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
Hannes Rosenbaum, ILK Dresden2
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
Hannes Rosenbaum, ILK Dresden3
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?
PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische Planung
Fragen der Planung
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PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische 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
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Simulation: Typräume und Lastprofile nach DIN V 18599 und DIN EN 15251
PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische Planung
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
Dynamische Gebäudesimulation mit TRNSYS
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Simulation: Altbau / Neubau – Hamburg / Freiburg (TMY)
PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische Planung
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)
Dynamische Gebäudesimulation mit TRNSYS
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PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische Planung
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
Dynamische Gebäudesimulation mit TRNSYS
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PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische Planung
-10
-8
-6
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0
2
4
6
8
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14
16
18
20
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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
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PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische Planung
0
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0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Mo
me
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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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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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600
800
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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
200
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600
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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
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PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische Planung
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)
Einordnung der Simulationsergebnisse
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PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische Planung
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
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90%
100%
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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
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PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische Planung
0%
10%
20%
30%
40%
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100%
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130%
Büro Freiburg Büro Hamburg Sitzungsraum Freiburg
Sitzungsraum Hamburg
Klassenraum Freiburg
Klassenraum Hamburg
Hörsaal Freiburg Hörsaal 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
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
110%
120%
130%
Büro Freiburg Büro Hamburg Sitzungsraum Freiburg
Sitzungsraum Hamburg
Klassenraum Freiburg
Klassenraum Hamburg
Hörsaal Freiburg Hörsaal 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
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PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische Planung
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
Einordnung der Simulationsergebnisse
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PCM-Systeme im Gebäude: aktiv, passiv oder gar nicht ?Wissenschaftliche Studie zur Wirksamkeit von PCM- Systemen im Jahresgang als Entscheidungshilfe für die technische Planung
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?
Hannes Rosenbaum, ILK Dresden15
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
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