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Entwicklung und Erprobung des Einsatzes von Phasenwechselmaterialien an WEMS (Window Energy Management Systems)

Sächsische Aufbaubank

12/2018-11/2020

Dr. Jörg Waschull

+49-351-4081-5433

abgeschlossen

PCM am Fenster

Zielstellung

Vorhabensziel des Verbundprojektes war die Erweiterung des WEMS-Foliensystems (Window Energy Management System) der Fa. Mackinac. Dieses Zusatzelement für Einfachverglasungen und Fenster ohne optisch aktive Beschichtungen dient der Verbesserung des Wärmeschutzes von Bestandsfenstern. Projektinhalt war die Entwicklung von Komponenten zur Wärmespeicherung und Verschattung, die weitere Energieeinsparungen bzw. einen größeren Kundennutzen versprechen.

Vorgehen

Das Teilprojekt des ILK Dresden umfasste Aufgaben über alle Stufen der Entwicklung. Basisarbeit wurde mit der Erstellung von Konzepten für den Wärmetransport vom und zum Wärmespeichermaterial mittels erzwungener Konvektion (durch Ventilatoren) geleistet. Dazu wurden jahreszeitabhängig verschiedene Einstrahlungs- und Temperaturszenarien betrachtet und auf der Basis dieser Randbedingungen Energiebilanzrechnungen und Strömungssimulationen durchgeführt. So wurde geklärt, wann und wo im Fenster-Folien-Verbundsystem wieviel Wärme auf welchem Temperaturniveau anfällt. Gemeinsam mit dem Industriepartner wurden geeignete Phasenwechselmaterialien (PCM) in unterschiedlichen Anwendungsformen ausgewählt. In einem Strömungsteststand wurden das Lade- und Endladeverhalten von PCM in Fasern, Granulaten, Noppenfolien und einer Makroverkapselung untersucht. Ziel waren Erkenntnisse über den Druckverlust, Lade- und Entladedauern, Unterkühlungsneigung, Entladeleistungen und Speicherkapazitäten der verschiedenen anwendungsfertigen PCM-Modifikationen. Mit ausgewählten Speichermaterialien wurde ein Zyklentest über 1000 Temperaturwechsel durchgeführt (Bild 1) der von regelmäßigen kalorimetrischen Messungen begleitet wurde. Die entwickelte Makroverkapselung erwies sich über den Testzeitraum hinweg als mechanisch stabil und das ausgewählte PCM bezüglich des Wärmeumsatzes als zyklenfest. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde ein Demonstrator mit mehreren Kilogramm PCM zur Anwendung im System mit den WEMS-Folien gebaut. Neben der thermischen Ankopplung des Speicherelementes über erzwungene Konvektion arbeitete der Industriepartner an PCM-Elementen, die mittels freier Konvektion, also ohne Hilfsenergie, im Fenster-Folien-Verbund wirksam werden sollen. Für diesen Applikationsfall erstellte das ILK Dresden CFD-Simulationen für verschiedene Geometrien sowie Temperatur- und Einstrahlungsverhältnisse. Dabei fand auch der Einsatz zusätzlicher Verschattungselemente im Verbund Berücksichtigung. Über den Einsatz von Phasenwechselmaterialien in Verschattungselementen für Fenster wurde eine Literaturstudie erstellt.

Als finale Entwicklungsetappe erfolgte die Vermessung eines Demonstrators in Originalabmessungen der sowohl mit WEMS-Folienelementen, verschiedenen PCM-Komponenten als auch Verschattungsvarianten ausgestattet war. Dabei trennte der Demonstrator zwei Räume einer Klimakammer voneinander, die unabhängig voneinander temperiert werden konnten (Bild 2). Ein Raum simulierte mit Halogenstrahlern mit einer Gesamtleistung von 8 kW die Außenbedingungen des Fensters in Strahlung und Temperatur, während auf der Fensterinnenseite ein behagliches Raumklima eingestellt wurde. Bei der Simulation nächtlicher Bedingungen wurde der Außenraum bis auf 0 °C abgekühlt. Gemessen wurden mit ca. 40 Sensoren Temperaturen, Einstrahlungen und Strömungsgeschwindigkeiten. Die für energetische Betrachtungen besonders wichtige Temperatur der raumseitigen Innenfläche (Glas oder Folie) wurde mit einem Infrarot-Messverfahren berührungslos bestimmt, das die reflektierten Anteile der vom Messobjekt ausgehenden Wärmestrahlung, die solche Messungen an Fenstern leicht verfälschen, eliminierte. Dieses Verfahren war sowohl unter den Messbedingungen „Nacht“ als auch bei voller Einstrahlung auf der Fensteraußenseite anwendbar. 

Ergebnisse

Die Wirkung der WEMS- und der PCM-Elemente auf den Wärmeschutz wurde messtechnisch nachgewiesen und differenziert. Die Ergebnisse wurden dem Industriepartner zur weiteren Verwertung übergeben. Die Arbeiten am Projekt sind abgeschlossen.

Diese Maßnahme wird mitfinanziert durch Steuermittel
auf Grundlage des von den Abgeordneten des Sächsischen
Landtags beschlossenen Haushaltes.


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