PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nichttga-kongress.de/wp-content/uploads/2016/04/21_Rosenbaum.pdf · Alle raumzugewandten Putzschichten (Außenwand, Decke, Innenwand)

Hannes Rosenbaum, ILK Dresden1

PCM-Systeme im Gebäude:

aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von

PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe

für die technische Planung

Hannes Rosenbaumwiss.-techn. Mitarbeiter im Bereich Klimatechnik

ILK Dresden

Fachverband

Gebäude-Klima e. V.

Berlin, 14./15. April 2016


Überblick

Fragen der Planung

PCM-Systeme

Dynamische Gebäudesimulation mit TRNSYS

• Typräume und Lastprofile (nach DIN V 18599-10 und DIN EN 15251)

• Gebäudehülle und Standorte

• Modellierte PCM-Systeme

• Berechnete Kennwerte und Jahresgänge

Einordnung der Simulationsergebnisse

• nach Raumnutzung, -lasten und -belegung

• nach Gebäudehülle und Standort

• PCM-Nachrüstung vs. Optimierung Gebäudehülle

Fazit: PCM – ja oder nein

PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische Planung

Überblick


Fragen der Planung

für die Anwendung verfügbare/ geeignete PCM-Materialien / –systeme?

Wirkungsweise von PCMs im Jahresgang?

• auf Lastverläufe, Spitzenlasten und Energiebedarf

• auf Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit der Raumtemperierung

• Einfluss von Standort, Witterung, Last-/ Nutzerprofil, Raumgröße,

Belegung und Gebäudehülle?

ganzjährig PCM-Aktivierung (auch in Nichtnutzungszeiten) möglich?

PCM in RLT-Geräten oder PCM in Raumumschließungsflächen oder

Gebäudehülle – was ist besser?

Welchen energetischen und wirtschaftlichen Vorteil besitzen PCMs

gegenüber konventionellen oder alternativen Systemen?

Nachrüstung von PCM-Systemen in Gebäude oder Anlagen sinnvoll?

Langzeitstabilität und Materialverträglichkeit von PCMs?


Fragen der Planung



PCM-Systeme

KW-Speicher

Mit PCM

Kühldecke mit PCM

Inn

en

wa

nd

mit P

CM

Dezentrales Fassadengerät mit PCM

Kühldecke ohne PCM

Dezentrales Fassadengerät ohne PCM

RLT-Gerät mit PCM

RLT-Gerät ohne PCM

Rückkühler mit/ohne PCM

Ro

hrle

itu

ng

mit/o

hn

e P

CM

PCM-Systeme

Mikroverkapseltes PCM in Gipskarton (Micronal®), [Quelle: Micronal]

Fassadenlüftungsgerät mit PCM [Quelle: TROX]

Ice-Slurry (pumpfähig) [Quelle: ILK Dresden]

aktive PCM-Systemepassives PCM-System

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/2/21/Slurry_ice_under_microscope.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/2/21/Slurry_ice_under_microscope.jpg


Simulation: Typräume und Lastprofile nach DIN V 18599 und DIN EN 15251


Einzelbüro Besprechung Klassenzimmer Hörsaal

Fläche, mittlere Belegung 14 m²; 1 Person 45 m², 15 Personen 90 m², 30 Personen 500 m², 500 Pers.

Nutzungs-/ Belegungszeit Mo–Fr 7 bis 18 Uhr250d/a

Mo–Fr 8 bis 15 Uhr250d/a

Mo–Fr 8 bis 18 Uhr

Betriebszeit Anlagen werktags 5 bis 18 Uhrwerktags (außer

Ferien) 6 bis 15 Uhrwerktags (außer

Ferien) 6 bis 18 Uhr

Hygienischer Luftwechsel 25,2m³/h pro Person zuzüglich 2,25 m³/hm², angesetzt (bei Belegung)

Beleuchtung + Arbeitshilfen 15 W/m² + 150 W 15 W/m² + 360 W 15 W/m² + 2000 W

Sonstige VorgabenGleichzeitigkeit der Einzellasten berücksichtigt, Strahlungsabhängige Ansteuerung für

Kunstlicht und Verschattung, Nachbarräume jeweils identisch

Temperatursollwert Innerhalb der RLT- Betriebszeit: 20 °C < tRaum < 26 °C Außerhalb der RLT-Betriebszeit: frei schwingend, jedoch 15 °C < tRaum < 30 °C

OPTION: Aktives PCM (marktübliche Masse 30 kg Sodium-Acetat je 150 m³/h Nennluftmenge)

Schmelzbereich zwischen 25 und 26 °C, Wärmekapazität bei Phasenwechseltemperatur 241,6 kJ/kg, 3,05 kJ/(kg K) unterhalb und 3,31 kJ/(kg K) oberhalb des Schmelzbereiches

Anordnung des PCM in 4 mm dicken Stacks (angelehnt an PCM-dotierte Graphitplatten)

12 kg 96 kg 192 kg 2740 kg

StrömungsquerschnittDezentrale RLT-Geräte

L/B-Verhältnis Stack-Anströmung 0,1…0,5Zentrales Klimagerät

L/B-Verhältnis Stack-Anströmung ca. 1,3



Simulation: Altbau / Neubau – Hamburg / Freiburg (TMY)


Gebäudehülle Neubau Gebäudehülle sanierter Altbau

Außenwand

U-Wert = 0,200 W/m²KKalkzementputz, Stahlbeton, Mineralwolle WLG

040, Aluminiumblech Windschutz, Ruhende Luftschicht, Glas (Verblendung)

U-Wert = 0,620 W/m²KKalkzementputz, Vollziegel Mauerwerk,

Wärmedämmputz WLG 050

GeschossdeckeU-Wert = 0,625 W/m²K

Gipskarton (Abhangdecke), ruhende Luftschicht, Stahlbeton, PS- Wärmedämmung (040), Zementestrich

InnenwandU-Wert = 0,777 W/m²K

Gasbetonziegel, beidseitig KalkzementputzU-Wert = 1,385 W/m²K

Vollziegel-Mauerwerk, beidseitig Kalkzementputz

Fenster(Südaus-richtung)

Sonnenschutzverglasung (g = 0,298)15% Rahmenanteil, 0,8 AußenverschattungU-Wert = 1,3 W/m²K, 25% der Außenwand

Wärmeschutzverglasung (g = 0,589)15% Rahmenanteil, 0,5 InnenverschattungU-Wert = 1,4 W/m²K, 25% der Außenwand

Infiltration 0,2-facher Luftwechsel 0,4-facher Luftwechsel

OPTIONPassives PCM

Alle raumzugewandten Putzschichten (Außenwand, Decke, Innenwand) werden durch 30 mm PCM-Gipsputz Maxit Clima mit PCM-Gehalt von 20 % ersetzt (idealisierte Annahme):

(Schmelzbereich 23…26°C, Wärmekapazität bei Phasenwechseltemperatur 18 kJ/kg, sonst 1 kJ/kgK)




RLT-Betriebszeit nach DIN V 18599-10 Außerhalb der Betriebszeit nach DIN V 18599-10

PCM als potentieller Energiespeicher

Bypassbetrieb ohne PCM-Beaufschlagung

Aktivierung des PCM Außer Betrieb

wenn taußen ≥ 5 °C wenn taußen < 5 °Cwenn tPCM > taußen

und tPCM > tRaum

wenn tPCM ≤ taußen

oder tPCM ≤ tRaum

Außenluft passiert auf dem Weg in den Raum das PCM

Außenluft umgeht auf dem Weg in den Raum das PCM

Außenluft passiert nur PCM, Raum nicht

beaufschlagt

kein Luftstrom

Lufteintrag in den Raum durch Infiltration und hygienischen Mindestluftwechsel mit:

Lufteintrag in den Raum durch Infiltration mit:

tkorrigiert = {tPCM…taußen} tkorrigiert = taußen tLuft, inf. = taußen tLuft, inf. = taußen

TRNSYS-Modell

Type 241: passives PCM (Institut für Wärmetechnik, TU Graz)

Type 840: aktives PCM (Institut für Wärmetechnik, TU Graz) + Type 91

Nachtlüftung und Bypass (Tabelle) nur für aktives PCM

Be-/ Entladung des PCM ausschließlich mit Raum-, Außen- oder Zuluft




-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

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24

26

28

30

32

0 672 1344 2016 2688 3360 4032 4704 5376 6048 6720 7392 8064 8736

Tem

pe

ratu

r in

°C

Stunden

Verlauf der frei schwingenden Raumtemperatur (gleitender Mittelwert über 24 h) im Büroraum (Hamburg)

Außentemperatur Hamburg

sanierter Altbau, ohne PCM

sanierter Altbau, passives PCM

sanierter Altbau, aktives PCM

Neubau, ohne PCM

Neubau, passives PCM

Neubau, aktives PCM

Simulationsergebnisse:

Außenluft- und freischwingende Raumtemperatur



0

200

400

600

800

1000

1200

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1600

1800

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

Mo

me

nta

n-

He

izla

st i

n W

Heiz- Stunden

Beeinflussung der Momentan- Heizlast aktives PCM in RLT-Geräten (Büroraum Hamburg)

Neubau, ohne PCM sanierter Altbau, ohne PCM Neubau, mit PCM sanierter Altbau, mit PCM

0

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0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

Mo

me

nta

n-

He

izla

st i

n W

Heiz- Stunden

Beeinflussung der Momentan- Heizlast durch passive PCMs in Wänden (Büroraum Hamburg)

Neubau, ohne PCM sanierter Altbau, ohne PCM Neubau, mit PCM sanierter Altbau, mit PCM

0

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400

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0 200 400 600 800 1000 1200

Mo

me

nta

n-

Kü

hlla

st i

n W

Kühl- Stunden

Beeinflussung der Momentan- Kühllast durch aktives PCM in RLT-Geräten (Büroraum Hamburg)

sanierter Altbau, ohne PCM sanierter Altbau, mit PCM Neubau, ohne PCM Neubau, mit PCM

0

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1000

1200

0 200 400 600 800 1000 1200

Mo

me

nta

n-

Kü

hlla

st i

n W

Kühl- Stunden

Beeinflussung der Momentan- Kühllast durch passive PCMs in Wänden (Büroraum Hamburg)

sanierter Altbau, ohne PCM sanierter Altbau, mit PCM Neubau, ohne PCM Neubau, mit PCM

Lastverteilung

Spitzenlasten

Jahres-Nutzenergiebedarf

Statistische

Auswertung

Simulationsergebnisse:

Spitzenlasten (-verteilung) und Jahresenergiebedarfe



Ergebnisse aus 48 Rechengängen:4 Typräume, jeweils 2 Gebäudehüllen, jeweils 2 Standorte, jeweils 3 Varianten: aktives, passives und kein PCM

Passive PCMs dämpfen kurzfristige Raumtemperaturschwankung

Aktive PCM dämpfen Temperaturschwankung in technischer Anlage

Im Vergleich geringer PCM-Einfluss auf Heizlast und Jahresheizenergie:

• Altbau: leichte Verbesserung

• Neubau: z. T. Verschlechterung bei passiven PCMs(Grund ist erhöhte thermische Trägheit bei gleicher Aufheizzeit)

Deutlicher PCM-Einfluss auf Kühllast und Jahreskühlenergie (Spitzenlasten und Energiebedarfswerte deutlich reduziert)




0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

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100%

110%

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130%

Büro Freiburg Büro Hamburg Sitzungsraum Freiburg

Sitzungsraum Hamburg

Klassenraum Freiburg

Klassenraum Hamburg

Hörsaal Freiburg Hörsaal Hamburg

PCM-Einfluss auf Nutzenergiebedarf Kühlen (ohne PCM = 100 %)

sanierter Altbau ohne PCM Neubau ohne PCM sanierter Altbau passives PCM Neubau passives PCM sanierter Altbau aktives PCM Neubau aktives PCM

zunehmende Belegungsdichte

ohne PCM

passives PCM

aktives PCM

Energetisches Potential

aktives vs. passives PCM nach Raumnutzung



0%

10%

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130%




Klassenraum Hamburg


PCM vs. Gebäudehülle: Nutzenergiebedarf Heizen(Vergleichswert: sanierter Altbau ohne PCM = 100 %)

sanierter Altbau ohne PCM

Nachrüstung passives PCM-System ohne energetische Sanierung der Gebäudehülle

Nachrüstung aktives PCM-System ohne energetische Sanierung der Gebäudehülle

energetische Sanierung der Gebäudehülle ohne Nachrüstung eines PCM-Systems

energetische Sanierung der Gebäudehülle und Nachrüstung eines passiven PCM-Systems

energetische Sanierung der Gebäudehülle und Nachrüstung eines aktiven PCM-Systems

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

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130%




Klassenraum Hamburg


PCM vs. Gebäudehülle: Nutzenergiebedarf Kühlen(Vergleichswert: sanierter Altbau ohne PCM = 100 %)

sanierter Altbau ohne PCM

Nachrüstung passives PCM-System ohne energetische Sanierung der Gebäudehülle

Nachrüstung aktives PCM-System ohne energetische Sanierung der Gebäudehülle

energetische Sanierung der Gebäudehülle ohne Nachrüstung eines PCM-Systems

energetische Sanierung der Gebäudehülle und Nachrüstung eines passiven PCM-Systems

energetische Sanierung der Gebäudehülle und Nachrüstung eines aktiven PCM-Systems

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

san. Altbau

analog Neubau

aktives/passives PCM vs. optimierte Gebäudehülle



Tendenzen für genannte Randbedingungen:

…nach Typraum:

• geringe Belegungsdichte (Büro): tendenziell passive PCM besser

• hohe Belegungsdichte (Hörsaal): tendenziell aktive PCM besser

…nach Gebäudehülle:

• Altbau: tendenziell passive PCM besser

• Neubau: tendenziell aktive PCM besser

…nach Klimabedingungen: aktive/passive PCM-Systeme gleichwertig

PCM-Nachrüstung vs. zusätzlicher energetischer Optimierung der Gebäudehülle:

• Energetische Effekte für Heizen und Kühlen jeweils sehr unterschiedlich

• Abhängig von Raumtyp, Gebäudehülle, Standort

• Einzelfallprüfung erforderlich und für Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nötig

PCMs aus energetischer Sicht generell sinnvoll

Verallgemeinerung erfordert vertiefende Analysen




Analyseempfehlungen:

vertiefende Einzelfallprüfungen zu energetischen Effekten von PCM-

Systemen unter Variation:

• Dicke statischer PCM-dotierter Bauteile und Flächenanteil im Raum

• Dicke und Anzahl der PCM-Stacks in RLT-Gerät

• Speichermasse und Eigenschaftspotential • Wärmekapazität

• Schmelzwärme

• Schmelztemperaturbereich

• Methoden und Regelungsstrategien zum Ein-/ Auskoppeln von Energie in/aus PCM

• Zeitraum für aktive Nachtlüftung bzw. Aktivierung

• weitere/andere Energieträger für Aktivierung (Kaltwasser, PCM-Slurry)

• Messtechnische Analysen, Ergänzung bekannter Berechnungsalgorithmen

Wirtschaftlichkeitsanalysen

• in Abhängigkeit von realisierbarer Energieeinsparung durch PCM-Systeme

• Berücksichtigung möglicher alternativer energieeffizienter Anlagentechnik ohne PCM

Fazit: PCM ja oder nein?


PCM-Systeme im Gebäude:

aktiv, passiv oder gar nicht ?

… aus energetischer Sicht immer eine Überlegung wert…

Hannes Rosenbaumwiss.-techn. Mitarbeiter im Bereich Klimatechnik

Institut für Luft- und Kältetechnikgemeinnützige Gesellschaft mbH

Bertolt-Brecht-Allee 20, 01309 Dresden

Tel.: +49 351 / 4081-650

Fax: +49 351 / 4081-655

E-Mail: [email protected]

www: www.ilkdresden.de

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