Phasenwechselmaterialien (PCM) senken den Energieverbrauch von Gebäuden durch präzise Platzierung

Eine neue Analyse zeigt, dass Phasenwechselmaterialien den Energieverbrauch von Gebäuden deutlich senken können, wenn sie gezielt in Wänden, Decken und Böden eingesetzt werden.

Damit erscheinen herkömmliche Gebäudeflächen in einem neuen Licht: Sie können als aktive thermische Regler wirken und die Raumtemperatur stabilisieren, bevor Heiz- und Kühlsysteme eingeschaltet werden.

Warum die Platzierung entscheidend ist

In mehr als 3.300 Datensätzen zu Wänden, Dächern, Decken und Böden zeigte sich bei der Leistung dieser Materialien immer wieder dasselbe Muster.

Prof. Frédéric Kuznik von der INSA Lyon wertete diese Evidenz aus und belegte, dass sowohl die Position als auch die Materialauswahl unmittelbar darüber entscheiden, ob gespeicherte Wärme das Innenraumklima beeinflusst.

Die Wirkung konnte deutlich steigen oder nahezu ausbleiben – je nachdem, ob das Material während des täglichen Temperaturverlaufs eines Gebäudes zum passenden Zeitpunkt seinen Schmelzpunkt erreichte.

Daran wird klar, dass Speicherkapazität allein keine Wirkung garantiert. Entscheidend ist auch, wie diese Materialien Wärme unter realen Bedingungen steuern.

PCM in Gebäudewänden

Fachleute bezeichnen sie als Phasenwechselmaterialien (PCM): wärmespeichernde Stoffe, die in der Nähe einer festgelegten Temperatur schmelzen und wieder erstarren.

Beim Schmelzen nimmt die latente Wärme – also Energie, die ohne Temperaturanstieg aufgenommen wird – Wärme auf, sodass eine Wand sie speichern kann, statt sie in den Innenraum weiterzugeben.

Organische Mischungen verhalten sich häufig gut vorhersehbar, während Salzhydrate, also Salze mit in Kristallen gebundenem Wasser, Wärme schneller transportieren können.

Diese Unterschiede verdeutlichen, warum es keine Universallösung für jedes Gebäude, Klima, Budget oder Sicherheitsziel gibt.

Vorteile von PCM für Gebäude

Heizen und Kühlen verursachen weiterhin den größten Teil des Energiebedarfs von Gebäuden. Schon geringe Verzögerungen beim Wärmetransport können daher rasch Vorteile bringen.

In Feld- und Labortests verringerte PCM in Faserdämmstoffen den Wärmefluss um rund 30%.

Ein weiterer Vergleich über ein ganzes Jahr ergab eine um 54% bessere thermische Behaglichkeit zwischen vergleichbaren Gebäuden – einem mit PCM und einem ohne PCM.

Besonders bedeutsam sind Komfortverbesserungen dort, wo Menschen starke Temperaturspitzen am Nachmittag oder Einbrüche in kalten Nächten erleben. Das Wohlbefinden verbessert sich nämlich, bevor sich die Energiekosten vollständig verändern.

Abstimmung auf das lokale Klima

Das Klima bestimmt, ob PCM überhaupt zuverlässig schmelzen und erstarren kann. Ein Material, das nie vollständig schmilzt oder gefriert, kann nur wenig Wärme speichern.

Eine Untersuchung in Kasachstan ergab, dass ein Schmelzpunkt von etwa 26,1 °C in einem modellierten Gebäude eine sommerliche Effizienz von 39.1% erreichte.

In sechs kasachischen Städten erhöhte eine optimierte Auswahl die thermische Energieeffizienz um etwa 37%, was den starken Einfluss lokaler Wetterbedingungen unterstreicht.

Planende benötigen deshalb ebenso Klimadaten wie Materialdaten, insbesondere in Regionen mit großen Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht.

PCM in Decken integrieren

Ist die Chemie passend gewählt, besteht die größere Herausforderung darin, PCM in Putz, Beton oder Platten einzubringen, ohne dass es austritt.

Das direkte Beimischen ist unkompliziert, doch austretende Flüssigkeit und chemische Reaktionen können die Bindung in stark alkalischen Baustoffen schwächen.

Eine Verkapselung, bei der PCM in einer Hülle eingeschlossen wird, schafft Abhilfe: Wärme kann übertragen werden, während die Flüssigkeit an ihrem Platz bleibt.

Die Wahl der Verkapselung beeinflusst sowohl Kosten als auch Leistung, denn kleinere Kapseln verteilen Wärme besser, sind jedoch meist teurer.

Die besten Positionen im Innenraum

Gipskartonplatten werden häufig verwendet, weil sie bereits in Trennwänden und Decken sitzen – also dort, wo Temperaturschwankungen im Innenraum zuerst auftreten.

Die in der Übersichtsarbeit zusammengefassten Tests zeigten, dass Räume nur fünf Stunden über 27,8 °C blieben, verglichen mit 50 Stunden in üblichen Räumen.

Bei Dächern reduzierte die Kombination aus PCM und einer reflektierenden Oberfläche den Wärmefluss um 66.8% und senkte die Oberflächentemperatur um etwa 2,2 °C.

Solche Leistungsunterschiede erklären die große Bedeutung des Einbauorts: Verschiedene Gebäudeschichten sind sehr unterschiedlichen Wärmeverläufen ausgesetzt.

Wärme schneller transportieren

PCM kann nur so schnell wirken, wie Wärme es erreicht. Das bleibt eine der größten Einschränkungen in diesem Bereich.

Einige Forschende steigerten die Wärmeleitfähigkeit, also die Fähigkeit zum Wärmetransport, durch die Zugabe von Graphit, Metalloxiden oder Kohlenstoffnanoröhren.

Aktuelle, in der Übersichtsarbeit berücksichtigte Studien berichten von Steigerungen der Wärmeleitfähigkeit zwischen 40% und 150%, wodurch das Be- und Entladen innerhalb von Baustoffen schneller erfolgt.

Ein beschleunigter Wärmetransport kann dünnere PCM-Schichten nutzbar machen. Zusätzliche Additive können jedoch die Kosten erhöhen oder die Herstellung komplizierter gestalten.

Haltbarkeit und Risiken

In realen Gebäuden sind Materialien über Jahre hohen Belastungen ausgesetzt. Brandrisiko, Undichtigkeiten und wiederholte Wechselzyklen entscheiden daher darüber, ob vielversprechende Laborergebnisse Bestand haben.

Organische PCM können leichter brennen, während einige Salzhydrate unter Unterkühlung leiden. Dieses verzögerte Erstarren verlangsamt die Wärmeabgabe, wenn Räume abkühlen.

Wiederholte Ausdehnung kann zudem angrenzende Materialien beschädigen oder Bestandteile einer Mischung voneinander trennen, wodurch die Speicherkapazität nach vielen Zyklen allmählich sinkt.

Brandgefahr, Leckagen und Schäden durch Wechselzyklen erklären mit, warum standardisierte Brandprüfungen und Langzeitversuche weiterhin hinter den Fortschritten im Labor zurückbleiben.

Nächste Schritte für PCM in Gebäuden

Die Kosten stehen Großprojekten nach wie vor im Weg, besonders wenn Planende Wände mit mehr als etwa 10% bis 20% PCM nach Gewicht ausstatten.

Biobasierte Mischungen und günstigere mineralische Trägermaterialien gelten als vielversprechend, weil sie die Materialkosten senken und Brandschutzbedenken verringern können.

Ein kürzlich entwickelter Verbundstoff blieb nach 2,000 Zyklen stabil und weist damit auf praktikablere Produkte für reale Gebäude hin.

Trotzdem benötigen Bauunternehmen Vorschriften, Lieferketten und vergleichbare Felddaten, bevor unsichtbare Wärmespeicher zum Standard werden.

Die vorliegenden Erkenntnisse zeigen: PCM funktioniert dann erfolgreich, wenn Chemie, Klima und Einbauort auf den täglichen Wärmeverlauf abgestimmt sind.

Richtig eingesetzt können PCM gewöhnliche Wände und Dächer in integrierte Wärmespeicher verwandeln. Bei einer ungeeigneten Abstimmung werden jedoch weiterhin Geld und Platz verschwendet.