen und wurden in 2 Lagen in die Apparatur eingesetzt. Insgesamt wurden 8000 Zyklen durchgeführt, wobei nach jeweils 1000 Zyklen ein kleines Stück jeder Probe für das DSC und das REM entnommen wurde. Für die Regelung wurde in die Mitte der 8 Proben ein Temperatursensor eingebettet, so dass sichergestellt ist, dass die Paraffine komplett aufgeschmolzen, bzw. erstarrt sind bevor der nächste Zyklus beginnt. Ein Zyklus dauerte dabei ca. 1,5 Stunden. 8000 Zyklen bedeuten übertragen auf den Einsatzbereich bei angenommenen 150 Zyklen im Jahr eine Lebenszeit von weit mehr als 50 Jahren und übertreffen damit die Lebenserwartung eines Putzes bei Weitem.

In Tabelle 6-4 sind die Ergebnisse der DSC-Messungen dargestellt. Durch die Zyklierung ergab sich keine Veränderung der thermischen Eigenschaften des Latentwärmespeichers.

Unter dem Rasterelektronenmikroskop konnte ab 6000 Zyklen eine geringfügige Zunahme defekter Kapseln sowohl im DAW, als auch im Maxitmaterial beobachtet werden. Eine Quantifizierung dieses Effekts ist nicht möglich, da immer neue Probestückchen aus der Apparatur entnommen wurden, und die bereits untersuchten Proben nicht weiter zykliert wurden.

Im Laufe des Projektes wurden die Kapseln immer weiter verbessert, aber nicht erneut der zeitintensiven Zyklierung zugeführt. Insbesondere die Kapselwände wurden verstärkt, so dass zu erwarten ist, dass die Zyklenbeständigkeit weiter verbessert ist.

Schmelzen: Enthalpie [J/g]

Zyklen DAW 1 DAW 2 DAW 3 Maxit 169/1

Maxit 169/2

Maxit 169/3

Maxit 169/4

0 39,3354 37,7091 37,7001 18,0669 15,5989 15,0629 1000 40,4516 40,1144 17,129 17,9932 17,2189 2000 40,396 39,6933 38,8908 17,1769 17,7359 17,8178 17,2266 3000 37,7817 40,1143 39,1666 16,7231 19,7925 17,3673 16,5327 4000 39,8209 39,9279 40,9185 17,7652 18,6873 17,752 16,635 5000 38,3459 39,6407 39,5925 17,6419 16,8147 17,8318 6000 40,0759 40,9431 39,298 17,313 18,2909 18,0067 17,6646 7000 38,6519 39,9657 39,6292 17,1493 17,7425 17,7436 17,6171


110

8000 40,677 41,9982 39,8203 18,1301 17,8065 17,9456 17,1636 Erstarren: Enthalpie [J/g]

Zyklen DAW 1 DAW 2 DAW 3 Maxit 169/1

Maxit 169/2

Maxit 169/3

Maxit 169/4

0 -42,0832 -40,9247 -39,6937 -16,5294 -17,0497 -18,2317 1000 -40,4431 -42,4004 -17,4572 -18,0511 -17,1632 2000 -40,7206 -40,0884 -39,6535 -17,59 -18,1616 -17,4282 3000 -40,7514 -41,6937 -41,381 -17,021 -19,5007 -18,0551 -16,3518 4000 -41,2924 -41,8173 -41,8488 -17,7774 -19,2874 -17,5845 -20,1185 5000 -39,2862 -39,6677 -17,9826 -17,1204 -17,5048 6000 -40,9679 -41,4905 -40,6486 -16,992 -18,3392 -17,6498 -17,5445 7000 -40,7341 -41,7917 -41,5764 -16,9483 -17,3955 -18,1142 -18,1151 8000 -41,5126 -41,8111 -40,3936 -18,3507 -17,9276 -18,144 -17,2464

Tabelle 6-4: Enthalpie gemessen nach jeweils 1000 Zyklen

Abbildung 6-87: Zyklierungsapparatur des Fraunhofer ISE

Mit der Untersuchung der Zyklenbeständigkeit der PCM-Produkte konnte gezeigt werden, dass die Kapseln 6000 Zyklen im fertigen Produkt ohne Probleme erreichen können. Für den Einsatz im Gebäudeinneren ist dies wesentlich mehr als zu erwarten ist. Da die Kapseln aber weiter verbessert wurden ist auch bei der Zyklenbeständigkeit eine weitere Verbesserung zu erwarten.

Neben der Zyklierung von Produktproben wurden auch die reinen mikroverkapselten Paraffine Zyklierungstests von der BASF unterzogen (vgl. Kapitel6.2.2). Die Proben wurden ebenfalls regelmäßig mit dem DSC vermessen und es konnten keine Veränderungen festgestellt werden.


111

6.3.7 Außenputz

Am Fraunhofer ISE wurde ein Teststand zur Bewitterung von Fassadenelemten aufgebaut. Der Teststand befindet sich auf dem Dach des Institutsgebäudes Heidenhofstraße 2 in Freiburg (Abbildung 6-88). Die Proben werden ca. 40cm von der Gebäudewand mit Kunststoffhaltern befestigt, so dass sie thermisch entkoppelt vom Traggestell montiert sind. Das Gebäude selbst dient als Windabdeckung, so dass realistische Bedingungen für die Messungen hergestellt wurden.

Abbildung 6-88: Nord-Bewitterungsteststand am Fraunhofer ISE

Am Bewitterungsteststand werden die Lufttemperatur, Einstrahlung, relative Feuchte, Taupunkt, Luftdruck und Niederschlagsmenge gemessen. In die Probenkörper sind jeweils 3 Sensoren (rechts, mitte, links) in der Armierung eingebettet. Der Sensor Rechts und Links liegt kurz unter der Oberfläche der Armierung, während der mittige Sensor an der Rückseite der Armierungsschicht anliegt.

Für die Bewitterung wurden 6 Prüfkörper der Größe 28 x 30cm mit dem in Abbildung 6-89 dargestellten Aufbau von der Sto AG zur Verfügung gestellt. Die Armierung wurde in verschiedenen stärken und mit PCMs unterschiedlicher Schmelztemperatur ausgestattet. In Tabelle 6-5 sind die Kombinationen dargestellt.


112

Abbildung 6-89: Probenaufbau Bewitterungsteststand Außenputz

Probe A Probe B

Probe C Probe D

Probe E

Probe F

Schichtdicke

Armierung

3mm 3mm 8mm 8mm 8mm 8mm

Schmelztemperatur REF 6°C REF 6°C 6°C & 10°C

10°C

Tabelle 6-5: Übersicht Schichtaufbau und Schmelzaufbau der Bewitterten Proben

6.3.7.1 Messungen

Die 6 Proben sind seit dem 12. November 2003 am Bewitterungsteststand montiert und werden seitdem kontinuierlich vermessen.

Zunächst ging es darum, die angegebenen Schmelzpunkte mit den Messdaten abzugleichen. Für das 10°C Material sind einige exemplarische Tage in Abbildung 6-90 dargestellt. Deutlich ist das Schmelzen des PCMs bei ca. 10°C anhand des abgeflachten Kurvenverlaufs der Proben E und F erkennbar. Ebenfalls zu sehen ist, dass das Erstarren erst zwischen 7 und 8°C einsetzt. Das 10grädige PCM weist daher 2K Unterkühlung auf. Auffällig ist aber, dass in den Proben C und D kein Phasenwechsel bei 6°C zu beobachten ist, was aber nicht bedeutet, dass kein 6-grädiges PCM vorhanden ist. Das Problem ist, dass das 6-grädige Material eine sehr starke Unterkühlung von 8K aufweist und nach dem Aufschmelzen erst bei Temperaturen von -2°C wieder erstarrt. Dies bedeutet im Umkehrschluss aber auch, dass kein 6° Phasenwechsel beobachtet werden kann, wenn die Temperaturen zuvor nicht mindestens -2°C betrugen. Dass 6-grädiges Material in den Proben D und E vorhanden ist kann man in Abbildung 6-91 sehen. Die Proben wurden auch mit dem DSC vermessen, wo sich die Unterkühlungsproblematik bestätigt hat.

Der Einfluss der PCMs auf die Oberflächentemperatur ist relativ gering, da die PCM-Menge nicht ausreicht, um die Probentemperatur längerfristig im Schmelzbereich zu halten.


113

Abbildung 6-90: Bewitterung 8mm Proben 10°-Effekt

Abbildung 6-91: Bewitterung 8mm Proben 6°-Effekt

Der wichtigste Aspekt ist jedoch die Frage, welche Auswirkungen die PCMs auf die Betauungsdauer haben. Entscheidend ist, ob die gemessene Oberflächentemperatur unter der ermittelten Taupunkttemperatur liegt. Ist dies der Fall kann sich Tauwasser auf der Oberfläche abscheiden. Zeiträume mit Niederschlag müssen dabei ausgeschlossen werden. Pro Probe wurden 2 Temperatursensoren in die Oberfläche eingebettet. Da diese Sensoren teilweise Abweichungen von bis zu 0,5K voneinander aufweisen wurde im Weiteren immer die Mitteltemperatur über beide Sensoren betrachtet. Die Temperaturabweichungen beruhen neben der Messungenauigkeit darauf, dass die Sensoren in minimal unterschiedlichen Tiefen in der Probe positioniert sind.


114

Beim Vergleich der Betauungszeiten der zwei 3mm Proben (Abbildung 6-92) ist eine leichte Verschlechterung im Messjahr durch das 6grädige PCM erkennbar, die aber vernachlässigbar ist.

Betauungsdauer auf den 3mm Proben

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Dez 03 Jan 04 Feb 04 Mrz 04 Apr 04 Mai 04 Jun 04 Jul 04 Aug 04 Sep 04 Okt 04 Nov 04 Dez 04

Bet

auu

ng

sdau

er [

min

]

A

B

Abbildung 6-92: Betauungsdauer auf den 3mm Proben

Betauungsdauer auf den 8mm Proben

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000


Bet

auu

ng

[m

in]

C

D

E

F

Abbildung 6-93: Betauungsdauer auf den 8mm Proben

Die 8mm Proben (Abbildung 6-93) mit 6grädigem PCM zeigen wie schon die 3mm Proben eine minimal verlängerte Betauungszeit gegenüber der Referenz. Die Proben mit dem 10-grädigem PCM hingegen führen zu einer Reduzierung der Betauungsdauer. In Abbildung 6-94 ist die prozentuale Abweichung der PCM-Proben von der jeweiligen Referenzprobe dargestellt. Die Proben mit 10-grädigem PCM erreichen eine 2 bis 5 Prozent geringere Betauungsdauer. Die großen Unterschiede im Mai04 sind vor allem dadurch begünstigt, dass


115

insgesamt nur wenig Betauungsstunden auftraten, was zu relativ großen Fehlern führt.

Abweichung von der jeweiligen Referenz

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20


Ab

wei

chu

ng

[%

]

B

D

E

F

Abbildung 6-94: Prozentuale Abweichung der Betauungsdauer von der jeweiligen

Referenz

Die Erhöhung der Betauungsdauer bei den 6°C Proben erklärt sich vor allem durch das unerwünschte Verhalten im Abkühlungsfall (bis zu 8K Unterkühlung). Durch das Erstarren des PCMs bei –2°C wird keine Betauung vermieden, aber durch dir Erhöhung der thermischen Masse im Erwärmungsfall bei 6°C ist die PCM-Probe in diesem Bereich kühler als die Referenzprobe, was unter entsprechenden Bedingungen zu Betauung führt.

Messungen an WDVS-Testflächen am Fraunhofer-Institut für Bauphysik in Holzkirchen (Alpenvorland) in den Monaten Oktober 2003 bis Mai 2004 ergaben hingegen eine deutlich stärkere Reduktion der Dauer der Taupunktsunterschreitungen; verglichen wurde eine Testfläche mit einem 8 mm dicken PCM-Armierungsputz und eine Referenzfläche, wobei auch Taupunktsunterschreitungen bei Temperaturen unterhalb von 0 °C einbezogen wurden. Eine Ursache hierfür dürften auch die klimatischen Unterschiede zwischen Freiburg und Holzkirchen sein. Eine weitere Verringerung der Betauungsdauer konnte durch die Kombination mit einer IR-selektiven Fassadenfarbe erzielt werden.

6.3.7.2 Fazit des Bewitterungstest

Die Bewitterung der Proben in 2004 hat gezeigt, dass die Verbesserung der Betauungsproblematik stark von den verwendeten Phasenwechselmaterialien abhängt. Das 10-Grad PCM zeigt ein deutlich besseres Ergebnis, als das 6-Grad PCM, welches während der Messung teilweise durch die große Unterkühlung zu Verschlechterungen gegenüber der Referenz führte. Bei neueren Materialien taucht diese Unterkühlung nicht mehr auf, hier wären


116

weitere Messungen mit verbesserten Materialien notwendig. Generell ist die Einschränkung der Wirksamkeit auf ein enges Temperaturband zu beachten und auf die jeweilige Zielsetzung abzustimmen. Die Kombination mit IR-selektiven Farben würde eine weitere Verbesserung des Effektes bewirken.


117

6.4 Vergleich Messung und Simulation

Das thermische Verhalten der Testzellen wurde mit dem Gebäudesimulationsprogramm esp-r simuliert.

Die Geometrie einer Testzelle vom Fassadenteststand ist, entsprechend der Eingabe in esp-r, in Abbildung 6-95 zu sehen.

Der größte Teil der Materialdaten, die die Testzellen betreffen, waren aus Herstellerangaben bekannt. Zusätzlich wurden die an beiden Zellen (Referenzzelle und PCM-Zelle) durchgeführten Dunkelmessungen genutzt, um den unbekannten k-Wert der Fassadenelemente zu ermitteln.

Zusätzliche Materialdaten, wie die Wärmeleitfähigkeit der Gipskartonplatte und der Dämmung, die als Untergrund für den PCM-Putz und den Referenzputz in die Testkabinen eingebracht wurden, wurden im Labor vermessen.

Abbildung 6-95: Testzelle am Fassadenteststand des ISE – Geometrieeingabe in esp-r

6.4.1 Validierung des Simulationsmodells

Ein verlässliches Simulationsmodell, mit dem denkbare Anwendungen von Bauteilen mit Latentwärmezusatz in ihrer Wirksamkeit nachgebildet werden können ist wichtig, um unnötigen Entwicklungsaufwand vermeiden zu können.

In diesem Sinne wurden zur Validierung des Simulationsprogramms die nötigen Eingabedaten für das Gebäudesimulationsprogramm entsprechend


118

aufbereitet und Messwerte mit simulierten Werten, für gezielt ausgewählte Zeitspannen, verglichen.

Am Fassadenteststand vermessene Randbedingungen, sowohl Wetterdaten als auch Hallentemperaturen oder Temperaturen im Dunkelkasten (für den Fall der Vermessung der Kabinen ohne solaren Eintrag) wurden dem Programm in kompatibeler Form zur Verfügung gestellt.

Die Wetterdaten wurden für ausgewählte Zeitintervalle als „climate database“ mit stündlichen Mittelwerten der relevanten Parameter bereitgestellt. Da im Falle von PCM Elementen eine genauere Zeitauflösung der Randbedingungen als nötig erschien und das vom Programm vorgegebene Format der „climate databases“ nur stündliche Werte zulässt, wurde nach einer alternativen Lösung gesucht, um die Eingabe im Minutentakt machen zu können. Für die Außenbedingungen boten sich hiermit die „temporal definitions databases“ an. Das Programm bietet die Möglichkeit ASCII Files mit relevanten Größen und beliebiger Zeitauflösung einzugeben und verwertet diese nach Konvertierung in ein programmeigenes binäres Format.

Die Hallentemperaturen oder Temperaturen im Dunkelkasten wurden realitätsnah als Temperaturen in einer der simulierten Zelle angrenzenden Zone definiert und über einen geeigneten Regler dem Programm zugänglich gemacht.

Der Vergleich von Messdaten und simulierten Daten wurde separat für die Referenzzelle und die PCM Zelle durchgeführt, da zur Simulation des PCM-Effektes nichtlinear variierende Materialeigenschaften vom Programm gut abgebildet und richtig in den Rechenalgorithmus eingebracht werden müssen.

In einem ersten Schritt wurden Messdaten mit simulierten Werten für die mit Referenzputz ausgestattete Zelle verglichen.

6.4.1.1 Simulation der Referenzzelle

Mit den in den vorigen Abschnitten dargestellten Voraussetzungen wurden Messwerte und simulierte Werte für die mit Referenzputz ausgestattete Zelle über eine Zeitspanne von zwei Wochen: vom 28.07. bis 10.08.2002 verglichen. Während dieser Zeitspanne waren die Fenster der Testzellen unverschattet, nachts wurde mit 5 – 6 Luftwechseln gelüftet, um während dieser warmen Sommerzeit das PCM in der mit PCM ausgestatteten Zelle möglichst zu entladen, damit es am nächsten Tag wieder geladen werden kann.

Eine sehr gute Übereinstimmung der simulierten Werte mit den Messwerten konnte erzielt werden und ist in Abbildung 6-96 dargestellt.


119

161718192021222324252627282930313233343536

209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223Tag im Jahr

Lufttemperatur [°C]28.07. bis 10.08.2002

SimulationMessung

Abbildung 6-96: Vergleich simulierter und gemessener Raumlufttemperaturen in der

Referenzkabine für die Zeitspanne 28.07. bis 10.08.2002

Um die in der Abbildung dargestellte Übereinstimmung zu erzielen, musste von den im Vorfeld ermittelten Daten etwas abgewichen werden. Eine Anpassung der Eingabe musste gemacht werden, um die energetischen Verluste der Kabine, wie in Abbildung 6-96 gezeigt, sehr gut wiederzugeben. Da die Anpassung jedoch eine so gute Übereinstimmung bewirkt, ist anzunehmen, dass der Grund in der nicht ausreichenden Genauigkeit des Inputs lag.

Die Widergabe von Messdaten durch Simulation kann aufgrund der vereinfachenden Annahmen des Modells immer nur eine mehr oder weniger gute Näherung sein. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass die Referenzzelle für die relevanten Effekte (Temperaturwidergabe) ausreichend gut abgebildet wird.

6.4.1.2 Simulation der PCM-Testzelle

Im Falle der PCM-Zelle sollten Messwerte der Raumlufttemperaturen durch Simulation wiedergegeben werden, ähnlich wie im Fall der Referenzzelle.

Der Latentspeichereffekt des PCM-–Putzes wurde in erster Näherung mit dem von esp-r zur Verfügung gestellten Modell zur Berücksichtigung nichtlinearer Parameterabhängigkeiten von Materialeigenschaften berücksichtigt. Eine temperaturabhängige Speicherkapazität des Putzes sollte die temperaturabhängige Schmelzenthalpie des PCM Materials wiedergeben. Die in Abbildung 10 dargestellte Messkurve der Enthalpiefunktion wurde durch einen linearen Anstieg und einen senkrechten Abfall angenähert. Das Integral (Schmelzenthalpie) entspricht dem Messwert (38 J/g).


120

Die Darstellung von Raumlufttemperaturwerten in der Referenzzelle (Messwerte) wie auch in der PCM Zelle (Messwerte im Vergleich zu simulierten Werten) ist in Abbildung 6-97 für die Zeitspanne 5.08. bis 9.08.2002 dargestellt.

18

20

22

24

26

28

30

32

34

217 218 219 220 221 222

Tem

pera

tur

[°C

]

Tag des Jahres [d]

Mess_REFMess_PCM

SIM_PCM

Abbildung 6-97: Vergleich simulierter und gemessener Raumlufttemperaturen in der

PCM Kabine für die Zeitspanne 05.08. bis 09.08.2002 (zum Vergleich: Raumlufttemperatur in der Referenzkabine)

Die Übereinstimmung gemessener und simulierter Werte ist sehr gut. Für die dargestellte Zeitspanne liegt die Abweichung simulierter und gemessener Werte unter 0,5°C.

Der Vergleich soll auch für weitere Zeitintervalle aufgestellt werden und das Modell zur Widergabe der Temperaturabhängigkeit der Schmelzenthalpie wird noch verfeinert werden. Trotzdem erscheint auch der bereits vorliegende Ansatz ausreichend gut zu sein, um zuverlässig unterschiedliche Anwendungssituationen der PCM Spachtelmasse simulieren zu können.

6.4.1.2.1 Vergleich der Auswirkung des PCM-Putzes auf das Raumklima der Testzelle im Vergleich zu Ziegelmauerwerk

Für die Zeitspanne vom 4.08.2002 bis 10.08.2002 wurde die Referenzzelle mit 11,5 cm Ziegel unter dem Putz simuliert. Alternativ wurde Ziegelmauerwerk mit einer Dichte von 1400 kg/m3, 1800 kg/m3 und 2000 kg/m3 eingesetzt. Die durch die Speicherwirkung des schweren Ziegelmauerwerks verursachte Vermeidung überhöhter Temperaturwerte soll mit dem durch den PCM-Putz bewirkten Effekt verglichen werden.

Die Konstruktion der Wände der Testzelle wurde so modifiziert, dass der k-Wert der Wände mit Ziegelmauerwerk identisch mit dem der Wände der Testkabine mit Referenzputz oder PCM-Putz ist (U=0,13 W/m2K).


121

1819202122232425262728293031323334

216 217 218 219 220 221 222 223Tag im Jahr

Lufttemperatur [°C]04.08.2002 bis 10.08.2002

Messung Refkab.Messung Kab. mit PCM

Sim. Refkab. mit Ziegel (D=2000kg/m3)Sim. Refkab. mit Ziegel (D=1800kg/m3)Sim. Refkab. mit Ziegel (D=1400kg/m3)

Abbildung 6-98: Auswirkung des PCM-Putzes auf das Raumklima einer Testzelle

(Messwerte) im Vergleich zu Ziegelmauerwerk (Simulation)

Die Simulation berücksichtigt das Ziegelmauerwerk nur für die Wände der Referenzzelle (außer der Fassade). Die mit PCM ausgestattete Fläche ist somit etwas größer (beinhaltet auch die Decke) als jene für die Ziegelmauerwerk in der Simulation berücksichtigt wurde.

Die Simulation (Abbildung 6-98) zeigt, dass die Temperaturspitzen vom Ziegelmauerwerk ähnlich gedämpft werden wie vom PCM Putz. Dieses ist der Fall trotz wesentlich höherer Speicherfähigkeit des Mauerwerks pro Quadratmeter Wand. Die Erklärung dafür findet sich in der Tatsache, dass die Temperaturspitzen durch die hohen Sonneneinstrahlungswerte durch die unverschatteten Fenster bedingt sind. Die Putzoberfläche wird stark aufgeheizt und die Raumluft wird (über einen geringen Übergangskoeffizienten) zeitnah konvektiv aufgeheizt. Nur ein Teil der Wärme wird nach Innen weitergeleitet und entsprechend im Ziegelmauerwerk gespeichert. Dieser wirkt sich nachts auf die Raumlufttemperatur aus. Entsprechend sind die nächtlichen Werte der Raumlufttemperatur im Falle des Ziegelmauerwerks auch höher als im Falle der Wand mit PCM-Putz.

Die Schlussfolgerung ist, dass der PCM Putz eine ähnliche Wirkung auf die Raumlufttemperaturen in der Kabine hat wie ein 11,5 cm Ziegelmauerwerk unter dem Putz.


122

7 Verwertbarkeit der Ergebnisse

Das Projekt „Latentwärmespeicher für Baustoffe“ hatte die Entwicklung von Baustoffen mit integrierten Phasenwechselmaterialien zur Verbesserung des Raumkomforts und Reduzierung des Energieverbrauchs zum Ziel. Zum Abschluss des Projektes stehen mehrere Produkte auf dem Markt zur Verfügung und erste Gebäude wurden bereits außerhalb des Projektes damit ausgestattet. Insbesondere im Bereich der sommerlichen Überhitzungsvermeidung wird den Produkten ein großes Potenzial eingeräumt und das Interesse am Markt ist groß.

Dies betrifft zum einem das von BASF unter dem Namen Micronal vermarktete Ausgangsprodukt der mikroverkapselten Phasenwechselmaterialien, das in verschiedenen Endprodukten der Partnerfirmen Verwendung findet und weitere Entwicklungen ermöglicht.

Desweiteren ist seit Anfang 2005 das Produkt Maxit clima, ein Gips-Maschinenputz mit PCM, der als Grund-oder Glättputz mit temperaturpuffernder Wirkung auf Wände oder Decken aufgebracht werden kann, auf dem Markt verfügbar. Dispersionsbasierte Produkte von DAW und Außenputze von Sto stellen ebenfalls sehr interessante Anwendungen in Aussicht.

Eine Vermarktung dieser Produkte ist aufgrund des Erklärungsbedarfs der Wirkungsweise nicht trivial. Vielmehr müssen hier Architekten und Energieplaner direkt angesprochen werden. Zu diesem Zweck fanden verschieden Informationsveranstaltungen statt, um diese neuen Produktklassen in der Öffentlichkeit und den entscheidenden Fachkreisen bekannt zu machen. Neben eines Seminares im Rahmen der Fraunhofer Einrichtung „Solar Building Information Center SOBIC“ im Dezember 2003 geschah dies vor allem durch eine durch BASF organisierte Veranstaltungsreihe, in der 15 namhafte Architekten und Energieplaner Deutschlands ihre Gedanken zu PCM-haltigen Baustoffen in Gastvorträgen dargestellt haben. So erhielten ca. 500 Architekten und Planer in Deutschland Einblicke in die Thematik

Aufgrund der Kostenproblematik ist es für den breiten Einsatz von PCM-haltigen Baustoffen notwendig, Einsparungspotentiale durch den totalen oder teilweisen Verzicht auf herkömmliche Klimaanlagen aufzuzeigen. Die dafür unverzichtbaren Computertools sollen im nachfolgenden Projekt „Aktive PCM-Speichersysteme für Gebäude“ erarbeitet werden. Durch die Weiterentwicklungen in diesem Nachfolgeprojekt sind weitere innovative Systeme in Aussicht, die PCM-haltigen Baustoffen einen Markt öffnen, der über rein passive Anwendungen hinausgeht, um insgesamt die Akzeptanz dieser Materialien am Markt zu steigern.

Einen weiteren Schritt zu standardisierten Produkten soll eine im Oktober 2004 durch 7 Firmen gegründete Gütegemeinschaft PCM leisten, deren Ziel es ist, bis Ende 2005 ein RAL Gütesiegel zu definieren. Durch die verbindliche Festschreibung von Methoden zur Bewertung von Phasenwechselmaterialien soll dort die Vergleichbarkeit der einzelnen Produkte gewährleistet werden und die Vorteile gegenüber herkömmlichen Baustoffen genau quantifiziert werden können.


123

8 Fortschritt auf dem Gebiet bei anderen Stellen

Die Verfügbarkeit von mikroverkapselten PCM eröffnet weitere Anwendungsfelder. Zum einem sind hier Textilien mit integrierten Phasenwechselmaterialien zu nennen, die durch die von BASF entwickelte Möglichkeit der formaldehyd-freien Herstellung von PCM-Mikrokapseln profitieren. Vor allem aber wurde mitinitiert durch dieses Forschungsvorhaben ein EU-Projekt (Projektnummer ENK6-CT-2001-00507; 1.12.2001 – 31.11.2004) gestartet, in dem Wärmeträgerfluide mit integrierten Phasenwechselmaterialien entwickelt werden. Die Möglichkeiten, Wärmeträgerfluide in einem engen Temperaturbereich zu optimieren, bietet insbesondere für Anwendungen der Kälteindustrie ein enormes Potential. Auch hier war die Mikroverkapselung die Schlüsseltechnologie, die als Ausgangsbasis für die erste Generation dieser Fluide dient.

9 Patente

EP 1,029,018 erteilt 5.9.2001: „Verwendung von Mikrokapseln als Latentwärmespeicher“, auch US 6,200,681 erteilt 13.3.2001: „Application of microcapsules as latent heat accumulators

Patentanmeldung DE 10139171 am 7.9.2001: „Verwendung von Mikrokapseln in Gipskartonplatten“

Patentanmeldung DE 10163162: „Mikrokapseln mit anorganischen festen Teilchen“

Patentanmeldung DE 10221222: „Flammenhemmende Ausrüstung von organischen Latentwärmespeichermaterialien enthaltenden Gegenständen“

10 Veröffentlichungen

E. Jahns, Microencapsulated phase change materials, Proceedings of the 4th IEA ECES IEA Annex 10 Workshop, Benediktbeuern (Germany), 1999.

E. Jahns: „Latentwärmespeicher in der Bautechnik“, Vortrag beim Deutschen Kältetechnischen Verein im VDI, 11.11.2003, Ortgruppe Mannheim

E. Jahns: „Mikroverkapselte PCM: Herstellung, Eigenschaften, Anwendungsgebiete“, ZAE-Symposium, 04.03.2004, Garching

E.Jahns: „Mikroverkapselte Latentwärmespeicher“, Statusseminar SolarBau, 05.05.2004, Freiburg


124

E. Jahns, J. Burger: „Micro-encapsulated Phase Change Materials ? Manufacture, Properties and Utilization”, INTC-Conference, 22.09.2004, Toronto

P. Schossig, H.-M. Henning, A. Raicu,“Mikroverkapselte Phasenwechselmaterialien in Wandverbundsystemen“,11. Symposium Thermische Solarenergie OTTI Technologie-Kolleg, Staffelstein 2001, S.287-S.292

P. Schossig, H.-M. Henning, A. Raicu, T. Haussmann, „Mikroverkapselte Phasenwechselmaterialien in Wandverbundsystemen zur Komfortsteigerung und Energieeinsparung“, 12. Symposium Thermische Solarenergie OTTI Technologie-Kolleg, Staffelstein 2002, S.169-S.173

T. Haussmann, H.M. Henning, P. Schossig, Phase change materials in wall integrated systems, Proceedings of the 2nd Workshop of IEA ECES IA Annex 17, Ljubljana (Slovenia), 2002.

P.Schossig, H.-M. Henning, T.Haussmann, A.Raicu, “Phase change materials in constructions”, Phase Change Material Slurry Scientific Conference and Business Forum, 23-26.April 2003 Yverdon-les-bains Switzerland, Proceedings Page 33-43

P.Schossig, H.-M. Henning, T.Haussmann, A.Raicu,” Encapsulated Phase-Change Materials integrated into constructions materials”, 9th International Conference on Thermal Energy Storage, FUTURESTOCK 2003, Warsaw, POLAND September 1-4, 2003

P.Schossig, H.-M. Henning, T.Haussmann: „Überblick Verbundprojekt Mikroverkapselte Phasenwechselmaterialien in Wandverbundsystemen“, ZAE-Symposium, 04.03.2004, Garching

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Abbildungsverzeichnis Abbildung 4-1: Schematische Darstellung der Grundidee des Einbringens von

mikroverkapselten Phasenwechselmaterialien in Baustoffe ...................9 Abbildung 6-1: Verschiedene Näherungen der Schmelzwärmefunktion...............12 Abbildung 6-2: Schematischer Wandaufbau mit verschiedenen Möglichkeiten der

Einbringung des Phasenwechselmaterials...........................................12 Abbildung 6-3: Verlauf der Oberflächentemperaturen der Außenwand für

Schmelztemperaturen von 19°C und 12°C.........................................13 Abbildung 6-4: Verlauf der Oberflächentemperaturen an der Innenwand mit PCM

im Außenputz mit den Schmelztemperaturen von und 19°C 12°C .....14 Abbildung 6-5: Simuliertes Einfamilien-Wohnhaus ..............................................15 Abbildung 6-6: Simuliertes Standardbüro ...........................................................16 Abbildung 6-7: Verlauf der Wandtemperaturen ein einem Leichtbau-Büro mit und

ohne PCM.........................................................................................17 Abbildung 6-8: Verlauf der Innenraumlufttemperatur im gleichen Zeitraum mit und

ohne PCM im Innenputz....................................................................17 Abbildung 6-9: Verlauf der aus obigen Temperaturen resultierenden empfundenen

Temperatur .......................................................................................18 Abbildung 6-10: Materialklassen von Phasenwechselmaterialien für verschiedne

Temperaturbereiche ..........................................................................22 Abbildung 6-11: mikroverkapseltes PCM unter dem Lichtmikroskop. Die Kapseln

haben einen Durchmesser von 2-20µm..............................................23 Abbildung 6-12: PCM kann sowohl als Dispersion oder nach Sprühtrocknung als

Pulver geliefert werden......................................................................24 Abbildung 6-13: Zyklierung der mikroverkapselten Paraffine...............................27 Abbildung 6-14: Brandschachttest des PCM-Gipsputzes mit und ohne

Brandschutzmaßnahmen ...................................................................30 Abbildung 6-15: Mit maxit clima 26 ausgestattete Büroräume im Maxit-

Verwaltungsgebäude in Breisach .......................................................31 Abbildung 6-16: Einbau der PCM-Spachtelmasse in ein Wohnzimmer des 3-L

Hauses der Luwoge in Ludwigshafen .................................................36


127

Abbildung 6-17: Mit PCM-Spachtelmasse ausgestattetes Büro im Neubau des Fraunhofer ISE. ................................................................................. 39

Abbildung 6-18: Versuchsreiche mit offenen Regalen als Möblierung in den Testzellen am Fraunhofer ISE. Die opaken Flächen sind mit PCM-Spachtelmasse belegt........................................................................ 40

Abbildung 6-19: Schematische Darstellungen des Testaufbaus ........................... 49 Abbildung 6-20: Photo der Plattenapparatur ...................................................... 50 Abbildung 6-21: Schema der beiden verwendeten Messmethoden..................... 51 Abbildung 6-22: Temperaturverlauf maxit 10% bei Messung nach Variante 1 .... 52 Abbildung 6-23: Wärmeströme Maxit 10% bei Messung nach Variante 1 .......... 53 Abbildung 6-24: Wärmstrommessung mit neuerem PCM ................................... 53 Abbildung 6-25: Temperatur und Leistung bei Messung nach Methode 2........... 54 Abbildung 6-26: Aus Abbildung 6-25 bestimmte Schmelzwärmefunktion H(T) ... 55 Abbildung 6-27: Schematische Darstellung des Temperaturverlaufs in der Probe

beim Aufheizen der Probe................................................................. 55 Abbildung 6-28: Verschiebung des Maximums durch Heizleistung...................... 56 Abbildung 6-29: Verschiebung beider Maxima ................................................... 56 Abbildung 6-30: Messung nach Methode 1 mit aktuellem PCM-Material (2003). 57 Abbildung 6-31: 3-L Haus der LUWOGE in Ludwigshafen nach vollendeter

Renovierung ..................................................................................... 58 Abbildung 6-32: Verlauf der Wandtemperaturen im 3-Liter Haus im Sommer 2001

........................................................................................................ 58 Abbildung 6-33: Häufigkeitsverteilung der Temperaturen im Mai 2001 .............. 59 Abbildung 6-34: Häufigkeitsverteilung der Temperaturen August-September 2001

........................................................................................................ 60 Abbildung 6-35: Häufigkeitsverteilung der Temperaturen im Mai 2002 .............. 60 Abbildung 6-36: Wandtemperaturen der Räume in Holzkirchen ......................... 61 Abbildung 6-37: DSC-Messung des PCM Putzes aus Holzkirchen........................ 61 Abbildung 6-38: Für REM gespatterte Probe....................................................... 62 Abbildung 6-39: REM-Aufnahme Putz Holzkirchen............................................. 63 Abbildung 6-40: REM-Aufnahme Putz Merdingen.............................................. 64 Abbildung 6-41: DSC Melaminharzkapselpulver ................................................. 64 Abbildung 6-42: DSC Melaminharzkapseln in Putz ............................................. 65 Abbildung 6-43: Ein Teil der Sensorik im ISE Neubau) ......................................... 67 Abbildung 6-44: Einbringen des PCM-Putzes von Maxit)..................................... 68 Abbildung 6-45: Lufttemperaturen am Testwochenende .................................... 68 Abbildung 6-46: Wandtemperaturen Maxitraum 18.11 ...................................... 69 Abbildung 6-47: Wandtemperaturen ISE Neubau 10.3.2002 .............................. 69 Abbildung 6-48: Wandtemperaturen ISE Neubau Juni 2002 ............................... 70 Abbildung 6-49: Fassadenteststand des Fraunhofer ISE - Blick auf die Südseite ... 71 Abbildung 6-50: Schnitt durch die Testkabinen mit Blick nach Norden................ 72 Abbildung 6-51: Fassadenteststand des Fraunhofer ISE – Innenansicht................ 72 Abbildung 6-52: Fassadenelement einer Kabine ................................................. 73 Abbildung 6-53: Horizontoskopaufnahme der oberen Kabine in der Fensterebene

(Referenz) ......................................................................................... 74 Abbildung 6-54: Horizontoskopaufnahme der unteren Kabine in der Fensterebene

(PCM) ............................................................................................... 74 Abbildung 6-55: Lüftung in den Testzellen ......................................................... 75


128

Abbildung 6-56: Durch Tracergasmessung ermittelte Luftwechselraten ohne zusätzliche Lüftung und mit zusätzlicher Lüftung (Lüftungsstufe:1 – 4)..........................................................................................................76

Abbildung 6-57: Kabine mit geschlossener Jalousie.............................................77 Abbildung 6-58: Beispielhafte Thermografieaufnahme des unteren

Fassadenbereiches der Referenzkabine (Kabine 5) vor der zusätzlichen Abdichtung .......................................................................................79

Abbildung 6-59: Ansicht der Kabinen 1 und 5 mit Holzkappen vor der Fassade – Ausstattung im Falle der Dunkelmessungen .......................................81

Abbildung 6-60: Ausschnitt der fertig gestellten Testzelle mit PCM-Spachtelmasse.........................................................................................................82

Abbildung 6-61: Rissbildung in der PCM-Spachtelmasse .....................................82 Abbildung 6-62: REM Aufnahme der DAW Spachtelmasse .................................84 Abbildung 6-63: Vergleich der Wandtemperaturen in der Kabine mit PCM im

Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 14.06.2002 bis 21.06.2002 .......................................................................................85

Abbildung 6-64: Vergleich der a.) Wandtemperaturen und b.) Raumlufttemperaturen in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 24.07.02 bis 31.07.2002........86

Abbildung 6-65: Vergleich der Lufttemperaturen in der PCM-Zelle und der Referenzzelle und Verlauf der Temperaturen in der Putzschicht mit PCM Zusatz (Schicht_1- Sensor an der Putzoberfläche, Schicht_2 - Sensor in der Putzmitte, Schicht_3 - Sensor an der Putzunterseite .....................87

Abbildung 6-66: Vergleich der Lufttemperaturen in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 24.08.02 bis 31.08.2002 .......................................................................................88

Abbildung 6-67: Kumulative Häufigkeitsverteilung der Raumlufttemperaturen in der Testzelle mit PCM im Vergleich zur Referenzzelle, während der Zeitspanne 14.08.2002 bis 03.09.2002 bei geregelter Verschattung der Fenster ..............................................................................................89

Abbildung 6-68: Häufigkeitsverteilung der Wandtemperaturen in der Testzelle mit PCM im Vergleich zur Referenzzelle, während der Zeitspanne 14.08.2002 bis 03.09.2002 bei geregelter Verschattung der Fenster ..89

Abbildung 6-69: Vergleich der Wandtemperaturen (19a.) und Lufttemperaturen (19b.) in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 20.03.2002 bis 27.03.2003 ......................................90

Abbildung 6-70: Messzelle mit massivem Schrank...............................................91 Abbildung 6-71: Vergleich der Wandtemperaturen in der PCM-Kabine im

Vergleich zur Referenzkabine, ohne Möblierung davor (N Wand) und mit Möblierung (W Wand).................................................................92

Abbildung 6-72: Vergleich der Raumlufttemperaturen in der PCM-Kabine im Vergleich zur Referenzkabine für die Zeitspanne 23.11. bis 29.11.2003 (mit Möblierung) ...............................................................................93

Abbildung 6-73: Testzelle mit offenem Regal......................................................94 Abbildung 6-74: Vergleich der Wandtemperaturen in der PCM-Kabine im

Vergleich zur Referenzkabine, ohne Regale davor (N Wand) und mit Regalen (W Wand) ............................................................................94

Abbildung 6-75: Aufspritzen des PCM-Putz auf den vorbereiteten Untergrund in der Testzelle ......................................................................................98

Abbildung 6-76: Ausschnitt der fertig gestellten Testzelle mit PCM Putz .............98


129

Abbildung 6-77: REM Aufnahme des PCM-Gipsputzes ..................................... 102 Abbildung 6-78: Vergleich der Wandtemperaturen in der Kabine mit PCM im

Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 11.07.2003 bis 17.07.2003..................................................................................... 103

Abbildung 6-79: Vergleich der Lufttemperaturen in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 11.07.2003 bis 17.07.2003..................................................................................... 103

Abbildung 6-80: Vergleich der Raumlufttemperaturen in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 16.08.03 bis 20.08.2003..................................................................................... 104

Abbildung 6-81: Vergleich der Wandtemperaturen in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 16.08.03 bis 20.08.2003..................................................................................... 104

Abbildung 6-82: Vergleich der Lufttemperaturen in der Kabine mit PCM im Vergleich zur Referenzkabine in der Zeitspanne vom 23.08.02 bis 30.08.2002..................................................................................... 105



Abbildung 6-85: Kumulative Häufigkeitsverteilung der Wandtemperaturen in der Testzelle mit PCM im Vergleich zur Referenzzelle, während der Zeitspanne 01.09.2002 bis 30.09.2002 bei geregelter Nachtlüftung ohne Verschattung.......................................................................... 107

Abbildung 6-86: Häufigkeitsverteilung der Wandtemperaturen während den Arbeitsstunden von 08.00 bis 18.00 Uhr in der Testzelle mit PCM im Vergleich zur Referenzzelle, während der Zeitspanne 01.09.2003 bis 30.09.2003 bei geregelter Nachtlüftung ohne Verschattung............ 108

Abbildung 6-87: Zyklierungsapparatur des Fraunhofer ISE ................................ 110 Abbildung 6-88: Nord-Bewitterungsteststand am Fraunhofer ISE...................... 111 Abbildung 6-89: Probenaufbau Bewitterungsteststand Außenputz ................... 112 Abbildung 6-90: Bewitterung 8mm Proben 10°-Effekt...................................... 113 Abbildung 6-91: Bewitterung 8mm Proben 6°-Effekt........................................ 113 Abbildung 6-92: Betauungsdauer auf den 3mm Proben ................................... 114 Abbildung 6-93: Betauungsdauer auf den 8mm Proben ................................... 114 Abbildung 6-94: Prozentuale Abweichung der Betauungsdauer von der jeweiligen

Referenz ......................................................................................... 115 Abbildung 6-95: Testzelle am Fassadenteststand des ISE – Geometrieeingabe in

esp-r ............................................................................................... 117 Abbildung 6-96: Vergleich simulierter und gemessener Raumlufttemperaturen in

der Referenzkabine für die Zeitspanne 28.07. bis 10.08.2002.......... 119 Abbildung 6-97: Vergleich simulierter und gemessener Raumlufttemperaturen in

der PCM Kabine für die Zeitspanne 05.08. bis 09.08.2002 (zum Vergleich: Raumlufttemperatur in der Referenzkabine) .................... 120

Abbildung 6-98: Auswirkung des PCM-Putzes auf das Raumklima einer Testzelle (Messwerte) im Vergleich zu Ziegelmauerwerk (Simulation) ............. 121


130

Tabellenverzeichnis Tabelle 6-1: Matrix der untersuchten Proben ......................................................65 Tabelle 6-2: Latente Wärmespeicherfähigkeit der DAW Spachtelmasse ...............84 Tabelle 6-3: Latente Wärmespeicherfähigkeit des maxit Gipsputzes...................101 Tabelle 6-4: Enthalpie gemessen nach jeweils 1000 Zyklen................................110 Tabelle 6-5: Übersicht Schichtaufbau und Schmelzaufbau der Bewitterten Proben

.......................................................................................................112

Documents

Abschlussbericht zum Verbundforschungsvorhaben · PCM) im Wandaufbau selektiv in einem gewünschten Temperaturbereich das Wärmespeichervermögen des Gebäudes erhöhen ist nahe liegend,