PCMs in Gebäuden: Die richtige Platzierung senkt den Energieverbrauch

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

Damit werden gewöhnliche Bauteiloberflächen neu bewertet: Sie können als aktive thermische Regler wirken und Raumtemperaturen stabilisieren, noch bevor Heiz- oder Kühlsysteme einschalten.

Weshalb die Positionierung entscheidend ist

In mehr als 3.300 Datensätzen zu Wänden, Dächern, Decken und Fußböden trat bei der Wirkung dieser Materialien immer wieder dasselbe Muster auf.

Prof. Frédéric Kuznik von INSA Lyon wertete diese Evidenz aus und zeigte, dass sowohl die Einbauposition als auch die Materialauswahl unmittelbar bestimmen, ob gespeicherte Wärme das Innenraumklima beeinflusst.

Die Leistung stieg oder fiel stark ab, je nachdem, ob das Material seinen Schmelzpunkt zum passenden Zeitpunkt im täglichen Temperaturverlauf eines Gebäudes erreichte.

Diese Einschränkung macht deutlich, dass Speicherkapazität allein keine Wirkung garantiert und dass entscheidend ist, wie die Materialien Wärme in der Praxis steuern.

PCMs in Gebäudewänden

Ingenieure bezeichnen sie als Phasenwechselmaterialien (PCMs): wärmespeichernde Stoffe, die nahe 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 vorhersehbar, während Salzhydrate, also Salze, die Wasser in ihren Kristallen speichern, Wärme schneller transportieren können.

Diese Abwägungen erklären, warum es keine universelle Rezeptur für jedes Gebäude, Klima, Budget oder Sicherheitsziel gibt.

Vorteile von PCMs für Gebäude

Heizen und Kühlen verursachen weiterhin den größten Anteil des Gebäudeenergiebedarfs, weshalb sich bereits geringe Verzögerungen beim Wärmestrom schnell auszahlen können.

In Feld- und Laborversuchen verringerte PCM, das einer Faserwärmedämmung beigemischt wurde, den Wärmestrom um rund 30 %.

Ein weiterer Vergleich über ein ganzes Jahr ergab eine um 54 % bessere thermische Behaglichkeit zwischen ähnlichen Gebäuden, von denen eines PCM enthielt und eines nicht.

Besonders relevant sind solche Komfortverbesserungen dort, wo Bewohner starke Temperaturspitzen am Nachmittag oder Temperaturabfälle in kalten Nächten erleben, denn der Komfort steigt, bevor sich die Energiekosten vollständig verändern.

Abstimmung auf das lokale Wetter

Das Klima entscheidet darüber, ob PCM überhaupt richtig zyklisch arbeitet: Ein Material, das weder vollständig schmilzt noch erstarrt, kann nur wenig Wärme speichern.

Untersuchungen in Kasachstan ergaben, 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 der örtlichen Witterung verdeutlicht.

Planer benötigen daher neben Materialdaten ebenso Klimadaten, vor allem in Regionen mit großen Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht.

PCM in Decken integrieren

Sobald die Chemie geeignet erscheint, besteht die schwierigere Aufgabe darin, PCM ohne Undichtigkeiten in Putz, Beton oder Platten einzubringen.

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

Eine Verkapselung, bei der PCM in einer Hülle eingeschlossen wird, hilft dabei, weil Wärme übertragen werden kann, während die Flüssigkeit an ihrem Platz bleibt.

Sowohl Kosten als auch Leistung hängen von der gewählten Verkapselung ab: Kleinere Kapseln verteilen Wärme besser, sind jedoch meist teurer.

Die besten Positionen im Innenraum

Gipskartonplatten sind verbreitet, weil sie bereits in Trennwänden und Decken sitzen, wo sich Schwankungen im Innenraum zuerst bemerkbar machen.

In den in der Übersicht zusammengefassten Tests lagen die Temperaturen in Räumen mit PCM nur fünf Stunden über 27,8 °C, gegenüber 50 Stunden in herkömmlichen Räumen.

Bei Dächern reduzierte die Kombination aus PCM und einer reflektierenden Oberfläche den Wärmestrom um 66,8 % und senkte die Oberflächentemperatur um etwa 2,2 °C.

Solche Leistungsunterschiede verdeutlichen, weshalb die Einbauposition so wichtig ist: Verschiedene Gebäudeschichten sind sehr unterschiedlichen Wärmeverläufen ausgesetzt.

Wärme schneller transportieren

PCM kann nur so schnell wirken, wie Wärme es erreicht; dies bleibt eine der größten Einschränkungen des Bereichs.

Einige Forschende verbesserten die Wärmeleitfähigkeit – also die Fähigkeit zum Wärmetransport – durch Zusätze wie Graphit, Metalloxide oder Kohlenstoffnanoröhren.

Jüngere, in der Übersicht zusammengefasste Studien berichteten von Steigerungen der Wärmeleitfähigkeit zwischen 40 % und 150 %, wodurch sich das Be- und Entladen innerhalb von Baustoffen beschleunigte.

Ein schnellerer Wärmestrom kann dünnere PCM-Schichten nutzbar machen, allerdings können zusätzliche Additive die Kosten erhöhen oder die Herstellung komplizierter gestalten.

Haltbarkeit und Risiken

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

Organische PCM können leichter brennen, während manche Salzhydrate unter Unterkühlung leiden: Das verzögerte Erstarren bremst die Wärmeabgabe, wenn Räume abkühlen.

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

Brandgefahr, Leckagen und Schäden durch Zyklen erklären mit, weshalb standardisierte Brandprüfungen und Langzeitversuche der Entwicklung im Labor noch hinterherhinken.

Nächste Schritte für PCMs in Gebäuden

Die Kosten verhindern weiterhin große Projekte, insbesondere wenn Planer Wände mit mehr als etwa 10 % bis 20 % PCM nach Gewicht ausstatten.

Biobasierte Mischungen und preisgünstigere mineralische Trägermaterialien erscheinen vielversprechend, weil sie die Materialkosten senken und Brandschutzbedenken verringern können.

Ein aktueller Verbundwerkstoff blieb nach 2.000 Zyklen stabil und weist damit auf praxistauglichere Produkte für reale Gebäude hin.

Trotzdem benötigen Bauunternehmen Normen, Lieferketten und vergleichbare Felddaten, bevor unsichtbare thermische Speicher zum Standard werden können.

Die Erkenntnisse zeigen, dass PCM dann erfolgreich ist, wenn Chemie, Klima und Positionierung mit dem täglichen Rhythmus der Wärme übereinstimmen.

Richtig eingesetzt können PCMs gewöhnliche Wände und Dächer in integrierte Wärmespeicher verwandeln; eine schlechte Abstimmung verschwendet jedoch weiterhin Geld und Raum.