Was sind eigentlich PCM/Latentwärmespeicher?
PCM steht für Phase Change Material und bezeichnet Materialien, die große Mengen Wärme durch Phasenwechsel speichern können. Gegenüber konventionellen Speichermedien wird die Energie nicht als fühlbare („sensible“) Wärme gespeichert (z. B. beim Warmwasserspeicher), sondern durch den Wechsel des Aggregatzustandes, meist von fest zu flüssig (z. B. Eis zu Wasser). Erreicht die Umgebung den Temperaturbereich des Phasenwechsels, erfolgt eine Wärmeaufnahme ohne gleichzeitige Erhöhung der Temperatur des Materials – die Wärme wird „latent“ gespeichert. So werden im Kältemanagement Eisspeicher wegen ihrer im Vergleich zu Kaltwasserspeichern größeren Effizienz für die Gebäudeklimatisierung eingesetzt. Im Alltag sind PCM bekannt durch die Verwendung in Wärmekissen und Kühlakkus.
Die gespeicherte Wärmemenge (Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme) ist um ein Vielfaches größer als die Wärme, die die Materialien ohne Phasenwechsel aufnehmen können. Daher kann bei vielen Materialien schon bei einer geringen Temperaturänderung um wenige Grad (10 K) eine bis zu 10-fach höhere Speicherdichte als mit sensibler Wärmespeicherung erzielt werden. Im Phasenübergang fest-flüssig z. B. können in einem kleinen Temperaturintervall, abhängig vom Material, etwa 100 bis 600 kJ/kg gespeichert werden. Die spezifische Wärmekapazität im sensiblen Speicher, etwa einer Mauerwerks- oder Betonwand, beträgt dagegen nur ca. 0,5 bis 4 kJ/(kgK). Bei einer Temperaturdifferenz von 10° C entspricht dies einer sensibel Wärmespeicherung von lediglich 5 bis 40 kJ/kg.
Für die Anwendung in Bausystemen kommen Materialien in Frage, die mit ihren Schmelzpunkten den Bereich der normalen Raumtemperaturen abbilden. Abhängig vom Einsatzbereich werden PCM nach ihren Phasenübergangstemperaturen eingesetzt: von wässrigen Salzlösungen (Schmelzpunkt unter 0° C) über Wasser im Bereich der Kältespeicherung bis zu Salzhydraten und Paraffinen mit Schmelzpunkten um 40° C für die Speicherung von Wärmeenergie, für die Warmwasser- und Heizwasserbereitung auch bis 60° C. Die Integration von PCM in Bauteile ist auf den Temperaturbereich von 21° bis 26° C fokussiert.
Paraffine sind organische Kohlenwasserstoffverbindungen und lassen sich gut in verschiedene Baustoffe integrieren. Sie verfügen über einen guten Wärmeübertrag durch ein hohes Oberflächen-/Volumen-Verhältnis. Salzhydrate sind anorganische Salze mit Kristallwasser. Sie haben eine höhere volumenbezogene Energiedichte und sind nicht brennbar. Die Mikroverkapselung von Salzhydrat und Ansätze zur Mesoverkapselung sind noch Gegenstand der Forschung.
Die meisten Anwendungen im Bauwesen dienen der Pufferung von Temperaturzyklen im Gebäude. Vorteile von PCM sind einerseits die fehlende Temperaturerhöhung im Bauteil, die Stillstandsverluste minimiert (kein Wärmeverlust an die Umgebung) und damit auch die temperaturneutrale Möglichkeit der Pufferung von Temperaturspitzen bietet, und andererseits die größere Effektivität in der Speicherung durch höhere Speicherdichte.
In Gebäuden können PCM in drei Bereichen zur Anwendung kommen: durch Beimengung direkt integriert in die Gebäudestruktur (Wand oder Decke), als Bestandteil von Gebäudeelementen (Fassade) und separat in Wärme- und Kältespeichern.
Die beiden ersten, passiven Systeme sind in der Lage, Wärme und Kälte automatisch zu speichern und wieder abzugeben. Für die Speichertechnologie werden aktive Komponenten wie Lüfter oder Pumpen benötigt.
Unter Beachtung des Brandschutzes und wegen des Erhalts der mechanischen Festigkeit auch in geschmolzenem Zustand werden PCM eingekapselt verbaut. Mit mikroverkapseltem Paraffin bietet die Industrie Verbundbauplatten an, die durch die zeitverzögerte Abgabe der gespeicherten Wärme- oder Kälteenergie die energieeffiziente Raumklimatisierung unterstützen.
Insbesondere bei Bürobauten können aufgrund des stark schwankenden Tag-/Nacht-Lastprofils PCM Materialien im Leichtbau eingesetzt werden. Auch Estrichen oder Spachtelmassen und Putzen können PCM-Mikrokapseln beigemischt werden. I.S.
