Latentwärmespeicher in Gebäuden

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1 Latentwärmespeicher in Gebäuden Grundlagen und Anwendungsgebiete Dipl-Ing. (FH) Thomas Haussmann Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Klima Forum - ISH Frankfurt, 2013 Fachverband Gebäude-Klima e. V. 1

2 Latentwärmespeicher in Gebäuden Was sind Latentwärmespeicher (PCM)? Wie funktioniert latente Wärmespeicherung? Welche Möglichkeiten der Anwendung in Gebäuden gibt es? Qualitätssicherung (RAL GZ 896) Standardisierung, Normierung VDI

3 Angebot und Nachfrage Heizen Kühlen Brauchwasser Total Solar Monat 3

4 Wärme- und Kältespeicher: Technologien KLIMA-FORUM Speicherdichte Anwendung in der Praxis 4

5 Latentwärmespeicher PCM KLIMA-FORUM Definition: PCM sind Materialien, die ihren Aggregatszustand von fest zu flüssig oder ihren Kristallisationszustand von fest zu fest in einem definierten Temperaturbereich reversibel verändern (Phasenübergang). Quelle: Wikipedia 5

6 PCM Materialklassen Quelle: Bine 6

7 Taschenwärmer Prozesswärme KLIMA-FORUM Medizintechnik Fluide PCM Gebäude Textilien Transportsysteme Temperatursicherung 7

8 Latentwärmespeicher in Gebäuden Was sind Latentwärmespeicher (PCM)? Wie funktioniert latente Wärmespeicherung? Welche Möglichkeiten der Anwendung in Gebäuden gibt es? Qualitätssicherung (RAL GZ 896) Standardisierung, Normierung VDI

9 Temperat ur T KLIMA-FORUM Wärmespeicherung in PCMs isotherme Wärmespeicherung in Phasenübergängen i.d.r. niedrigere sensible Wärmespeicherfähigkeit Hohe Speicherdichte in kleinen Temperaturbereichen nah an Anwendungs-temperatur T m latent sensibel PCMs sind ein gutes Hilfsmittel um große Wärmemengen in kleinen Temperaturbereichen zu speichern sensibel Wärme Q klassisch PCM 9

10 Latentwärmespeicher in Gebäuden KLIMA-FORUM Latentwärmespeicher erlauben die Vorteile beider Bauweisen zu kombinieren: Leichte Gebäude werden thermisch schwer 10

11 Latentwärmespeicher in Gebäuden Was sind Latentwärmespeicher (PCM) Wie funktioniert latente Wärmespeicherung Welche Möglichkeiten der Anwendung in Gebäuden gibt es Qualitätssicherung (RAL GZ 896) Standardisierung, Normierung VDI

12 PCM passiv Baustoffe mit PCM-Mikrokapseln PCM wird in Baustoffe integriert 20% - 40% Leichtbauweise vorteilhaft Einsatz nahe am Nutzer Verschiedene Produkte am Markt erhältlich KLIMA-FORUM Wichtig: konventionelle Wärmeschutzmaßnahmen vorziehen Nachtlüftung 12

13 Wandoberflächentemperaturen für 15mm Gipsputz mit 20% PCM Außerhalb des Schmelzbereiches kaum Unterschiede zw. Referenz und PCM Im Schmelzbereich wird der Temperatur-anstieg verzögert Bis zu 4K Temperaturunterschied wurden gemessen Abhängigkeit von Nachtluft kann problematisch sein 13

14 aktiv durchströmte Bauteile mit PCM Aktiv durchströmte Systeme bieten: Verbesserter Wärmeübergang Beliebige Kältequelle anschließbar Entwicklungs-Projekt 09/ /2008 BASF, Caparol, maxit, Valentin Energiesoftware, BTU Cottbus, Fraunhofer ISE FKZ: F-I,S 14

15 Vorteile der Kombination aktiver Systeme mit PCM Verschiebung aktiver Kühlung von Tag in die Nacht => Aufwand für Kälteerzeugung wird reduziert Akkumulierung überschüssiger Energie im PCM-Speicher => bei Systemen mit hohen Leistungskosten, aber geringen Betriebskosten Reduzierung der Betriebsstunden durch passive Kühlung 15

16 temperature [ C] volume flow [m³/h] PCM-Kühldecke mit Kompressionskälte Raumtemperatur steigt nicht über 25 C PCM-Speicher wird vollständig genutzt tagsüber keine aktive Kühlung Längere Ansprechzeit ,5 2 1,5 1 0, :00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 time ambient temperature temperature plaster (back side) air temperature (height 1.95m) supply temperature volume flow

17 PCMs in der Lüftungstechnik - zentrale Speichersysteme Anwendung in zentralen und dezentralen Lüftungsanlagen Aktuelle Forschung: Amts und Landgericht Düsseldorf Kombination eines Erdluftregisters mit einem PCM-Speicher zur Vorwärmung und Vorkühlung der Luftströme 17

18 PCM-Zentral Vorwärmung und Vorkühlung Bisher: PCM zum erreichen der Endtemperatur eingesetzt => entw. Heizen oder Kühlen Hier: PCM nur annähern an Endtemperatur => sowohl Heizen und Kühlen Zentraler PCM-Speicher in Lüftungsanlage Gebäude seit Anf in Betrieb Quelle: agn Amts- und Landgericht Düsseldorf 18

19 Funktionsweise zentraler Speicher Düsseldorf KLIMA-FORUM

20 PCM in der Lüftungstechnik dezentrale Speichersysteme Einzelraumkühlung mit dezentralen Lüftungssystemen Regeneration im Umluftbetrieb oder Außenluftbetrieb Neubau/Renovierung FOLIEN EMCO 20

21 Funktionsweise dezentrale Speichersysteme KLIMA-FORUM

22 Zentrale PCM-Speicher PK- Wärmespeichergranulat / Paraffin-Polymer-Compound Gebundenes PCM auf Polymerbasis kein Paraffinaustritt große Wärmeübertragungsfläche ( bis 1m³/l) Einsatz in Verbindung mit Wasser als Wärme-Transport-Medium

23 Zentrale PCM-Speicher PK- Speicher Einfache Schüttung als Wärme/Kältespeicher Keine unlösbare oder strömungsdichte Kumulation Wasser oder Luft als transportmedium Hohe Kapazität ( bis zu 45Wh/kg bzw. 31Wh/l) Einspeicherprozess geladen Ausspeicherprozess entladen

24 Zentrale PCM-Speicher zentrale Wärme- oder Kältespeicher indirekte Einbindung über WT Deckung von Grundlast und Lastspitzen 2,5 bis 3,0-fache Speicherkapazität als herkömmliche sensible Wasserspeicher mögliche Schmelztemperaturen: C (Material: PK)

25 Anwendungsbereiche von PCM Gebäudetechnik zentrale Kältespeicher indirekte Einbindung über WT Deckung von Grundlast und Lastspitzen 2,5 bis 3,0-fache Speicherkapazität als herkömmliche sensible Wasserspeicher Verbesserung des Wirkungsgrad der Kältemaschine mögliche Schmelztemperaturen: 5-10 C (Material: PK)

26 Paraffine werden z.b. als Emulsionen oder verkapselt transportiert deutlich erhöhtes Speichervermögen (Faktor 2-4), dadurch kleinere Speicher möglich geringere Verluste durch isotherme Speicherung Höhere Transportleistung in hydraulischen Netzen geringere Massenströme möglich nachrüstbar hohe Be- /Entladeleistungen durch Dimensionierung der Wärmeübertragerfläche erreichbar höhere Viskosität Langzeitstabilität noch zu verbessern KLIMA-FORUM Phasenwechselfluide (engl. Phase Change Slurries, PCS) 26

27 Mikrokapseln Harte Hülle: z.b. Melaminharz, PMMA nm Hochreines Paraffin (teuer): Tetradekan, 6 12 C Hexadekan, C up to 230 kj/kg (64Wh/kg) Emulgierte Tröpfchen Emulgatoren: z.b. anionisch, kationisch < 20 nm Blend (wirtschaflicher): Mischung verschiedener Paraffine breiterer Schmelzbereich geringere Enthalpie (180 kj/kg; 50Wh/kg ) Suspension Emulsion/ Suspension 27

28 Latentwärmespeicher in Gebäuden Was sind Latentwärmespeicher (PCM) Wie funktioniert latente Wärmespeicherung Welche Möglichkeiten der Anwendung in Gebäuden gibt es Qualitätssicherung (RAL GZ 896) Standardisierung, Normierung VDI

29 RAL Gütezeichen PCM vereinheitlichte Meßverfahren für PCM und PCM- Verbundmaterialien und neuerdings Systeme aktuell haben sich 7 Firmen zu einer Gütegemeinschaft zusammengeschlossen: BASF, Rubitherm, Doerken, EMCO, SGL, Sasol, Salca (offen für weitere!!) Prüfvorschriften für PCM, PCM- Verbundmaterialien, PCM-Objekte und PCM- Systeme 3 Gütekriterien: Enthalpie-Temperatur-Verlauf, Reproduzierbarkeit des Phasenübergangs, Wärmeleitfähigkeit Zertifizierung durch externe zugelassene Einrichtungen mit regelmäßigen Kontrollmessungen zur Sicherung der Produktqualität KLIMA-FORUM 29

30 Ergebnisdarstellung Muss für Heizen und Kühlen angegeben werden! KLIMA-FORUM 30

31 Weitere Qualitätskriterien KLIMA-FORUM Zyklenstabilität Zyklenklassen definiert von A-F = Zyklen Prüfverfahren definiert Wärmeleitfähigkeit Zugelassene Prüfverfahren definiert 31

32 Latentwärmespeicher in Gebäuden Was sind Latentwärmespeicher (PCM) Wie funktioniert latente Wärmespeicherung Welche Möglichkeiten der Anwendung in Gebäuden gibt es Qualitätssicherung (RAL GZ 896) Standardisierung, Normierung VDI

33 VDI 2164 Latentwärmespeichersysteme in der Gebäudetechnik KLIMA-FORUM Thermisch unterschieden sich PCM-modifizierte Produkte erheblich von klassischen Systemen. Derzeit wird eine VDI-Richtlinie erarbeitet, die v.a. Planer von PCM-Systemen bei der Auslegung helfen sollen. Richtlinie enthält Prüfvorschriften für Hersteller und Planungshilfen für Planer und Anwender zu - aktive PCM Kühldecken - zentrale PCM-Speicher - dezentrale Speicher - Fassadenelemente - PCM Baustoffe Gründruck erscheint voraussichtlich Ende

34 Zusammenfassung PCM sind eine gute Möglichkeit den Energiebedarf für Gebäudetemperierung zu reduzieren und damit einen erheblichen Beitrag zu den Klimaschutzzielen zu leisten ohne Komforteinbußen PCM auf Paraffinbasis sind weit entwickelt und viele Baustoffe sind bereits heute marktverfügbar. Sowohl Renovierung als auch Neubau kann thermisch aufgewertet werden PCMs werden zunehmend Standardisiert. Ein RAL Gütesiegel steht zur Verfügung, an einer VDI-Norm wird derzeit gearbeitet 34

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