[Back]

N. Hodzic:
"Phase Change Materials as a thermal Retrofit Option for Buildings in Vienna";
Supervisor: A. Mahdavi, F. Tahmasebi, U. Pont; Institut für Architekturwissenschaften, Abteilung Bauphysik und Bauökologie, 2018; final examination: 2018-10-17.

With rising summer temperatures, so rises the challenge of keeping rooms thermally comfortable by using little to no energy. Phase change materials can store excess heat from a space by using it to change their phase. Still being new and relatively unexplored as building materials, this work targets the possibility of such a material to bring typical Viennese rooms into thermally comfortable region without using active cooling systems, all while giving occupants the freedom to open windows or avoid shading devices.

In this work, one specific phase change material was simulated with various layer thicknesses, quantities and ventilation schedules for two Viennese rooms, one of which represented a
normal overheating prone and the other a critical space. Main research questions ask whether implementing a layer of phase change material in the room can bring significant improvements
to thermal comfort. Additionally, an effort is made to understand and explain influencing factors for incorporation of phase change materials.

Results showed that a typical Viennese room could be significantly improved from a thermal comfort perspective, when a phase change material layer was properly introduced and ventilated. Critical rooms could also be notably improved, however adding high quantities of phase change material to the rooms could defeat the purpose.

Behaviour of phase change materials was better understood by testing various cases of ventilation and materials´ positioning, layer thickness and area coverage. Simulations showed that when the same quantity of phase change material was tested, a thinner layer spread across a larger surface behaves better than a thicker one spread across a smaller surface. Additionally, best positioning in the room performance wise is found to be the ceiling.

Ventilation proved to be the variable with most influence on performance. Conclusions were drawn that, assuming the room is properly ventilated, phase change materials alone could guide a room into thermally comfortable region, more or less depending
on rooms´ and environments´ conditions. From a weather perspective, Vienna has evenings that have low enough temperatures to cool the phase change material to the solidifying point,
it is only important to ventilate the room enough during evening hours.

Steigende Temperaturen im Sommer in Folge des Klimawandels und des Urban-Heat-Island Effektes sind große Herausforderungen für die Gebäudeplanung. Um die Innenräume auf eine nachhaltige Art und Weise innerhalb des thermischen Komfortbereichs zu halten, gibt es
verschiedene Ansätze. Einer dieser Ansätze beruht auf dem Einsatz von Phase-ChangeMaterials (PCMs). Diese Materialien nutzen ein aus der Thermodynamik bekanntes Prinzip aus, nämlich die zusätzlich erforderliche Energie für Phasenwechsel (Schmelzen und/oder
Verdampfen). Diese zusätzlich erforderliche Energie kann als Speicher für überschüssige Wärmeenergie in Innenräumen dienen. Es zeigt sich, dass die Anwendung solcher neuartiger Materialien für Zwecke des Einsatzes im Hochbau noch relativ wenig beforscht ist. Diese Arbeit befasst sich daher mit möglichen Anwendungsfeldern solcher Materialien. Dabei wird der Effekt des Einsatzes solcher Materialien anhand von Case Study Bauwerken bzw. Räumlichkeiten in Case-Study Bauwerken im Wiener Kontext untersucht. Wesentlich
Annahmen in dieser Masterthese sind, dass beim Einsatz der Materialien dem Gebäudenutzer nicht die Möglichkeit genommen wird, das Fenster zu öffnen, bzw. keine zusätzlichen Verschattungseinrichtungen montiert bzw. konstruiert werden.

Im Detail wird in dieser Arbeit ein Phase-Change-Material mit variierender Schichtdicke, Anzahl der Elemente und unter unterschiedlichen Belüftungsszenarien untersucht und zwar
anhand zweier Zimmer eines Wiener Altbaus. Methodisch kommt hier numerische thermische Simulation zum Einsatz. Die Hauptforschungsfrage ist, ob die Anwendung von Bauteilschichten aus Phase-Change-Materials zu signifikanten Verbesserungen des
thermischen Komforts in den Räumlichkeiten führt (im Vergleich zu Fällen ohne diese PCMs). Zusätzlich wird untersucht, welche weiteren Parameter die Wirksamkeit dieser Maßnahme
beeinflussen. Die Resultate dieser Bemühungen zeigen, dass PC-Materialien bei angemessener Applikation zu signifikanten Verbesserungen des thermischen Komforts führen
können.
Unterschiedliche Parameter wie Belüftung, Materialpositionierung, Materialdicke sowie Anwendungsumgang wurden via Simulation getestet. Eine Erkenntnis aus diesen Bemühungen ist, dass eine dünnere Schicht verteilt über eine größere Oberfläche eine
bessere Performance zeigt, als eine dickere Schicht verteilt über eine kleinere Oberfläche. Zudem hat sich bezüglich der Positionierung herausgestellt, dass eine Deckenmontage die
beste Leistung erbringt. Der Parameter Belüftung war die Variable mit dem höchsten Einfluss auf die Performance des Systems.

Abschließend kann festgehalten werden, dass Phase-Change-Materials bei angemessener Belüftung in Räumlichkeiten eine Verbesserung hinsichtlich des thermischen Komforts darstellen können. Im Kontext der Wiener Klimadaten kann festgehalten werden, dass hier
genug Abende mit ausreichender Temperaturabsenkung vorliegen um eine Wiederverfestigung in den Materialien auszulösen - dabei ist ein entsprechendes Lüftungsregime vorzusehen.

PCM, passive cooling, natural ventilation, energy efficiency, thermal comfort, historical buildings retrofit.