PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht?

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1 Fachverband Gebäude-Klima e. V. 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 Rosenbaum wiss.-techn. Mitarbeiter im Bereich Klimatechnik ILK Dresden Berlin, 14./15. April 216 1

2 Überblick Fragen der Planung PCM-Systeme Dynamische Gebäudesimulation mit TRNSYS Typräume und Lastprofile (nach DIN V 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 2 Überblick

3 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? 3 Fragen der Planung

4 PCM-Systeme Kühldecke mit PCM Dezentrales Fassadengerät mit PCM aktive PCM-Systeme Innenwand mit PCM passives PCM-System Fassadenlüftungsgerät mit PCM [Quelle: TROX] RLT-Gerät mit PCM Kühldecke ohne PCM Rückkühler mit/ohne PCM Rohrleitung mit/ohne PCM Dezentrales Fassadengerät ohne PCM KW-Speicher Mit PCM RLT-Gerät ohne PCM Ice-Slurry (pumpfähig) [Quelle: ILK Dresden] 4 PCM-Systeme Mikroverkapseltes PCM in Gipskarton (Micronal ), [Quelle: Micronal]

5 Simulation: Typräume und Lastprofile nach DIN V und DIN EN Einzelbüro Besprechung Klassenzimmer Hörsaal Fläche, mittlere Belegung 14 m²; 1 Person 45 m², 15 Personen 9 m², 3 Personen 5 m², 5 Pers. Nutzungs-/ Belegungszeit Mo Fr 7 bis 18 Uhr 25d/a Mo Fr 8 bis 15 Uhr 25d/a Mo Fr 8 bis 18 Uhr Betriebszeit Anlagen werktags 5 bis 18 Uhr werktags (außer Ferien) 6 bis 15 Uhr werktags (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 + 15 W 15 W/m² + 36 W 15 W/m² + 2 W Sonstige Vorgaben Temperatursollwert OPTION: Aktives PCM (marktübliche Masse 3 kg Sodium-Acetat je 15 m³/h Nennluftmenge) Strömungsquerschnitt Gleichzeitigkeit der Einzellasten berücksichtigt, Strahlungsabhängige Ansteuerung für Kunstlicht und Verschattung, Nachbarräume jeweils identisch Innerhalb der RLT- Betriebszeit: 2 C < t Raum < 26 C Außerhalb der RLT-Betriebszeit: frei schwingend, jedoch 15 C < t Raum < 3 C Schmelzbereich zwischen 25 und 26 C, Wärmekapazität bei Phasenwechseltemperatur 241,6 kj/kg, 3,5 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 274 kg Dezentrale RLT-Geräte L/B-Verhältnis Stack-Anströmung,1,5 Zentrales Klimagerät L/B-Verhältnis Stack-Anströmung ca. 1,3 5 Dynamische Gebäudesimulation mit TRNSYS

6 Simulation: / Hamburg / Freiburg (TMY) Gebäudehülle Gebäudehülle sanierter Außenwand Geschossdecke U-Wert =,2 W/m²K Kalkzementputz, Stahlbeton, Mineralwolle WLG 4, Aluminiumblech Windschutz, Ruhende Luftschicht, Glas (Verblendung) U-Wert =,62 W/m²K Kalkzementputz, Vollziegel Mauerwerk, Wärmedämmputz WLG 5 U-Wert =,625 W/m²K Gipskarton (Abhangdecke), ruhende Luftschicht, Stahlbeton, PS- Wärmedämmung (4), Zementestrich Innenwand Fenster (Südausrichtung) U-Wert =,777 W/m²K Gasbetonziegel, beidseitig Kalkzementputz Sonnenschutzverglasung (g =,298) 15% Rahmenanteil,,8 Außenverschattung U-Wert = 1,3 W/m²K, 25% der Außenwand U-Wert = 1,385 W/m²K Vollziegel-Mauerwerk, beidseitig Kalkzementputz Wärmeschutzverglasung (g =,589) 15% Rahmenanteil,,5 Innenverschattung U-Wert = 1,4 W/m²K, 25% der Außenwand Infiltration,2-facher Luftwechsel,4-facher Luftwechsel OPTION Passives PCM Alle raumzugewandten Putzschichten (Außenwand, Decke, Innenwand) werden durch 3 mm PCM- Gipsputz Maxit Clima mit PCM-Gehalt von 2 % ersetzt (idealisierte Annahme): (Schmelzbereich C, Wärmekapazität bei Phasenwechseltemperatur 18 kj/kg, sonst 1 kj/kgk) 6 Dynamische Gebäudesimulation mit TRNSYS

7 TRNSYS-Modell Type 241: passives PCM (Institut für Wärmetechnik, TU Graz) Type 84: aktives PCM (Institut für Wärmetechnik, TU Graz) + Type 91 Nachtlüftung und Bypass (Tabelle) nur für aktives PCM RLT-Betriebszeit nach DIN V Außerhalb der Betriebszeit nach DIN V PCM als potentieller Energiespeicher Bypassbetrieb ohne PCM- Beaufschlagung Aktivierung des PCM Außer Betrieb wenn t außen 5 C wenn t außen < 5 C Außenluft passiert auf dem Weg in den Raum das PCM Außenluft umgeht auf dem Weg in den Raum das PCM Lufteintrag in den Raum durch Infiltration und hygienischen Mindestluftwechsel mit: wenn t PCM > t außen wenn t PCM t außen und t PCM > t Raum oder t PCM t Raum Außenluft passiert nur kein Luftstrom PCM, Raum nicht beaufschlagt Lufteintrag in den Raum durch Infiltration mit: t korrigiert = {t PCM t außen } t korrigiert = t außen t Luft, inf. = t außen t Luft, inf. = t außen Be-/ Entladung des PCM ausschließlich mit Raum-, Außen- oder Zuluft 7 Dynamische Gebäudesimulation mit TRNSYS

8 Temperatur in C PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht? Verlauf der frei schwingenden Raumtemperatur (gleitender Mittelwert über 24 h) im Büroraum (Hamburg) Außentemperatur Hamburg sanierter, ohne PCM sanierter, passives PCM sanierter, aktives PCM, ohne PCM, passives PCM, aktives PCM Stunden 8 Simulationsergebnisse: Außenluft- und freischwingende Raumtemperatur

9 PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht? Beeinflussung der Momentan- Heizlast aktives PCM in RLT-Geräten (Büroraum Hamburg) 18 Statistische Auswertung Beeinflussung der Momentan- Kühllast durch aktives PCM in RLT-Geräten (Büroraum Hamburg) Beeinflussung der Momentan- Kühllast durch passive PCMs in Wänden (Büroraum Hamburg) , ohne PCM Heiz- Stunden sanierter, ohne PCM, mit PCM , ohne PCM Lastverteilung 8 Momentan- Kühllast in W 6 12 Momentan- Kühllast in W Momentan- Heizlast in W Momentan- Heizlast in W Beeinflussung der Momentan- Heizlast durch passive PCMs in Wänden (Büroraum Hamburg) sanierter, mit PCM Heiz- Stunden 4 sanierter, ohne PCM, mit PCM sanierter, mit PCM Spitzenlasten Kühl- Stunden sanierter, ohne PCM sanierter, mit PCM, ohne PCM, mit PCM Jahres-Nutzenergiebedarf Simulationsergebnisse: Spitzenlasten (-verteilung) und Jahresenergiebedarfe Kühl- Stunden sanierter, ohne PCM sanierter, mit PCM, ohne PCM, mit PCM

10 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: : leichte Verbesserung : 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) 1 Einordnung der Simulationsergebnisse

11 13% PCM-Einfluss auf Nutzenergiebedarf Kühlen (ohne PCM = 1 %) 12% 11% zunehmende Belegungsdichte 1% 9% Energetisches Potential 8% 7% 6% 5% 4% 3% ohne PCM 2% 1% passives PCM aktives PCM % Büro Freiburg Büro Hamburg Sitzungsraum Freiburg Sitzungsraum Hamburg Klassenraum Freiburg Klassenraum Hamburg Hörsaal Freiburg Hörsaal Hamburg sanierter ohne PCM ohne PCM sanierter passives PCM passives PCM sanierter aktives PCM aktives PCM 11 aktives vs. passives PCM nach Raumnutzung

12 13% 12% 11% 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % Büro Freiburg Büro Hamburg 3% Sitzungsraum Freiburg 2% sanierter ohne PCM PCM vs. Gebäudehülle: Nutzenergiebedarf Heizen (Vergleichswert: sanierter ohne PCM = 1 %) 13% 12% 11% 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% Sitzungsraum Hamburg Nachrüstung passives PCM-System ohne 1% energetische Sanierung der Gebäudehülle Klassenraum Freiburg Klassenraum Hamburg Nachrüstung aktives PCM-System ohne energetische Sanierung der Gebäudehülle % energetische Sanierung der Gebäudehülle ohne Büro Nachrüstung Freiburgeines PCM-Systems Büro Hamburg energetische Sanierung der Gebäudehülle und Nachrüstung eines passiven PCM-Systems energetische Sanierung der Gebäudehülle und sanierter Nachrüstung eines ohne aktiven PCM PCM-Systems Sitzungsraum Freiburg Sitzungsraum Hamburg Nachrüstung passives PCM-System ohne energetische Sanierung der Gebäudehülle Hörsaal Freiburg Klassenraum Freiburg PCM vs. Gebäudehülle: Nutzenergiebedarf Kühlen (Vergleichswert: sanierter ohne PCM = 1 %) 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 Hörsaal Hamburg Klassenraum Hamburg Hörsaal Freiburg Hörsaal Hamburg 12 aktives/passives PCM vs. optimierte Gebäudehülle

13 Tendenzen für genannte Randbedingungen: nach Typraum: geringe Belegungsdichte (Büro): hohe Belegungsdichte (Hörsaal): nach Gebäudehülle: : tendenziell passive PCM besser : tendenziell aktive PCM besser tendenziell passive PCM besser 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 13 Einordnung der Simulationsergebnisse

14 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 14 Fazit: PCM ja oder nein?

15 PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht? aus energetischer Sicht immer eine Überlegung wert Hannes Rosenbaum wiss.-techn. Mitarbeiter im Bereich Klimatechnik Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbh Bertolt-Brecht-Allee 2, 139 Dresden Tel.: / Fax: / klima@ilkdresden.de www: 15