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Phase Change Material (PCM)

Bei Phase Change Materials, auch PCM oder Phasenwechselmaterialien genannt, handelt es sich um Latentwärmespeicher, die einen hohen Anteil von Wärme- und Kälteenergie über lange Zeit speichern und verlustfrei wieder abgeben können. Ihre Funktionsweise beruht auf der Ausnutzung reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums, wie zum Beispiel beim Phasenübergang von fest zu flüssig (Erstarren/Schmelzen).

Beim Schmelzen nimmt das Speichermedium – in der Regel Salze wie Glaubersalz oder Natriumacetat sowie organische Verbindungen wie Paraffine oder Fettsäuren – sehr viel Wärmeenergie auf. Nach Erreichen der Phasenübergangstemperatur (Paraffine beispielswiese haben ihren Phasenwechsel bei Zimmertemperatur) erfolgt so lange keine Temperaturerhöhung, bis das Material komplett geschmolzen ist. Erst beim Erstarren gibt das Speichermedium genau die aufgenommene Wärmemenge wieder ab. Da für längere Zeit trotz Wärmezufuhr keine merkliche Temperaturerhöhung auftritt, wird die während des Phasenübergangs eingespeicherte Wärme „verborgene“ oder auch „latente” Wärme genannt. Verglichen mit der Wärmespeicherfähigkeit von Baumaterialien wie Gips, Holz, Zement oder Steinen – die im Bereich von 0,8 bis 1,5 kJ/kg in einem 1°C Intervall liegen – können PCM beim Schmelzen ein Vielfaches an Wärme speichern.

Da Phase Change Materials bei ihrer Nutzung flüssig werden, sind sie in der Regel mikroverkapselt. Mit einem Durchmesser von etwa 10 µm (also 10-tausendstel Millimeter) können sie als Zuschlagstoff verschiedenen Baustoffen (wie Innenputzen, Spachtelmassen, Gipskartonplatten, Porenbetonsteinen) zugefügt werden. In Kunststoff- oder Glasscheiben werden sie beispielsweise in Form verkapselter Salzkristalle integriert. PCM kommen auch bei der Bauteiltemperierung zum Einsatz. Hier können mithilfe des Materials Temperaturspitzen ohne aufwendige Klimatisierung gekappt werden. Die genannten Beispiele dienen der passiven Temperaturstabilisierung, das heißt, das PCM speichert tagsüber überschüssige Wärmeenergie und führt sie nachts wieder ab.

In separaten Wärme- und Kältespeichern benötigen PCM dagegen aktive Komponenten wie Lüfter und Pumpen sowie eine Regelung. Diese Variante bietet jedoch den Vorteil, dass die gespeicherte Wärme oder Kälte bei Bedarf gezielt abgerufen werden kann. Als Beispiel seien hier aktiv durchströmte Flächenkühlsysteme in Kombination mit PCM-Baustoffen genannt, also Kühldecken, bei denen Kapillarrohrmatten in eine PCM-Putzschicht integriert sind und mit Wasser durchströmt werden.

Bildnachweis: Latentwäremspeicher Micronal von BASF, Ludwigshafen
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