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 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 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.

Gegenstand dieser Arbeit sind die Erweiterung des Standes der Technik um Verfahren zur Herstellung und die Charakterisierung mit Paraffinen infiltrierter geschlossenporiger Aluminiumschäume. Die Einzelwerkstoffe werden hinsichtlich ihres strukturellen, mechanischen und thermischen Verhaltens anhand ausgewählter Tests wie der computertomografischen Analyse, dem Druckversuch und dem „Transient-Plane-Source“-Verfahren charakterisiert. Dem schließt sich die Entwicklung von Infiltrationsmethoden zur Herstellung von Werkstoffverbunden aus den Einzelwerkstoffen an. Der Infiltrationsgrad wird als wesentlicher zugehöriger Berechnungs- und Auswertungskennwert analytisch beschrieben. Anhand infiltrationsgerecht gefertigter Aluminiumschaumproben erfolgt die experimentelle Untersuchung verschiedener Infiltrationsverfahren auf Basis statistischer Versuchspläne und deren Gegenüberstellung. Im Anschluss an die Charakterisierung der Verbunde und der Modellierung betrachteter Zielgrößen mittels Regressionsmodellen erfolgt der Vergleich der Verbundeigenschaften mit denen der Einzelwerkstoffe. Nach analytischen Berechnungen zur Auslegung von Latentwärmespeicher-Systemen folgt die Dimensionierung mittels Finite-Elemente-Methode. Die Modellierung auf Basis eines homogenisierten Materialverhaltens wird anhand von Experimenten validiert. Abschließend werden anhand der generierten Werkstoff-Datenbasis Aussagen über das Nutzungspotential für ausgewählte Anwendungen abgeleitet.:Danksagung Bibliografische Beschreibung Abbildungsverzeichnis 5 Tabellenverzeichnis 11 Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 13 1 Einleitung und Motivation 17 2 Stand der Technik 19 2.1 Aluminiumschaum 19 2.1.1 Einteilung 19 2.1.2 Herstellung 20 2.1.3 Strukturelle Eigenschaften 25 2.1.4 Mechanische Eigenschaften 27 2.1.5 Thermische Eigenschaften 30 2.1.6 Schaummodelle 35 2.1.7 Sandwichstrukturen 36 2.1.8 Anwendungen 39 2.2 Phase-Change-Material 41 2.2.1 Wirkprinzip und Einteilung 41 2.2.2 Herstellung 43 2.2.3 Eigenschaften 44 2.2.4 Konfektionierung 46 2.2.5 Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit 48 2.2.6 Anwendungen 53 2.3 Thermische Grundlagen 56 2.3.1 Grundlagen der Wärmeübertragung 56 2.3.2 Grundlagen der dynamischen Differenzkalorimetrie zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität und Enthalpie 58 2.3.3 Messverfahren zur Bestimmung der Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit 58 3 Zielstellung und Präzisierung der Aufgabenstellung 63 4 Infiltrationstechnologie 65 4.1 Grundlagenbetrachtungen zur Infiltration 65 4.1.1 Infiltrierbarkeit geschlossenporiger Aluminiumschäume 65 4.1.2 Verteilung des PCM innerhalb der Probe 65 4.2 Konzeptentwicklung für Infiltrationsverfahren 68 4.2.1 Konzepte PCM-Tauchinfiltration 68 4.2.2 Konzepte PCM-Vakuuminfiltration ohne Werkzeug 69 4.2.3 Konzepte PCM-Vakuuminfiltration mit Werkzeug 70 4.3 Fertigung und Modifikation von Aluminiumschaumproben 71 4.3.1 Herstellungsprozess von Aluminiumschaumhalbzeugen 73 4.3.2 Probenabdichtung 73 4.3.3 Infusions- und Injektionsanschlüsse 74 4.4 Berechnung des Infiltrationsgrads 75 4.5 Infiltrationsversuche 77 4.5.1 PCM-Tauchinfiltration 77 4.5.2 PCM-Vakuum-Infiltration ohne Werkzeug 79 4.5.3 PCM Vakuum-Infiltration mit Werkzeug 83 5 Messtechnische Untersuchungen 89 5.1 Strukturelle Charakterisierung 89 5.1.1 Dichte und Porenstruktur 89 5.1.2 Dichteverteilung 92 5.1.3 Ebenheit 95 5.1.4 Permeabilität 96 5.2 Thermische Charakterisierung 98 5.2.1 Wärmeleitung 98 5.2.2 Wärmekapazität 105 5.2.3 Zersetzungstemperaturen 109 5.2.4 Zyklenbeständigkeit 109 5.2.5 Experimente auf Bauteilebene 112 5.3 Mechanische Charakterisierung 116 5.3.1 Druckversuche 116 5.3.2 Kopfzugversuche 120 5.3.3 Schubversuche 123 5.3.4 Intrusionsversuche - Impaktverhalten 124 5.3.5 4-Punkt-Biegeversuche 126 5.3.6 Akustische Charakterisierung 128 6 Berechnung und Simulation 131 6.1 Thermische Dimensionierung und Validierung mittels FEM 131 6.1.1 Auslegung der Latentwärmespeicher-Systeme 131 6.1.2 Berechnung der Verbundeigenschaften 132 6.1.3 Implementierung der Verbundeigenschaften in die FEM-Umgebung 134 6.1.4 Validierung der thermischen Charakterisierung 137 6.2 Mechanische Dimensionierung und FEM-Validierung 140 6.2.1 Implementierung in die FEM-Umgebung 140 6.2.2 Validierung mechanischer Charakterisierung 142 7 Auswertung und Diskussion 147 7.1 Auswertung der Infiltrationstechnologie 147 7.2 Vergleich der thermischen Eigenschaften mit Literaturdaten 150 7.3 Vergleich der mechanischen Eigenschaften mit Literaturdaten 154 7.4 Evaluierung des Anwendungspotentials 156 8 Zusammenfassung 166 9 Ausblick 170 10 Literaturverzeichnis 172 Anmerkungen 186 Anhang 188

Die vorliegende Arbeit untersucht die Leistungsfähigkeit von PV-Modulen in verschiedenen Fassadensystemen und beschreibt die Entwicklung eines Fassadenpaneels für Pfosten-Riegel-Fassaden, bei welchem die Modultemperatur durch die Integration von Phasenwechselmaterialien (PCM) reguliert wird, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen.

Das Kraftstoffdampfmanagement in PKW dient der Reduzierung von Kraftstoffdampfemissionen und umfasst deren Entstehung im Tank, sowie Verarbeitung im Adsorber. Im Hinblick auf eine effektive Emissionsreduzierung erfolgt in dieser Arbeit die Entwicklung eines multiphysikalischen Berechnungsmodells, das die Erschließung der Kraftstoffdampfmenge im Tank sowie der Adsorbercharakteristik erlaubt. Gleichzeitig wird eine Methode zur thermischen Adsorberoptimierung durch Phasenwechselmaterialien (PCM) vorgestellt. Letztere nutzen für ihren fest/flüssig-Phasenübergang im Adsorber umgesetzte Prozesswärmen und können damit dessen Arbeitskapazität erhöhen. Die Modellierung der tankinternen Kraftstoffdampfproduktion erfolgt basierend auf der Berechnung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtes von Mehrstoffsystemen mit realen Fluidmodellen. Zudem wird eine thermodynamische Datenbank erstellt, die es erlaubt, reale ottomotorische Kraftstoffgemische durch Modellkraftstoffsysteme mit deutlich reduzierter Komponentenanzahl abzubilden. Es wird ein detailliertes nicht-isothermes 2D-rotationssymmetrisches Mehrkammeradsorbermodell für kompressible Fluidgemische entwickelt, das die temperaturabhängige Polyschichtsorption in porösen Festbetten wiedergibt und direkt über transiente Randbedingungen mit der instationären Kraftstoffverdampfung im Tank gekoppelt ist. Darin berücksichtigt sind unter anderem anisotrope Wärme- und Stofftransportprozesse innerhalb der Festbetten sowie Randeffekte infolge einer nicht-linearen Porositätsverteilung. Zwischen den Sorptionskammern wird eine dünnwandige Aluminium-Trennwand aus makroverkapseltem PCM integriert, die zur Temperierung der umliegenden Festbetten dient. Hierzu wird auf Basis einer diskontinuierlichen Form der Enthalpy-Porosity-Methode der nicht-isotherme Phasenwechsel im Latentwärmespeicher unter Berücksichtigung der konvektiven Schmelzbewegung modelliert und in Ort und Zeit mit dem Adsorbermodell gekoppelt. Das daraus resultierende partielle Differenzialgleichungssystem wird örtlich über eine Finite-Elemente-Methode und bzgl. der Zeit in Form eines impliziten Mehrschrittverfahrens diskretisiert. Die entsprechende numerische Lösung erfolgt mit Hilfe eines automatisch gedämpften Newton-Verfahrens. Anhand des Adsorbermodells lässt sich der Einfluss von Randeffekten auf das Ad- und Desorptionsverhalten erschließen, die eine Abhängigkeit von der Festbettgeometrie und des temperaturabhängigen Beladungszustandes zeigen. Diese Sorptionsprozesse werden durch experimentelle Versuchs- reihen an einem hierzu entwickelten Adsorber-Prototyp validiert. Als Ergebnis der numerischen Simulation anwendungsrelevanter Prüfzyklen zur Adsorber-Typisierung resultiert durch den Einsatz von PCM eine Effizienzsteigerung in der Arbeitskapazität des Adsorbers von ca. 14 − 19 %. Zudem kann gezeigt werden, dass auch in Betriebszuständen ohne latenten Phasenwechsel im PCM infolge der konvektiven Bewegung der Schmelze die Sorptionsfähigkeit teilweise um mehr als 11 % ansteigt. Gleichzeitig ist im Vergleich zu der einfachen Vergrößerung des chemischen Sorptionsspeichers der Effekt einer Festbetttemperierung durch PCM partiell bis zu 10 % höher. Durch das einfache Substituieren der klassischen Kunststofftrennwände zwischen den Festbetten durch dünnwandige PCM-Kammern wird die Kraftstoffdampfnachbehandlung ohne relevante Gewichts- und Volumenzunahme des Adsorbers bedeutend verbessert.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Leistungsfähigkeit von PV-Modulen in verschiedenen Fassadensystemen und beschreibt die Entwicklung eines Fassadenpaneels für Pfosten-Riegel-Fassaden, bei welchem die Modultemperatur durch die Integration von Phasenwechselmaterialien (PCM) reguliert wird, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen.

Das Kraftstoffdampfmanagement in PKW dient der Reduzierung von Kraftstoffdampfemissionen und umfasst deren Entstehung im Tank, sowie Verarbeitung im Adsorber. Im Hinblick auf eine effektive Emissionsreduzierung erfolgt in dieser Arbeit die Entwicklung eines multiphysikalischen Berechnungsmodells, das die Erschließung der Kraftstoffdampfmenge im Tank sowie der Adsorbercharakteristik erlaubt. Gleichzeitig wird eine Methode zur thermischen Adsorberoptimierung durch Phasenwechselmaterialien (PCM) vorgestellt. Letztere nutzen für ihren fest/flüssig-Phasenübergang im Adsorber umgesetzte Prozesswärmen und können damit dessen Arbeitskapazität erhöhen. Die Modellierung der tankinternen Kraftstoffdampfproduktion erfolgt basierend auf der Berechnung des Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewichtes von Mehrstoffsystemen mit realen Fluidmodellen. Zudem wird eine thermodynamische Datenbank erstellt, die es erlaubt, reale ottomotorische Kraftstoffgemische durch Modellkraftstoffsysteme mit deutlich reduzierter Komponentenanzahl abzubilden. Es wird ein detailliertes nicht-isothermes 2D-rotationssymmetrisches Mehrkammeradsorbermodell für kompressible Fluidgemische entwickelt, das die temperaturabhängige Polyschichtsorption in porösen Festbetten wiedergibt und direkt über transiente Randbedingungen mit der instationären Kraftstoffverdampfung im Tank gekoppelt ist. Darin berücksichtigt sind unter anderem anisotrope Wärme- und Stofftransportprozesse innerhalb der Festbetten sowie Randeffekte infolge einer nicht-linearen Porositätsverteilung. Zwischen den Sorptionskammern wird eine dünnwandige Aluminium-Trennwand aus makroverkapseltem PCM integriert, die zur Temperierung der umliegenden Festbetten dient. Hierzu wird auf Basis einer diskontinuierlichen Form der Enthalpy-Porosity-Methode der nicht-isotherme Phasenwechsel im Latentwärmespeicher unter Berücksichtigung der konvektiven Schmelzbewegung modelliert und in Ort und Zeit mit dem Adsorbermodell gekoppelt. Das daraus resultierende partielle Differenzialgleichungssystem wird örtlich über eine Finite-Elemente-Methode und bzgl. der Zeit in Form eines impliziten Mehrschrittverfahrens diskretisiert. Die entsprechende numerische Lösung erfolgt mit Hilfe eines automatisch gedämpften Newton-Verfahrens. Anhand des Adsorbermodells lässt sich der Einfluss von Randeffekten auf das Ad- und Desorptionsverhalten erschließen, die eine Abhängigkeit von der Festbettgeometrie und des temperaturabhängigen Beladungszustandes zeigen. Diese Sorptionsprozesse werden durch experimentelle Versuchs- reihen an einem hierzu entwickelten Adsorber-Prototyp validiert. Als Ergebnis der numerischen Simulation anwendungsrelevanter Prüfzyklen zur Adsorber-Typisierung resultiert durch den Einsatz von PCM eine Effizienzsteigerung in der Arbeitskapazität des Adsorbers von ca. 14 − 19 %. Zudem kann gezeigt werden, dass auch in Betriebszuständen ohne latenten Phasenwechsel im PCM infolge der konvektiven Bewegung der Schmelze die Sorptionsfähigkeit teilweise um mehr als 11 % ansteigt. Gleichzeitig ist im Vergleich zu der einfachen Vergrößerung des chemischen Sorptionsspeichers der Effekt einer Festbetttemperierung durch PCM partiell bis zu 10 % höher. Durch das einfache Substituieren der klassischen Kunststofftrennwände zwischen den Festbetten durch dünnwandige PCM-Kammern wird die Kraftstoffdampfnachbehandlung ohne relevante Gewichts- und Volumenzunahme des Adsorbers bedeutend verbessert.