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23. Februar 2012 Autor: Dr.-Ing. Manfred Stahl
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Grundlagen: Raumkühlung mit Phase Change Materialien (PCM)

Der Artikel wurde im  Mai 2015 durch den Autor überprüft.
Besonders in Gebäuden mit leichter Bauweise und großen Verglasungen kommt es oft bereits bei frühlingshaften Außentemperaturen zu einem deutlichen Anstieg der Raumtemperaturen auf über 26 °C und somit zu einer thermischen Unbehaglichkeit. Daher werden in vielen solchen Bauten Systeme zur Raumkühlung eingesetzt, die aber meist zum Lufttransport und zur Kälteerzeugung viel Primärenergie verbrauchen. Eine Alternative dazu kann der Einsatz von Latentwärmespeichern oder PCM (= Phase Change Materialien) sein. PCM können große thermische Energiemengen speichern und diese bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgeben. Dadurch lassen sich in Gebäuden sommerliche Temperaturspitzen abpuffern und Kühllasten vom Tag in die Nacht verschieben. Allerdings sind die mit PCM erreichbaren Kühlleistungen deutlich geringer als die von klassischen Luft-, Luft-Wasser- und Kältemittel-Klimasystemen, und daher sind die Möglichkeiten und Rahmenbedingungen beim Einsatz von PCM zur Raumkühlung für jedes Projekt sehr genau zu prüfen.

Wie funktionieren PCM?

Latentwärmespeicherung ist die Speicherung von Wärme in einem Material, das dabei einen Phasenübergang von fest zu flüssig durchläuft. Bei der Einspeicherung von Wärme in das PCM – dies ist meist ein Salzhydrat oder ein Paraffin – beginnt das Material bei Erreichen der Temperatur des Phasenübergangs (zum Beispiel ab 24 °C) zu schmelzen und erhöht dann, trotz weiterer Einspeicherung von Wärme, während des Schmelzprozesses seine Temperatur über einen längeren Zeitraum nicht oder kaum. Erst wenn das PCM komplett geschmolzen ist, steigt dessen Temperatur weiter an (Abbildung 1).

Abbildung 1: PCM haben die Eigenschaft, bei einer Temperatur von ca. 20 bis 28 °C zu schmelzen (melting point) und können dabei bis zu 200 kJ/kg Wärme aufnehmen. (Abb. climatetechwiki.org)Abbildung 1: PCM haben die Eigenschaft, bei einer Temperatur von ca. 20 bis 28 °C zu schmelzen (melting point) und können dabei bis zu 200 kJ/kg Wärme aufnehmen. (Abb. climatetechwiki.org) 

Da das PCM beim Schmelzvorgang trotz Wärmezufuhr für längere Zeit seine Temperatur nahezu konstant beibehält, nennt man die während des Phasenübergangs eingespeicherte Wärme latente Wärme. Diese latente Wärme entspricht der Schmelzwärme des PCM und beträgt in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur und dem PCM-Material etwa 120 bis 200 kJ/kg, was etwa 30 bis 60 Wh pro kg PCM entspricht. 

Somit besteht ein großer Vorteil von PCM gegenüber anderen Speichermaterialien darin, dass sie auch bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen Umgebung (Raum) und Speichermaterial große Energiemengen aufnehmen können, diese über einen gewissen Zeitraum verlustarm speichern und dann bei Bedarf wieder abgeben. Übliche Schmelztemperaturen von PCM für Anwendungen in der Gebäudekühlung liegen zwischen etwa 20 bis 28 °C.

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