Ansatz zur Modellierung von Wärmespeichereigenschaften zementgebundener Baustoffsysteme mit integrierten Phasenwechselmaterialien

Unter dem Schirm des Green-Deals(2019) der Europäischen Union sollen bis 2050 alle Häuser im Betrieb nahezu klimaneutral sein. Um diese Ziele zu erreichen, sind im Bausektor dringend innovative Energiekonzepte notwendig. Durch den verstärkten Einsatz von fortschrittlichen Bau- und Konstruktionstechniken sowie Hochleistungsdämmstoffen in Kombination mit intelligenten Energiespeichersystemen sowohl im Neubausektor als auch bei der Renovierung von Gebäuden steigt das Potential zur Senkung des Energieverbrauchs für Heizung und Kühlung in Gebäuden signifikant. Die Wärmespeicherfähigkeit von Baustoffen spielt bei dieser Problemstellung eine Schlüsselrolle. Durch eine intelligente Kombination von Phasenwechselmaterialien (PCM) und klassischen Baustoffen kann bereits bei geringen zeitlichen Temperaturunterschieden eine große Menge Wärmeenergie gespeichert werden. Bislang gibt es kein standardisiertes Modell zur Beschreibung der effektiven Wärmespeicherfähigkeit sowie kein dynamisches Messverfahren zur Bestimmung der Wärmespeicherfähigkeit eines heterogenen zementgebundenen PCM-Kompositmaterials. Entsprechend wird ein makroskopischer Modellansatz auf Grundlage homogenisierter thermischer Eigenschaften eines Kompositmaterials präsentiert und als funktional nachgewiesen. Nach der experimentellen Bestimmung der Wärmespeicherfähigkeiten von Einzelkomponenten gemäß standardisierten Messverfahren kann nach allgemeiner Mischtheorie die effektive Wärmespeicherfähigkeit bestimmt werden. Ferner wird zur Validierung des Modellansatzes ein angepasstes kalorimetrisches Verfahren mit Kugelprobekörpern entwickelt. Das Verfahren der sogenannten „Dynamischen Kugelkalorimetrie" (DKK-Methode) nutzt die radiale Symmetrie einer Kugelform. Mit Hilfe der DKK-Methode und der zugrunde gelegten Kugelhypothese erfolgt numerisch die inverse Bestimmung der effektiven Wärmespeicherfähigkeit. Im finalen Vergleich zwischen dem auf der effektiven Wärmespeicherkapazität basierenden Modellansatz und der neu entwickelten indirekte Messmethode zur dynamischen Bestimmung der temperaturabhängigen effektiven Wärmespeicherkapazität heterogener PCM-Verbundwerkstoffe ergibt sich eine maximale Abweichung von wenigen Prozenten.

In the framework of the European Green Deal, launched at the end of 2019 by the EU Commission, all buildings in operation should be virtually climate-neutral by 2050. To achieve this goal, innovative energy concepts are urgently needed in the field of construction and building applications. The increased interest on advanced building technologies, novel construction techniques and high-performance insulation systems, in combination with intelligent energy storage materials, both in new buildings and/or in renovation ones, could significantly increase the potential for reducing energy consumption for heating and cooling. The heat storage capacity of building materials plays a key role in this context. Through an intelligent combination of embedding phase change materials (PCMs) in classical building materials, a large amount of thermal energy can be stored, even within low temperature differences and/or jumps. Up to now, there is no standardized model for describing the effective heat storage capacity and no dynamic measuring method is available for determining the heat storage capacity of a heterogeneous cementitious composite with PCMs. Accordingly, a macroscopic model approach based on homogenized thermal properties of a composite material is presented and proven to be functional. After the experimental determination of the heat storage capacity of individual components, according to standardised measuring procedures, the effective heat storage capacity can be determined according to the most general mixed-theory. Moreover, an adapted calorimetric method, built up from spherical specimens/shapes, has been developed to validate the model approach. The latter, named "Dynamische Kugelkalorimetrie" (DKK method), uses radial symmetry of a spherically shaped volume. With the help of the DKK method and the underlying hypothesis, an inverse numerical determination of the effective heat storage capacity was carried out. In the final comparison between the model approach based on the effective heat storage capacity and the newly developed indirect measuring method for the dynamic determination of the temperature-dependent effective heat storage capacity of heterogeneous PCM composites, the maximum deviation is less than a few percent.