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PCM, Latentspeichermaterialien für smarte Gebäude

In den letzten Jahren wurden neben elektrischen Speichern vor allem Phase Change Materials (PCM) in der Forschung und Entwicklung vorangetrieben. PCM’s sind in der Gebäudetechnik nichts wirklich Neues. Eisspeicher mit Wasser als PCM sind hinreichend bekannt und werden oft eingesetzt. Der Schmelzpunkt liegt allerdings mit 0°C in einem Bereich der den Einsatz stark einschränkt und den Wirkungsgrad bei der Energiewandlung ungünstig beeinflusst. Moderne PCM’s auf Paraffin- oder Salzhydratbasis haben Phasenübergangstemperaturbereiche die für die TGA nutzbar zwischen ca. 5°C und ca. 100°C liegen. Das macht eine Vielzahl von Lösungen in der Gebäudetechnik möglich. Es bietet sich z. B. die Möglichkeit an, den volatil erzeugten Strom direkt in Wärme oder Kälte zu wandeln, zu speichern und zeitversetzt zu nutzen. Andererseits können Ideen vorangetrieben werden, die die Speicherfähigkeit des Gesamtgebäudes anheben, um die Nachteile der heute üblichen Leichtbauweise zu kompensieren. Andere Entwicklungen verfolgen Ansätze die natürlichen Außenlufttemperaturschwankungen zur regenerativen Energiespeicherung zu nutzen. Alle Ansätze dienen neben der Senkung des Primärenergiebedarfs eines Gebäudes, der Effizienzsteigerung von TGA-Systemen und Einbindung regenerativer Energien bei der Klimatisierung von Gebäuden. Ingenieuren die in diesem Bereich tätig sind fällt es schwer die sich heute abzeichnenden machbaren Ansätze, die Tatsächlichen Leistungsparameter von Materialien und Systemen sowie deren Auslegungsgrundlagen zu überblicken. Dies liegt nicht zuletzt darin begründet, dass keine klaren Termini, Mess- und Prüfvorschriften definiert sind. An dieser Stelle setzt die neue VDI 2164 an, die erstmals den Stand der Technik zusammenfasst und die Grundlagen für ‚PCM-Energiespeicher-Systeme in der Gebäudetechnik‘ definiert. Grundlagen im Bereich der Bestimmung der thermophysikalischen Eigenschaften, Leistungsbestimmung und mögliche Einsatz-, bzw. Arbeitsbereiche von PCM werden ebenso umfassend behandelt, wie ein erster Überblick über Einsatzmöglichkeiten gegeben wird.
Die VDI 2164 führt auf den Grundlagen der Leistungsbestimmung von PCM, daraus erstellten Verbundstoffen oder Objekten, teilweise bereits im Einsatz befindliche aktuelle Systeme ein.
PCM-haltige Baustoffe werden bereits in unterschiedlichster Form eingesetzt, erhöhen das Speichervermögen des Baukörpers und reduzieren dadurch den Primärenergieeinsatz bei der Beheizung und Kühlung von Gebäuden.
PCM-Kühldeckensysteme, als weitere PCM-Systeme, können aktiv regeneriert werden und bieten neben der Einbindung volatiler regenerativer Energien, definierten thermischen Komfort.
Dezentrale PCM-Speichersysteme für die Kühlung einzelner Räume, können mittels nächtlicher Unterkühlung am Folgetage einer Überhitzung der Räume entgegenwirken oder aktive Klimasysteme unterstützen und entlasten.
Zentrale PCM-Speichersysteme können zusätzlich überschüssige thermische Energien speichern und zeitversetzt in den Zuluftvolumenstrom einkoppeln, um den Energieaufwand der nachfolgenden raumlufttechnischen Anlagen bei der Kühlung und Heizung von Gebäuden deutlich zu reduzieren.
Neben diesen Systemen zeigt die VDI 2164 auch aktuelle Ansätze auf, die eine Einbindung von PCM-Speichersystemen in hydraulische Kalt-, oder Warmwassernetze ermöglichen, um Anlageneffizienzen ebenso zu verbessern, wie die aktive Speicherung von thermischen Energien, die z. B. aus volatil verfügbarem Strom aus Windkraft oder Photovoltaik erzeugt wurden.
Dies sind erste, heute zu erkennende Ansätze für thermische Latentspeicher auf PCM-Basis, denen in Zukunft sicherlich weitere innovative Ideen folgen werden.