Dezentrale Lüftungsgeräte (DL) mit Latentwärmespeicher im inhaus2 Technisches Konzept und begleitende Messreihen
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- Rudolf Ackermann
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1 Dezentrale Lüftungsgeräte (DL) mit Latentwärmespeicher im inhaus2 Technisches Konzept und begleitende Messreihen Dezentrale Lüftungsgeräte im inhaus2 Phase Change Material PCM Aufbau des Lüftungsgeräts mit PCM Vorstudie: Testraum im inhaus2 Ergebnisse einer Simulation Zusammenfassung und Ausblick Dr.-Ing. Monika Hall, Josef Gartner Switzerland AG Dr.-Ing. Roland Bornemann, Josef Gartner GmbH Dipl.-Ing. Detlef Makulla, caverion GmbH Geschäftsbereich Krantz Komponenten Dipl.-Ing. Matthias Kiebel, caverion GmbH Geschäftsbereich Krantz Komponenten
2 Dezentrale Lüftungsgerätetypen im inhaus2 Latentwärmespeicher WRG: Quellluft WRG: Mischluft
3 Phase Change Material PCM Der Begriff Phasenwechsel hier vereinfacht dargestellt Gespeicherte Wärmemenge [J/(g K)] Erstarrungstemperatur Sensibler Bereich (fest) Latenter Bereich θ Sensibler Bereich (flüssig) Latenter Bereich = Energieaufnahme bzw. Abgabe in einem engen Temperaturbereich Schmelztemperatur Temperatur [ C]
4 Die Idee c~ëë~çéåáåíéöê~íáçå
5 Phase Change Material PCM Jetzt zur Realität: Phasenwechsel mit Unterkühlung Gespeicherte Wärmemenge [J/(g K)] Erstarrungstemperatur Sensibler Bereich (fest) θ e θ s Sensibler Bereich (flüssig) Unterkühlung = Verschiebung zwischen Schmelz- und Erstarrungstemperatur (Hysterese) Schmelztemperatur Temperatur [ C]
6 Phase Change Material PCM Welche Eigenschaften sollte das ideale PCM aufweisen: geeignete Schmelz-/ Erstarrungstemperatur enger Schmelz- und Erstarrungsbereich geringe Unterkühlung (Spreizung zwischen Erstarrung und Verflüssigung) hohe Wärmespeicherkapazität (latent & sensibel) hohe Wärmeleitfähigkeit hohe Phasenstabilität hohe Langzeitstabilität geringe thermische Volumenausdehnung Quelle:
7 Phase Change Material PCM Salzhydrate (z.b. Natriumsulfat) Vorteile: relativ hohe Schmelzwärme (cp lat. ) höhere Rohdichte als Paraffin höhere Wärmeleitf. als Paraffin nicht brennbar kostengünstig Nachteile: geringe Phasenstabilität hohe Unterkühlung schlechte Erstarrungsrate wasserdampfdichte Ummantelung (Korrosionsgefahr) Paraffine (Kohlenwasserstoffe) Vorteile: hohe Wärmespeicherkapazität (cp sen. ) enger Schmelzbereich gute Erstarrungsrate gute Phasenstabilität keine / nur sehr geringe Unterkühlung chemisch inert Nachteile: geringe Rohdichte geringere volumenbezogene Speichereigenschaften geringe Wärmeleitfähigkeit Volumenänderung von 10 % beim Phasenübergang brennbar
8 Lüftungsgerät mit PCM Verbundplatten Material PCM-Menge pro Gerät Phasenwechseltemperatur Speicherkapazität PCM-1 Graphit/Salzhydrat 46 kg 24 C 1,6kWh (5810 kj) PCM-2 Graphit/Paraffin 33,3 kg 20 C 1kWh (3543 kj)
9 Lüftungsgerät mit PCM Fortluftklappe Wasserwärmetauscher heizen/kühlen Zuluftdurchlass PCM-Pakete Zuluftventilator ( m 3 /h) Schalldämpfer Umluftdurchlass F7 Filter Aussenluftklappe Betrieb mit Zuluft Umluft Nachtluft
10 Lüftungsgerät mit PCM - Labormessung Testaufbau θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ ein ca.140 mm ca mm
11 Lüftungsgerät mit PCM - Labormessungen. Tagbetrieb (Aufladen) V = 120 m 3 /h, θ ein = 29 C Aufladezeit rd. 5h [ C] θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 Tmax. = 10 C θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ ein [h]
12 Lüftungsgerät mit PCM - Labormessungen. Nachtbetrieb (Regeneration) V = 120 m 3 /h, θ ein = 18 C [ C] θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ ein Entladezeit rd. 8h θ2 θ3 θ4 θ5 θ1 [h]
13 Lüftungsgerät mit PCM - Resultat Errechnete Werte auf Basis der Materialeigenschaften PCM Masse (Graphit/Paraffin) 33,3 kg (pro Lüftungsgerät) Spezifische Wärmekapazität 106 kj/kg (cp sen + cp latent ) Speicherbare Wärmemenge 3543 kj 1 kwh Mittlere äquivalente Leistung 200 W über 5 Stunden Gemessene Werte n Q = V &. ρ c z ( t 1 t 5 ) mit V = 120 m³/h, 1 ρ = 1.2 kg/m 3, cp = 1 kj/(kg K) Wärmeaufnahme (Tagbetrieb) Regeneration (Nachtbetrieb) Q T = 3400 kj Q N = kj
14 Vorstudie: Testraum im inhaus2 Ergebnisse der statischen Leistungsmessung sind vielversprechend. Lässt sich dies durch dynamische Berechnungen bestätigen? Süd Ost Essen Wohnen Bereich Senior Care
15 Vorstudie: Testraum im inhaus2 6 Lüftungsgeräte U g = 1.1 W/(m 2 K) iplus E, 10/16/55.2 g = 0.52 U CW = 1.5 W/(m 2 K) U Dach = 0.2 W/(m 2 K) U AW = 0.2 W/(m 2 K) U IW = 0.4 W/(m 2 K) U Boden = 2.6 W/(m 2 K) Grundfläche 80 m 2 Volumen 300 m mm 3100 mm
16 Simulation wesentliche Annahmen und Parameter Simulation mit ESP-r Parameter nach DIN V Teil 10 Bürozeiten: 7 18 Uhr (nur an Wochentagen) Personenbelegung: 6 Personen mittel Mindestaussenluftvolumenstrom: 40 m 3 /(h Person), hier: n = 0.8 1/h Luftwechsel (mech.): n = 2.5 1/h ( 120 m 3 /h pro Gerät) Personen 5 W/m 2, Arbeitshilfen 7 W/m 2, Licht 10 W/m 2, Summe: 22 W/m 2 (Die internen Lasten fallen nur innerhalb der Bürozeiten an) Lamellenstore Ral 7016 anthrazitgrau, Schaltpunkt: 100 W/m 2 auf der Südfassade Lamellenwinkel 45 Klimadatensatz: IWEC Düsseldorf (Mai September) Annahme: Zulufttemperatur entspricht der Aussenlufttemperatur
17 Simulation - Regelungsstrategien Temperaturbereich des Büros: C (Arbeitszeit), sonst C Strategie n [1/h] Zeitraum [h] Wochentag Bürotemperatur [ C] n [1/h] Wochenende Zeitraum [h] Bürotemperatur [ C] Mai September Juni Juli August
18 Simulation - PCM Beschreibung SP22 A17 (Rubitherm), Salzhydrat mit 5% Paraffinanteil 20 C 24.5 C Schmelzbereich Erstarrungsbereich θ= 4 K 16 C 20.5 C cp sen. + cp latent : über ges. Schm.-/Erst.-kurve 117 kj/(kg K) Quelle: Schlitzenberger, S.: Diplom II, Universität Kassel, FG Bauphysik, März 2007
19 Simulation Parameterstudie Verschiebung des Schmelz- und Erstarrungsbereiches (Orginal PCM: Schmelzb.: C, Erstarrungsb.: C) PCM - PS 1 PCM - PS 2 2K 2K 2K Schmelzbereich: C Erstarrungsbereich: C Schmelzbereich: C Erstarrungsbereich: C
20 Simulation Gartner PCM-Model mit Unterkühlung Temperaturverhalten SP 22 A17 (mit/ohne PCM) [ C] Temperatur Raumluft, o PCM Zuluft, o PCM Aussenluft Raumluft, m PCM Zuluft, m PCM Oberfl., PCM Zeitschritt [h] Schmelzbereich: C Erstarrungsbereich: C
![Simulation Gartner PCM-Model mit Unterkühlung Beispielrechnung: Temperaturverhalten mit/ohne PCM - PS 1 Raumluft, o PCM Zuluft, o PCM [ C] Temperatur 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10](/docs-images/93/113771824/images/21-2.jpg "Aussenluft Raumluft, m PCM Zuluft, m PCM Oberfl., PCM 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 Zeitschritt Schmelzbereich: 18-22.5 C Erstarrungsbereich: 16-20.5 C [h] 2K")
21 Simulation Gartner PCM-Model mit Unterkühlung Beispielrechnung: Temperaturverhalten mit/ohne PCM - PS 1 Raumluft, o PCM Zuluft, o PCM [ C] Temperatur Aussenluft Raumluft, m PCM Zuluft, m PCM Oberfl., PCM Zeitschritt Schmelzbereich: C Erstarrungsbereich: C [h] 2K
22 Simulation - Resultate Vergleich der notwendigen Kühllasten in dem Büroraum für den Zeitraum von Mai September Schmelz-/ Erstarrungsbereich [ C] Prozentualer Anteil an der Kühllast [%] ohne PCM PCM SP22 A17 PCM PS1 PCM PS / ,5/16-20, ,5/18-22, Raum ist zu groß optimale Raumgröße liegt im Bereich von 50m²
23 Zusammenfassung Labormessung gesamte Speicherenergie des PCMs kann genutzt werden Ergebnisse der Simulation Vollständige Entladung findet z.t. nicht mehr statt Leistungsfähigkeit ist aus diesem Grund unter dynamischen Einwirkungen geringer als statische Labormessungen suggerieren mit PCM kann rd. 25 % der Kühlleistung eingespart werden (80m²) Raum mit 50m² erspart rd. 35% der Kühlleistung PCM nur in Kombination mit niedrigen internen Lasten sinnvoll Konsequenter Einsatz eines Sonnenschutzes Geeigneter Schmelz-/Erstarrungsbereich
24 Ausblick Ziele einer möglichen Testreihe im inhaus2 Regelungsstrategien testen Konsequente Nachtauskühlung mit hohem Volumenstrom (Sommernächte) Volumenstrom erhöhen, solange Schmelzbereich nicht überschritten ist Regelung nach Raumlufttemperatur und Uhrzeit Materialtest und Check der Annahmen Bestimmung der realen Leistungsfähigkeit Test verschiedener PCM s Validation der Simulationsergebnisse bzw. Anpassung des Modells Bestimmung der Kühlkostenersparnis und Bestimmung des Return of Invest
25 inhaus-forum vielleicht mehr dazu auf dem inhaus-forum 2009
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