Helmut Weinläder

• In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit sich durch den Einsatz von Latentwärmespeichermaterialien (kurz PCM = phase change material) Tageslichtelemente realisieren lassen, welche einen Teil der eingestrahlten Solarenergie zwischenspeichern und zeitverzögert während der Abend- und Nachtstunden wieder an den Innenraum abgeben. Hierdurch lassen sich mehrere Effekte erzielen: Der bei Verglasungen auftretende starke Wärmeeintrag während des Tages wird gedämpft und bis in die Abend- und Nachtstunden ausgedehnt. Im Sommer führt dies zu geringerenIn dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit sich durch den Einsatz von Latentwärmespeichermaterialien (kurz PCM = phase change material) Tageslichtelemente realisieren lassen, welche einen Teil der eingestrahlten Solarenergie zwischenspeichern und zeitverzögert während der Abend- und Nachtstunden wieder an den Innenraum abgeben. Hierdurch lassen sich mehrere Effekte erzielen: Der bei Verglasungen auftretende starke Wärmeeintrag während des Tages wird gedämpft und bis in die Abend- und Nachtstunden ausgedehnt. Im Sommer führt dies zu geringeren Kühllasten. Die zeitlich verzögerten abends auftretenden Wärmeeinträge können bei Bedarf über Nachtlüftung abgeführt werden. Im Winter sind die solaren Gewinne zeitlich besser mit den Wärmeverlusten korreliert was ihren Nutzungsgrad erhöht. Dies führt zu geringerem Heizenergiebedarf. Weiter wird im Winter aufgrund der Erhöhung der Systemoberflächentemperatur durch den Phasenwechsel des PCM die thermische Behaglichkeit in den Abendstunden vor allem in Systemnähe gesteigert. Im Sommer bleiben die Oberflächentemperaturen tagsüber niedrig, sofern ein PCM mit entsprechender Schmelztemperatur (<30°C) gewählt wird, so dass auch zu diesen Zeiten die thermische Behaglichkeit verbessert wird. Es wurden drei Latentwärmespeichermaterialien untersucht: ein Paraffin (RT25), sowie zwei Salzhydrate auf Basis von Kalziumchloridhexahydrat (S27) und Lithiumnitrattrihydrat (L30). Aus Messwerten des Transmissions- und Reflexionsgrades im flüssigen 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 Grenzflächen Festkörper-Luft beim Erstarren und Zusammenziehen der Materialien, die Mikrostruktur durch sehr feine Lufteinschlüsse und Grenzflächen innerhalb des Festkörpergerüsts. Während die Makrostruktur vor allem bei den Salzhydraten in ihrer Größe variiert und sich an die Behälterdicke anpasst, liegt die Größe der Mikrostrukturen bei allen drei Materialien relativ konstant im Bereich um die 5-20 µm. Die Mikrostrukturen sind für die Lichtstreuung verantwortlich. Unter der Annahme, dass die Werte der Brechungsindizes im festen und flüssigen Zustand gleich sind, wurden mit dem 3-Fluss-Modell die spektralen effektiven Streukoeffizienten der festen PCMs bestimmt. Mit den ermittelten Größen lassen sich die optischen Eigenschaften der Materialien im festen und flüssigen Zustand für 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 für den Einsatz in Tageslichtelementen günstig, da man dort das sichtbare Licht zur Raumausleuchtung nutzen und den nahinfraroten Anteil in Form von Wärme speichern will. Für den Einsatz im Tageslichtelement müssen die PCMs auslaufsicher in Behälter eingebracht werden. Hierfür wurden Stegdoppelplatten (SDP) aus Plexiglas verwendet. Zwei Funktionsmuster mit RT25 und S27, bestehend aus einer Wärmeschutzverglasung, hinter der die PCM-befüllten SDPs angebracht waren, wurden unter natürlichen 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 gewünschten Effekte (Dämpfung der Energiegewinne tagsüber, 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 erhöht werden muss. Dies kann durch Beimengung absorbierender Materialien in das PCM oder durch Verwendung von Behältern mit höherer 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 während des Phasenwechsels. Deshalb sollten für den Einsatz in der Praxis Möglichkeiten zur Kaschierung vorgesehen werden. Dies lässt sich z.B. durch streuende Behälter erreichen. Problematisch ist die Dichtigkeit der Behälter, vor allem wenn Salzhydrate als PCM verwendet werden. Die Kristalle üben beim Wachstum starke Kräfte auf die Behälterwandungen aus, so dass diese besonders bei größeren Behälterabmessungen dem Druck nicht standhalten und Risse bilden. Hier ist noch Entwicklungsarbeit zu leisten.…
• This thesis investigates the suitability of phase change materials (PCMs) as energy storage in daylighting elements. PCMs store part of the incoming solar radiation on sunny days while releasing the stored heat during the evening hours and the night. This time shift in solar energy gains reduces cooling loads in summer, especially if combined with night-time ventilation. In winter, solar energy gains correlate much better with the heating demand of buildings, thus reducing fuel consumption. In addition, the higher system temperatures due to theThis thesis investigates the suitability of phase change materials (PCMs) as energy storage in daylighting elements. PCMs store part of the incoming solar radiation on sunny days while releasing the stored heat during the evening hours and the night. This time shift in solar energy gains reduces cooling loads in summer, especially if combined with night-time ventilation. In winter, solar energy gains correlate much better with the heating demand of buildings, thus reducing fuel consumption. In addition, the higher system temperatures due to the phase change improve thermal comfort during the evening hours. If PCMs with low melting points (<30°C) are used, the system temperatures stay cool even on hot summer days. This improves thermal comfort in summer as well. Three different PCMs were investigated: a paraffin wax (RT25) and two salt hydrates with calciumchloridehexahydrate (S27) and lithiumnitratetrihydrate (L30) as base materials. The spectral refractive indices in liquid state were calculated from measured transmittance and reflectance values. In solid state, microscopy and scattering measurements in combination with Mie-calculactions were used to determine the size of the structures responsible for scattering. All three PCMs showed macroscopic structuring with microstructures embedded. Air gaps generated through volume decrease during solidification of the materials cause the macroscopic structuring. The microstructures are due to very fine air bubbles and solid-solid boundaries. While the macroscopic structuring varies in size - especially the salt hydrates adjust to the dimensions of the confinement - the size of the microstructures is in the range between 5-20 µm for all of the materials. The microstructures are responsible for the scattering of light. With the assumption of non-changing refractive indices in liquid and solid state, the spectral effective scattering coefficients were calculated for the three PCMs in solid state via 3-flux-theory. The determined optical data were sufficient to calculate the optical properties of all three materials in liquid and solid state for a layer thickness between 1.5 mm and 4 cm. All PCMs show high transmission values in the visible wavelength range and high absorption in the NIR. This makes them very suitable for daylighting applications where the visible light is needed for room illumination and the NIR needs to be stored in the PCM as heat. For application as daylighting elements the PCM must be encapsulated. This was done by use of plastic containers, so-called double-skin sheets. Two samples with RT25 and S27 were built and incorporated into an outdoor measurement facility. The samples consisted of PCM-filled double-skin sheets behind a low-e-glazing. A simulation program was validated with the recorded data. This program was used to investigate the performance of the three PCM-daylighting-elements for winter and summer conditions. The above-mentioned effects (decrease in energy gains during the day, time-shift of energy gains into the evening hours and improvement of thermal comfort) could be verified. To optimize the daylighting-elements, the energy input into the PCM should be enhanced. This can be done by adding high-absorbing materials into the PCM or by using containers with higher absorption. In such optimized panels a PCM-thickness of 5 mm is sufficient. The system visual performance often had a very inhomogeneous appearance, especially during the melting and freezing process of the PCM. Therefore it is recommended to conceal these effects by using translucent containers with scattering properties instead of transparent ones. A major problem is the container tightness, especially if a salt hydrate is used as PCM. The crystal growth during the freezing process causes considerable stress on the containers which leads to cracks in bigger ones. This has to be worked on.…