Heizen über Phasenwechsel

  • 02. December 2016

Bauteile aus Phasenwechselmaterialien können Raumklima passiv regulieren.

Abends ist es mollig warm im Wohn­zimmer. Doch betritt man den Raum am Morgen, ist er ausgekühlt. Es dauert erst wieder seine Zeit, bis die Heizung in Schwung gekommen ist und die Raumluft aufgewärmt hat. Phasen­wechsel­materialien – Medien aus Salzen oder orga­nischen Verbin­dungen, die Wärme speichern – können solche Temperatur­unter­schiede ausgleichen. Auch Temperatur­spitzen an heißen Sommer­tagen in Innen­räumen lassen sich abmildern.

Abb.: Der Würfel aus Phasenwechselmaterial (PCM) behält eine Temperatur von 21 Grad, bis er komplett geschmolzen ist. (Bild: Fh.-ICT)

Abb.: Der Würfel aus Phasenwechselmaterial (PCM) behält eine Temperatur von 21 Grad, bis er komplett geschmolzen ist. (Bild: Fh.-ICT)

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Forscher des Fraun­hofer-Instituts für Chemische Techno­logie ICT in Pfinztal bei Karlsruhe haben die klas­sischen Vorteile eines geschäumten Dämm­stoffs mit den thermo­regulieren­den und thermo­speichernden Eigen­schaften von PCM in einem Bauteil kombiniert. „Die Speicher­materialien können im kleinen Temperatur­intervall ihres Phasen­wechsels von fest auf flüssig und umgekehrt große Mengen an Wärme speichern und abgeben. Durch etablierte Verfahren der Form­gebung wurden die PCM erstmals in geschäumte Platten integriert. Die Langzeit­beständig­keit dieser Bauteile gilt es noch zu erproben“, erläutert Sandra Pappert, Wissen­schaftlerin am ICT.

Als Mikro­kapseln sind Speicher­medien bereits erhältlich, sie lassen sich etwa in Wandfarbe oder Putz einrühren. Das Besondere an der neuen Techno­logie: „Statt einigen Mikrogramm wurden mehrere Gramm an Phasen­wechsel­Materialien integriert, damit erhöht sich die thermische Masse der Platte bei gleich­bleibender Dicke“, sagt Pappert. Das physi­kalische Prinzip kennt man beispiels­weise von Seen, die an klirrend kalten Tagen von einer Eisschicht überzogen sind. Obwohl die Luft deutlich kälter ist, hat das Wasser eine konstante Tempe­ratur von vier Grad Celsius und zwar so lange, bis das letzte Tröpf­chen Wasser im See zu Eis erstarrt ist. Denn die Kälte, die die Luft in den See einbringt, wird nicht dazu genutzt, das Wasser weiter hinunter zu kühlen. Sie dient dazu, das Wasser in Eis umzu­wandeln.

Diesen Effekt nutzen die Forscher, um die Tempe­ratur von Räumen zu optimieren. Läuft tagsüber die Heizung, verflüs­sigen sich die Phasen­wechsel­materialien und speichern einen Teil der Wärme. Kühlt nachts die Raum­temperatur ab, erstarren sie wieder und geben die ge­speicherte Wärme an den Raum ab. Im Sommer bleiben Innen­räume angenehm kühl. Denn brennt die Sonne vom Himmel, verflüssigen sich die Mate­rialien. Dafür benötigen sie Wärme, die sie dem Raum entziehen.

Spürbar wird die größere Effek­tivität der größeren PCM-Mengen zum Beispiel während langer Hitze­perioden: Kühlt sich die Luft nachts nicht merklich ab, können die bereits flüssig gewordenen Phasen­wechsel­materialien nicht wieder erstarren. Bei den Mikro­kapseln heißt das: Irgendwann sind alle Kapseln umgewandelt und es kann keine weitere Hitze aufge­nommen werden. Nicht so jedoch wenn aus­reichende Mengen an PCM vorliegen. Diese können bei lang anhal­tenden Hitze- oder Kälte­perioden wesentlich länger für ein ange­nehmes Raum­klima sorgen. Prinzi­piell wäre es auch möglich, die gespeicherte Wärme über ein Kühl­system wieder gezielt zu entnehmen: PCM könnten so zum einen neue Wärme aufnehmen, zum anderen könnte die Wärme über einen Energie­wandler für andere Zwecke genutzt werden, etwa um das Dusch­wasser vorzu­wärmen.

Fh.-ICT / JOL

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