Projektabschlussworkshop KES Messungen zur Wärmeleitfähigkeit von Speicher-Dämmstoffen

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1 Projektabschlussworkshop KES Messungen zur Wärmeleitfähigkeit von Speicher-Dämmstoffen F. Giovannetti, ISFH

2 Inhalt Motivation und Ziele Untersuchte Proben Messverfahren und -apparatur Probepräparation Messergebnisse Einfluss auf die Speicherverluste Fazit

3 Motivation Stand Dämmungen in Wärmespeichern sind Temperaturen bis 90 C ausgesetzt Bei erdvergrabenen Wärmespeichern besteht das Risiko der Durchfeuchtung (Erfahrung aus saisonalen Speichern sowie aus KES-Projekt) aber: Wärmeleitfähigkeit von Dämmung ist üblicherweise nur bei 10 C bekannt Bemessungswerte im feuchten Zustand sind sehr selten Ziele Messung der temperatur- und feuchteabhängigen Wärmeleitfähigkeit Bewertung des Einflusses der effektiven Wärmeleitfähigkeit auf die Speicherverluste

4 Untersuchte Dämmmaterialien Standard- XPS 1. Neues HT-XPS (BASF) Struktur: 97% geschlossenzellig Porengas: Luft Rohdichte: 38 kg/m³ λ 10 : W/mK 2. Blähglasgranulat (BGG) Struktur: Schüttung Korngröße: 4-8 mm Rohdichte: 310 (180) kg/m³ λ 10 : W/mK 3. Polyurethan Hartschaum (PUR) Struktur: >90% geschlossenzellig Porengas: Pentan Rohdichte: 40 kg/m³ λ 10 : W/m²K

5 Messapparatur: Geschützte Heizplatte Messverfahren: Ein- und Zweiplatten-Verfahren nach ISO 8302, DIN EN , DIN EN 12664, DIN EN Messbereich: Probenmaße: W/m K Temperatur: 0 C 95 C Probenlage: mm (H) 250 x x 900 mm (L x B) 0 90, elektronisch einstellbar Unsicherheit: Gesamter Bereich: typ. ± 1% (max. ± 3%, nach ISO 8302) Aufstockung des Forschungsvorhabens KES gefördert durch das BMU

6 Geschützte Heizplatte: Messkonfiguration Zweiplattenaufbau Schutzheizring Proben- Schutzring Kühlplatte Proben- Schutzring Probekörper 2 F Heizplatte Probekörper 1 Kühlplatte Übertragungsfaktor: 2A (T d warm T kalt ) Proben- Schutzring Schutzheizring Proben- Schutzring Elektrisch temperierte Heizplatte mit Schutzheizring zur Erzeugung eines senkrecht zur Probe gleichmäßigen Wärmestroms Zwei hydraulisch temperierte Kühlplatten Gedämmte Messkammer mit Zusatzgradientenschutz, zur Vermeidung der Einflüsse der äußeren Umgebung Thermoelemente (5 Pro Seite) zur genauen Erfassung der mittleren Oberflächentemperatur der Proben

7 Probepräparation: Trockener Zustand Konditionierung nach Norm Trocknung bis zur Massenkonstanz: Unterschiedliche Temperaturen (60 C, 70 C, 105 C, ) je nach Produktnorm Lagerung im Prüfraum zur Einstellung einer Ausgleichsfeuchte: Mindestens 6 h bei (23±5) C, (50±5)% RH Konditionierung nach ISFH Trocknung: 12 h bei 70 C Lagerung im Prüfraum zur Einstellung der Ausgleichfeuchte: 2-3 Tage bei (24±5) C, (40±10)% RH

8 Probepräparation: Feuchter Zustand Konditionierung nach Norm Vorbehandlung: 6 h bei (23±5) C, (50±5)% RH Befeuchtung durch Eintauchen (DIN EN 12087): 28 Tage bei (23±5) C Befeuchtung durch Diffusion (DIN EN 12088): 28 Tage bei 50 C / 1 C Konditionierung nach ISFH Vorbehandlung: 12 h bei (70±5) C, (50±5)% RH 2-3 Tage Lagerung im Labor bei (24±5) C, (40±10)% RH Befeuchtung durch Eintauchen (Platten): 7 Tage bei (50±2) C Befeuchtung durch Aufsprühen und Vermischen (Granulat)

9 Probepräparation: Feuchter Zustand Diffusionsbremsende Hülle zur Vermeidung des Feuchtetransports aus der Probe Platten (XPS, PUR): Kunststofffolie (PE oder ETFE) Granulat: zusätzlicher Behälter

10 Messergebnisse: Trockener Zustand Unterschiedliche λ 10 -Werte Unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten XPS- Messwerte von BASF, alle anderen von ISFH

11 Messergebnisse: Feuchter Zustand Effektive Wärmeleitfähigkeit in W/mK XPS (Messwerte von BASF) λ 10, trocken 4% Vol. 2.2% Vol. Trocken λ= 144% λ 10, trocken λ= 134% λ 10, trocken λ= 114% λ 10, trocken Probemitteltemperatur in C

12 Messergebnisse: Feuchter Zustand % Vol. (Ochs) Effektive Wärmeleitfähigkeit in W/mK Blähglas 7.25% Vol. 4.2% Vol. 3.0% Vol. Trocken λ= 528% λ 10, trocken λ= 415% λ 10, trocken λ= 330 % λ 10, trocken λ= 122 % λ 10, trocken Trocken (Ochs) Probemitteltemperatur in C

13 Messergebnisse: Feuchter Zustand λ= 372% λ 10, trocken Effektive Wärmeleitfähigkeit in W/mK PUR λ 10, trocken 2.7% Vol. Trocken λ= 118% λ 10, trocken Unerwartet hohe Verschlechterung im feuchten Zustand: Dieser Effekt ist zu überprüfen! Probemitteltemperatur in C

14 Einfluss der Wärmeleitfähigkeit auf die Speicherverluste FEM-Simulationen mit gemessenen λ-werten Einfluss der Materialien (XPS, BGG, PUR) Speicher ISFH Speicher Fa. Mall Einfluss der Temperatur (λ 10, λ 50 ) Einfluss der Feuchte (verschiedene Volumenanteile) * Die Simulationen berücksichtigen ausschließlich den Zustand der Dämmung

15 Einfluss der Wärmeleitfähigkeit auf die Speicherverluste: Ergebnisse Feucht 2.7% 50 C + 200% PUR 50 C + 15% 10 C Feucht 4.0% 50 C + 34% XPS Feucht 2.2% 50 C 50 C + 24% + 10% 10 C UA in W/K

16 Einfluss der Wärmeleitfähigkeit auf die Speicherverluste: Ergebnisse + 241% + 179% BBG + 136% + 15%

17 Fazit Ergebnisse: Einfluss der Materialien (XPS, BGG, PUR): Struktur (Porosität, Anteil der geschlossenen Poren, Gerust&Porengas ) entscheidend für Wärmetransport im trockenen und feuchten Zustand Einfluss der Temperatur: Verluste (λ 50, trocken ) 10% (XPS) bis 15 %(BGG) höher als Verluste (λ 10, trocken ) Einfluss der Feuchte: Verluste (λ 50, feucht ) 34% (XPS) bis 241% (BGG) höher als Verluste (λ 10, trocken ) Empfehlungen: Effektive Wärmeleitfähigkeit bei der Auslegung von Speichern berücksichtigen Feuchteempfindlichkeit von PUR überprüfen, da PUR häufig im Erdreich eingesetzt Grundsätzlich: Eindringen von Feuchte vermeiden ( )

18 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Kontakt: F. Giovannetti ISFH Abteilung Solarthermie Fon: Mail: