Neue Analyse: Phasenwechselmaterialien (PCM) – präzise Platzierung senkt den Energieverbrauch von Gebäuden

Eine neue Auswertung kommt zu dem Ergebnis, dass Phasenwechselmaterialien den Energieverbrauch von Gebäuden deutlich senken können – vorausgesetzt, sie werden in Wänden, Decken und Böden an den richtigen Stellen eingebaut.

Damit erscheinen bislang „passive“ Bauteiloberflächen als aktive Wärmeregler: Sie können Innentemperaturen abpuffern und stabilisieren, noch bevor Heiz- oder Kühlsysteme überhaupt anspringen.

Warum die Platzierung entscheidend ist

In mehr als 3,300 dokumentierten Fällen zu Wänden, Dächern, Decken und Böden zeigte sich immer wieder dasselbe Muster bei der Wirksamkeit dieser Materialien.

Auf Basis dieser Evidenz zeigte Prof. Frédéric Kuznik von der INSA Lyon, dass Einbauort und Materialauswahl unmittelbar darüber entscheiden, ob die gespeicherte Wärme das Raumklima tatsächlich messbar beeinflusst.

Die Leistung stieg stark an oder brach ein – je nachdem, ob das Material innerhalb des täglichen Temperaturverlaufs eines Gebäudes zum passenden Zeitpunkt seinen Schmelzpunkt erreichte.

Genau diese Randbedingung macht klar: Hohe Speicherkapazität allein garantiert noch keinen Effekt. Entscheidend ist, wie die Materialien Wärme im realen Betrieb aufnehmen und wieder abgeben.

PCMs in building walls

In der Technik werden sie als Phasenwechselmaterialien (PCM) bezeichnet: Wärmespeichernde Stoffe, die in der Nähe einer Zieltemperatur schmelzen und wieder erstarren.

Beim Schmelzen wird latente Wärme aufgenommen – also Energie, die aufgenommen wird, ohne dass die Temperatur ansteigt. So kann eine Wand Wärme „einsaugen“, statt sie direkt nach innen weiterzureichen.

Organische Mischungen liefern häufig ein gut vorhersagbares Verhalten, während Salzhydrate – Salze, die Wasser in Kristallstrukturen binden – Wärme teilweise schneller transportieren können.

Diese Zielkonflikte erklären, warum es kein universelles Rezept gibt, das für jedes Gebäude, jedes Klima, jedes Budget und jedes Sicherheitsziel gleich gut passt.

Was Gebäude durch PCMs gewinnen

Da Heizen und Kühlen weiterhin den grössten Anteil am Energiebedarf von Gebäuden ausmachen, können schon kleine Verzögerungen im Wärmestrom schnell spürbare Effekte liefern.

In Labor- und Feldversuchen senkte PCM, das in Faser-Dämmstoffe eingemischt wurde, den Wärmestrom um etwa 30%.

Ein weiterer, über ein Jahr geführter Vergleich ähnlicher Gebäude – eines mit PCM und eines ohne – ergab eine 54% bessere thermische Behaglichkeit.

Solche Komfortgewinne sind besonders dort relevant, wo Nutzerinnen und Nutzer deutliche Nachmittagsspitzen oder starke Abkühlung in der Nacht erleben, weil sich das Wohlbefinden oft früher verbessert als die Energiekosten vollständig nachziehen.

Matching local weather

Ob ein PCM überhaupt sinnvoll arbeitet, hängt vom Klima ab: Ein Material, das weder vollständig schmilzt noch wieder gefriert, kann nur wenig Energie speichern.

Untersuchungen in Kasachstan zeigten, dass ein Schmelzpunkt von etwa 79 °F (rund 26 °C) in einem modellierten Gebäude eine sommerliche Effizienz von 39.1% lieferte.

Über sechs Städte in Kasachstan hinweg erhöhte eine optimierte Auswahl die thermische Energieeffizienz um etwa 37% – ein Hinweis darauf, wie stark lokale Wetterbedingungen die Wirkung beeinflussen.

Planerinnen und Planer benötigen daher Klimadaten genauso wie Materialkennwerte, besonders in Regionen mit grossen Tag-Nacht-Temperatursprüngen.

Putting PCM inside ceilings

Wenn die Chemie grundsätzlich passt, wird die Integration in Putz, Beton oder Platten zur grösseren Herausforderung – vor allem ohne Leckagen.

Direktes Einmischen ist zwar unkompliziert, doch austretende Flüssigkeit und chemische Reaktionen können die Verbundfestigkeit in stark alkalischen Baustoffen schwächen.

Eine Verkapselung – also das Einschliessen des PCM in eine Hülle – hilft, weil die Wärme übertragen wird, die Flüssigkeit aber an Ort und Stelle bleibt.

Preis und Leistung hängen dabei stark von der gewählten Verkapselung ab: Kleinere Kapseln verteilen Wärme meist besser, sind jedoch in der Regel teurer.

Best spots indoors

Gipskartonplatten werden häufig eingesetzt, weil sie ohnehin in Trennwänden und Decken sitzen – also genau dort, wo sich Schwankungen der Raumluft früh bemerkbar machen.

In den in der Übersichtsarbeit zusammengefassten Tests lagen Räume mit PCM nur fünf Stunden über 82 °F (etwa 28 °C), während Standardräume 50 Stunden über diesem Wert blieben.

Bei Dächern verringerte die Kombination aus PCM und reflektierender Oberfläche den Wärmestrom um 66.8% und senkte die Oberflächentemperatur um etwa 4 °F (rund 2.2 °C).

Solche Unterschiede verdeutlichen, warum der Einbauort so viel ausmacht: In verschiedenen Bauteilschichten treten sehr unterschiedliche Wärmelasten und Temperaturverläufe auf.

Moving heat faster

PCM kann nur so schnell wirken, wie Wärme es erreicht – und genau das zählt weiterhin zu den grössten Grenzen des Einsatzes.

Einige Forschungsteams erhöhten die Wärmeleitfähigkeit – also die Fähigkeit, Wärme zu transportieren – durch Zusätze wie Graphit, Metalloxide oder Kohlenstoffnanoröhren.

Aktuelle Arbeiten, die in der Übersichtsarbeit dargestellt werden, berichten über Zuwächse der Wärmeleitfähigkeit von 40% bis 150%. Dadurch beschleunigen sich das „Aufladen“ und „Entladen“ in Baustoffen.

Schnellerer Wärmetransport kann auch dünnere PCM-Schichten wirksam machen, allerdings können zusätzliche Additive die Kosten erhöhen oder die Herstellung verkomplizieren.

Durability and risk

Im Gebäudealltag werden Materialien über Jahre belastet; Brandverhalten, Leckagen und wiederholte Zyklen entscheiden daher, ob überzeugende Labordaten auch langfristig bestehen.

Organische PCM sind teils leichter entflammbar. Einige Salzhydrate zeigen dagegen Supercooling, also eine verzögerte Erstarrung, die die Wärmeabgabe beim Abkühlen der Räume bremst.

Zudem kann wiederholte Volumenausdehnung angrenzende Materialien rissig machen oder Mischungen entmischen, wodurch die Speicherkapazität nach vielen Zyklen stetig abnimmt.

Brandrisiken, Leckagen und zyklusbedingte Schäden erklären mit, warum standardisierte Brandprüfungen und Langzeit-Feldtests der Laborentwicklung weiterhin hinterherlaufen.

Next steps for PCMs in buildings

Die Kosten sind nach wie vor ein Hindernis für grosse Vorhaben – besonders dann, wenn Wände mit mehr als etwa 10% bis 20% PCM nach Masseanteil beladen werden.

Biobasierte Mischungen und günstigere mineralische Trägermaterialien gelten als vielversprechend, weil sie die Materialkosten senken und zugleich Brandschutzbedenken verringern können.

Ein neuer Verbundwerkstoff blieb nach 2,000 Zyklen stabil, was auf alltagstauglichere Produkte für reale Gebäude hindeutet.

Trotzdem braucht es für den breiten Einsatz Bauvorschriften, Lieferketten und belastbare Vorher-Nachher-Felddaten, bevor „unsichtbare“ Wärmespeicher zur Routine werden.

Die Gesamtlage zeigt: PCM funktioniert dann gut, wenn Chemie, Klima und Einbauort zum täglichen Wärmerhythmus passen.

Richtig eingesetzt kann PCM gewöhnliche Wände und Dächer zu integrierten Wärmespeichern machen – bei schlechter Abstimmung gehen hingegen Geld und Raum verloren.