Phasenwechselmaterialien senken den Energieverbrauch von Gebäuden durch präzise Platzierung

Eine neue Analyse zeigt: Werden Phasenwechselmaterialien gezielt in Wänden, Decken und Böden eingebaut, können sie den Energieverbrauch von Gebäuden erheblich senken.

Dadurch erscheinen herkömmliche Gebäudeflächen in einem neuen Licht: Sie können als aktive thermische Regler wirken und die Raumtemperatur stabilisieren, noch bevor Heiz- oder Kühlsysteme eingeschaltet werden.

Warum die Platzierung entscheidend ist

In mehr als 3.300 untersuchten Datensätzen zu Wänden, Dächern, Decken und Böden zeigte sich immer wieder ein vergleichbares Muster bei der Leistung dieser Materialien.

Prof. Frédéric Kuznik von der INSA Lyon wertete diese Evidenz aus und belegte, dass sowohl die Einbauposition als auch die Materialauswahl unmittelbar darüber bestimmen, ob gespeicherte Wärme das Raumklima beeinflusst.

Die Wirkung konnte deutlich steigen oder nahezu ausbleiben – je nachdem, ob das Material seinen Schmelzpunkt zum passenden Zeitpunkt im täglichen Temperaturverlauf eines Gebäudes erreichte.

Damit wird klar: Eine hohe Speicherkapazität allein sichert noch keine Wirkung. Entscheidend ist, wie Phasenwechselmaterialien Wärme unter realen Bedingungen steuern.

Phasenwechselmaterialien in Gebäudewänden

Fachleute bezeichnen sie als Phasenwechselmaterialien (PCM): wärmespeichernde Stoffe, die bei einer festgelegten Temperatur schmelzen und wieder erstarren.

Beim Schmelzen nimmt die latente Wärme – also Energie, die ohne Temperaturanstieg aufgenommen wird – Wärme auf, sodass eine Wand sie speichern kann, statt sie in den Innenraum weiterzugeben.

Organische Mischungen verhalten sich häufig verlässlich und vorhersehbar. Salzhydrate, also Salze, die Wasser in ihren Kristallen einlagern, können Wärme hingegen schneller transportieren.

Diese Unterschiede machen deutlich, weshalb es keine universelle Mischung für jedes Gebäude, Klima, Budget oder Sicherheitsziel gibt.

Welche Vorteile PCM Gebäuden bieten

Heizung und Kühlung verursachen weiterhin einen grossen Anteil des Energiebedarfs von Gebäuden. Selbst kleine Verzögerungen beim Wärmetransport können sich daher schnell auszahlen.

In Labor- und Praxistests verringerte PCM, das einer Faser-Dämmung beigemischt war, den Wärmestrom um etwa 30%.

Ein weiterer Vergleich über ein ganzes Jahr ergab zwischen zwei vergleichbaren Gebäuden – eines mit und eines ohne PCM – eine Verbesserung des thermischen Komforts um 54%.

Besonders wertvoll sind diese Komfortvorteile dort, wo Nutzer starke Temperaturspitzen am Nachmittag oder deutliche Abkühlungen in der Nacht erleben. Das Wohlbefinden steigt nämlich, bevor sich Einsparungen vollständig auf den Rechnungen zeigen.

Abstimmung auf das lokale Wetter

Das Klima entscheidet darüber, ob PCM überhaupt wirksam zyklisch arbeitet: Ein Material, das nie vollständig schmilzt oder erstarrt, kann kaum Wärme speichern.

Eine Untersuchung in Kasachstan ergab, dass ein Schmelzpunkt von rund 26,1 °C in einem modellierten Gebäude eine sommerliche Effizienz von 39.1% erzielte.

Über sechs kasachische Städte hinweg erhöhte eine optimierte Auswahl die thermische Energieeffizienz um etwa 37%. Das unterstreicht, wie stark die örtlichen Wetterbedingungen ins Gewicht fallen.

Planer benötigen daher ebenso Klimadaten wie Materialdaten – vor allem in Regionen mit grossen Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht.

PCM in Decken integrieren

Sobald die chemische Zusammensetzung geeignet erscheint, stellt sich die schwierigere Aufgabe: PCM muss ohne Leckagen in Putz, Beton oder Platten eingebracht werden.

Das direkte Beimischen ist unkompliziert, doch austretende Flüssigkeit und chemische Reaktionen können die Bindung in stark alkalischen Baustoffen schwächen.

Abhilfe schafft die Verkapselung, bei der PCM in einer Hülle eingeschlossen wird. So kann Wärme übertragen werden, während die Flüssigkeit sicher an ihrem Platz bleibt.

Die Wahl der Verkapselung beeinflusst zugleich Preis und Leistung: Kleinere Kapseln verteilen Wärme besser, sind aber meist teurer.

Die besten Einsatzorte im Innenraum

Gipskartonplatten werden häufig verwendet, weil sie ohnehin in Trennwänden und Decken sitzen – also dort, wo sich Schwankungen des Raumklimas zuerst bemerkbar machen.

Die in der Übersicht zusammengefassten Tests zeigten, dass Räume nur fünf Stunden lang über 27,8 °C blieben, während dies in herkömmlichen Räumen 50 Stunden der Fall war.

Bei Dächern senkte die Kombination aus PCM und einer reflektierenden Oberfläche den Wärmestrom um 66.8% und verringerte die Oberflächentemperatur um etwa 2,2 °C.

Solche Leistungsunterschiede erklären, warum der Einbauort so wichtig ist: Verschiedene Gebäudeschichten sind sehr unterschiedlichen Wärmemustern ausgesetzt.

Wärme schneller transportieren

PCM kann nur so schnell wirken, wie Wärme es erreicht. Das bleibt eine der grössten Einschränkungen in diesem Bereich.

Einige Forschende erhöhten die Wärmeleitfähigkeit – also die Fähigkeit, Wärme weiterzuleiten – durch Zusätze wie Graphit, Metalloxide oder Kohlenstoffnanoröhren.

Aktuelle, in der Übersicht berücksichtigte Studien berichteten von Steigerungen der Wärmeleitfähigkeit zwischen 40% und 150%. Dadurch liefen das Be- und Entladen in Baustoffen schneller ab.

Ein rascherer Wärmetransport kann auch dünnere PCM-Schichten sinnvoll machen. Zusätzliche Beimischungen können jedoch die Kosten erhöhen oder die Herstellung komplizierter gestalten.

Haltbarkeit und Risiken

Baumaterialien müssen in realen Gebäuden über Jahre hinweg standhalten. Deshalb entscheiden Brandrisiken, Leckagen und wiederholte Phasenwechsel darüber, ob vielversprechende Laborergebnisse langfristig Bestand haben.

Organische PCM können leichter brennen. Einige Salzhydrate neigen dagegen zur Unterkühlung, also zu einem verzögerten Erstarren, das bei sinkenden Raumtemperaturen die Wärmeabgabe verlangsamt.

Wiederholtes Ausdehnen kann zudem angrenzende Materialien aufreissen oder gemischte Bestandteile voneinander trennen. Nach vielen Zyklen verringert sich dadurch die Speicherkapazität fortlaufend.

Brandgefahr, Undichtigkeiten und Schäden durch Zyklen erklären auch, weshalb standardisierte Brandprüfungen und Langzeitversuche der Entwicklung im Labor weiterhin hinterherhinken.

Nächste Schritte für PCM in Gebäuden

Die Kosten stehen grossen Projekten weiterhin im Weg, besonders wenn Planer Wände mit mehr als etwa 10% bis 20% PCM nach Gewicht beladen.

Biobasierte Mischungen und preiswertere mineralische Trägermaterialien wirken vielversprechend, weil sie die Materialkosten senken und Brandschutzbedenken verringern könnten.

Ein neuerer Verbundstoff blieb nach 2.000 Zyklen stabil und weist damit auf praktischere Produkte für reale Gebäude hin.

Trotzdem benötigen Bauunternehmen Vorschriften, verlässliche Lieferketten und direkt vergleichbare Felddaten, bevor unsichtbare thermische Speicher zum Standard werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass PCM dann erfolgreich eingesetzt werden kann, wenn Chemie, Klima und Einbauort auf den täglichen Wärmeverlauf abgestimmt sind.

Richtig verwendet können PCM gewöhnliche Wände und Dächer in integrierte Wärmespeicher verwandeln. Bei einer schlechten Abstimmung werden jedoch weiterhin Geld und Platz verschwendet.