@phdthesis{Weinlaeder2003,
  author    = {Weinl{\"a}der, Helmut},
  title     = {Optische Charakterisierung von Latentw{\"a}rmespeichermaterialien zur Tageslichtnutzung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-7872},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit sich durch den Einsatz von Latentw{\"a}rmespeichermaterialien (kurz PCM = phase change material) Tageslichtelemente realisieren lassen, welche einen Teil der eingestrahlten Solarenergie zwischenspeichern und zeitverz{\"o}gert w{\"a}hrend der Abend- und Nachtstunden wieder an den Innenraum abgeben. Hierdurch lassen sich mehrere Effekte erzielen: Der bei Verglasungen auftretende starke W{\"a}rmeeintrag w{\"a}hrend des Tages wird ged{\"a}mpft und bis in die Abend- und Nachtstunden ausgedehnt. Im Sommer f{\"u}hrt dies zu geringeren K{\"u}hllasten. Die zeitlich verz{\"o}gerten abends auftretenden W{\"a}rmeeintr{\"a}ge k{\"o}nnen bei Bedarf {\"u}ber Nachtl{\"u}ftung abgef{\"u}hrt werden. Im Winter sind die solaren Gewinne zeitlich besser mit den W{\"a}rmeverlusten korreliert was ihren Nutzungsgrad erh{\"o}ht. Dies f{\"u}hrt zu geringerem Heizenergiebedarf. Weiter wird im Winter aufgrund der Erh{\"o}hung der Systemoberfl{\"a}chentemperatur durch den Phasenwechsel des PCM die thermische Behaglichkeit in den Abendstunden vor allem in Systemn{\"a}he gesteigert. Im Sommer bleiben die Oberfl{\"a}chentemperaturen tags{\"u}ber niedrig, sofern ein PCM mit entsprechender Schmelztemperatur (<30°C) gew{\"a}hlt wird, so dass auch zu diesen Zeiten die thermische Behaglichkeit verbessert wird. Es wurden drei Latentw{\"a}rmespeichermaterialien untersucht: ein Paraffin (RT25), sowie zwei Salzhydrate auf Basis von Kalziumchloridhexahydrat (S27) und Lithiumnitrattrihydrat (L30). Aus Messwerten des Transmissions- und Reflexionsgrades im fl{\"u}ssigen Zustand wurden die spektralen Daten der Brechungsindizes ermittelt. Strukturuntersuchungen der PCMs im festen Zustand erfolgten mittels Lichtmikroskopie und anhand von Streuverteilungsmessungen. Diese wurden mit der Mie-Theorie ausgewertet. Es wurde bei allen Materialien die Ausbildung einer Makrostruktur festgestellt, die wiederum mit einer Mikrostruktur unterlegt ist. Die Makrostruktur entsteht durch Grenzfl{\"a}chen Festk{\"o}rper-Luft beim Erstarren und Zusammenziehen der Materialien, die Mikrostruktur durch sehr feine Lufteinschl{\"u}sse und Grenzfl{\"a}chen innerhalb des Festk{\"o}rperger{\"u}sts. W{\"a}hrend die Makrostruktur vor allem bei den Salzhydraten in ihrer Gr{\"o}ße variiert und sich an die Beh{\"a}lterdicke anpasst, liegt die Gr{\"o}ße der Mikrostrukturen bei allen drei Materialien relativ konstant im Bereich um die 5-20 µm. Die Mikrostrukturen sind f{\"u}r die Lichtstreuung verantwortlich. Unter der Annahme, dass die Werte der Brechungsindizes im festen und fl{\"u}ssigen Zustand gleich sind, wurden mit dem 3-Fluss-Modell die spektralen effektiven Streukoeffizienten der festen PCMs bestimmt. Mit den ermittelten Gr{\"o}ßen lassen sich die optischen Eigenschaften der Materialien im festen und fl{\"u}ssigen Zustand f{\"u}r Schichtdicken zwischen 1,5 mm und 4 cm berechnen. Alle drei Materialien zeigen eine hohe Transmission im sichtbaren Spektralbereich und eine starke Absorption im Nahinfraroten. Dieses Verhalten ist f{\"u}r den Einsatz in Tageslichtelementen g{\"u}nstig, da man dort das sichtbare Licht zur Raumausleuchtung nutzen und den nahinfraroten Anteil in Form von W{\"a}rme speichern will. F{\"u}r den Einsatz im Tageslichtelement m{\"u}ssen die PCMs auslaufsicher in Beh{\"a}lter eingebracht werden. Hierf{\"u}r wurden Stegdoppelplatten (SDP) aus Plexiglas verwendet. Zwei Funktionsmuster mit RT25 und S27, bestehend aus einer W{\"a}rmeschutzverglasung, hinter der die PCM-bef{\"u}llten SDPs angebracht waren, wurden unter nat{\"u}rlichen Klimabedingungen vermessen. Die Messdaten dienten zur Validierung eines Simulationsprogramms, mit dem das Verhalten der drei PCM-Tageslichtelemente unter genormten Bedingungen im Sommer- und Winterbetrieb untersucht wurde. Messungen und Simulationsrechnungen ergaben, dass die gew{\"u}nschten Effekte (D{\"a}mpfung der Energiegewinne tags{\"u}ber, Verschiebung der Gewinne vom Tag in die Abend- und Nachtstunden, sowie Verbesserung der thermischen Behaglichkeit) mit den PCM-Tageslichtelementen erreicht werden. Anhand von Optimierungsrechnungen wurde gezeigt, dass die Energieeinkopplung in das PCM erh{\"o}ht werden muss. Dies kann durch Beimengung absorbierender Materialien in das PCM oder durch Verwendung von Beh{\"a}ltern mit h{\"o}herer Absorption geschehen. Bei derart optimierten Tageslichtelementen sind Schichtdicken von rund 5 mm PCM ausreichend. Lichttechnische Untersuchungen ergaben, dass die Tageslichtelemente mit PCM oft ein stark inhomogenes optisches Erscheinungsbild zeigen, vor allem w{\"a}hrend des Phasenwechsels. Deshalb sollten f{\"u}r den Einsatz in der Praxis M{\"o}glichkeiten zur Kaschierung vorgesehen werden. Dies l{\"a}sst sich z.B. durch streuende Beh{\"a}lter erreichen. Problematisch ist die Dichtigkeit der Beh{\"a}lter, vor allem wenn Salzhydrate als PCM verwendet werden. Die Kristalle {\"u}ben beim Wachstum starke Kr{\"a}fte auf die Beh{\"a}lterwandungen aus, so dass diese besonders bei gr{\"o}ßeren Beh{\"a}lterabmessungen dem Druck nicht standhalten und Risse bilden. Hier ist noch Entwicklungsarbeit zu leisten.},
  subject      = {Tageslichtelement},
  language  = {de}
}