In einem Kooperationsprojekt der FH Salzburg mit mehreren internationalen Partnern untersuchen Forschende am Campus Kuchl die Möglichkeiten der Wärmespeicherung in Gebäuden durch imprägnierte Produkte für den Holzbau und Innenausbau. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend und zeigen großes Potenzial zur Verringerung des Energiebedarfs für das Heizen und Kühlen von Innenräumen.
Mit einer wachsenden Weltbevölkerung und sich verändernden Lebensweisen geht auch eine Steigerung des Energiebedarfs einher. Schätzungen gehen davon aus, dass sich der weltweite Energieverbrauch bis ins Jahr 2050 um 50 Prozent steigern wird. Neben dem Ausbau von erneuerbaren Energien ist es deshalb unerlässlich, auch Lösungen zu entwickeln, die eine Reduktion unseres Verbrauchs zum Ziel haben. Ein wichtiger Hebel dazu ist die thermische Optimierung von Wohngebäuden, deren Heiz- und Kühlbedarf rund ein Viertel des gesamten Endenergieverbrauchs ausmacht.
Hier setzt das internationale ForschungsprojektBIO-NRG-STORE an, welches mittels dezentraler und latenter („verborgener“) Wärmespeicher auf biogener Basis eine Reduktion des Energieverbrauchs erzielen will. Im Fokus stehen modifizierte Bauprodukte aus Holz, die in der Lage sind, gespeicherte Wärmeenergie im Winter an die Umgebung abzugeben oder im Sommer zur Kühlung des Gebäudes beizutragen und Temperaturspitzen zu regulieren.
Einsatz von Phase-Change-Materials zur Steigerung der Speicherfähigkeit
Holz als Baumaterial hat klare Vorteile in Sachen Energieinput und CO2-Bilanz gegenüber anderen Baustoffen wie Beton, Ziegel, oder Stahl. Durch dessen geringe Dichte ist die Eignung als thermische Speichermasse allerdings begrenzt. Verbessert werden kann dies durch die Imprägnierung des Holzes mit sogenannten Phasenwechselmaterialien (engl.: Phase-Change-Materials, PCM), die in der Lage sind, anfallende Wärmeenergie durch Änderung ihres Aggregatzustandes (z.B. von Feststoff zu Flüssigkeit) zu speichern.
Das Prinzip ähnelt dem von Wärmekissen, die als Taschenwärmer im Winter beliebt sind: Die Flüssigkeit im Inneren des Kissens wird durch einen Kristallisationsvorgang zu einem Feststoff, wobei die im Material gespeicherte Wärmeenergie langsam frei wird und die Hände wärmt. Ist das Kissen erkaltet, kann man den Vorgang wiederholen, indem es wiederum in einem Wasserbad erhitzt wird, wobei der Feststoff wieder schmilzt und die Flüssigkeit latente Wärmeenergie für später speichert. Das Forschungsprojekt BIO-NRG-STORE will gemeinsam mit Partnern aus Schweden, der Türkei, Italien und Österreich dieses Prinzip auf imprägnierte Holzbauteile übertragen und dessen industrielle Umsetzung vorantreiben.
Internet of Things und internationale Vergleichbarkeit
Jede der beteiligten Institutionen bearbeitet je nach Expertise und technischen Möglichkeiten ein Teilgebiet des Projektes. Die Aufgabe des Kuchler Teams, bestehend aus Forschungsleiter Thomas Schnabel, Senior Lecturer Maximilian Pristovnik, wissenschaftlichem Mitarbeiter Jakub Grzybek und Masterstudent Philip Meffert, war das Upscaling der vorangegangenen Laborversuche, also die Erprobung der Materialien in größerem Maßstab unter realen Bedingungen.
Auf dem Campusgelände in Kuchl wurden deshalb zwei spezielle Kuben installiert, die mit Parkettboden und einer Wandverkleidung aus Holzwerkstoffen ausgestattet wurden, um eine Raumsituation zu simulieren. In einem der Kuben wurden Boden und Wandverkleidung mit Phase-Change-Materials imprägniert, sodass der Effekt dieser Materialien auf die Raumtemperatur gemessen werden kann. Erwärmt sich der Raum durch Sonneneinstrahlung im Sommer, so sind die eingesetzten Materialien in der Lage, diese Wärmeenergie aufzunehmen und eine schnelle Überhitzung des Raumes abzumildern. In der kalten Jahreszeit geben die Materialien die zugeführte Heiz- und Sonnenenergie wieder an die Umgebung ab und tragen so zu einem verringerten Heizbedarf bei.
Bild unten:
Mittels der in den Kuben integrierten Sensoren, die über das hauseigene Netzwerk ansteuerbar sind, kann Jakub Grzybek (im Bild unten) die gemessenen Daten in Echtzeit online einsehen und auswerten. So ist ein Vergleich des Energieverbrauchs der beiden Würfel im Winter mit den sommerlichen Spitzentemperaturen möglich.
Imprägniert wurden die Innenausbauprodukte in einem Druckverfahren mit biobasierten Fettsäuren und Paraffinen aus Pflanzenölen oder modifizierten Estern, deren Schmelzpunkt auf die Einsatzbedingungen abgestimmt ist. Diese Modifizierung hebt die Wärmespeicherkapazität des Holzes signifikant, sodass das Material zur Regulierung von Temperaturschwankungen in Innenräumen messbare Auswirkungen hat.
„Wir konnten zum einen beobachten, dass die Böden mit imprägnierter Mittellage aus Kiefer die Temperaturschwankungen in unseren Kuben deutlich verzögern und hier großes Potenzial für eine thermische Optimierung von Gebäuden liegt. Zum anderen erhöhen wir damit natürlich auch die Dichte des Materials, was sich positiv auf Härte und Druckfestigkeit des Nadelholzes auswirkt“, so Grzybek.
Das Ziel des Würfelkonzeptes ist es, den Einfluss der Phase-Change-Materialien auf das Raumklima in verschiedenen Klimazonen zu beobachten
Baugleiche Versuchsaufbauten wurden deshalb an den Partnerinstitutionen in Schweden (Uppsala), der Türkei (Trabzon) und kürzlich auch in Italien (Florenz) installiert, wo Thomas Schnabel und Jakub Grzybek die Kolleg*innen bei Aufbau und Inbetriebnahme unterstützten. Die Zusammenarbeit über Ländergrenzen hinweg läuft gut, denn jede Partnerinstitution kann ihre Stärken gezielt für das Projekt einsetzen und es herrscht ein reger Austausch über die laufenden Versuche.
Da die schwedische SLU (Sveriges lantbruksuniversitet - Swedish University of Agricultural Sciences) über die Expertise und technischen Möglichkeiten der Imprägnierung verfügt, half Jakub Grzybek im Zuge eines Forschungsaufenthaltes im vergangenen Sommer bei der Herstellung des Materials und dem Bau der Kuben für den Standort Uppsala. Das Projektteam erhofft sich durch die Messung in verschiedenen Breitengraden präzisere Aussagen über den Einfluss von Phase Change Materials auf das Raumklima und sieht darin die Grundlage zur großflächigen Erprobung des Konzepts in Gebäuden.