Unsere Referenten Fachbeitrag: TOP 2013/04 Phase Change Materials - Anwendungsmöglichkeiten in der Gebäudetechnik Name: Tobias Lembke Funktion: Technical Consultant Firma: Rubitherm Technologies GmbH Firmenlogo:
Phase Change Materials - Anwendungsmöglichkeiten in der Gebäudetechnik 12. VGIE-FACHTAGUNG ENERGIESPEICHER- GRUNDLAGE DER ENERGIEWENDE? 07.11.2013 M.ENG. TOBIAS LEMBKE
Grundprinzip von PCM zwei Arten von Wärme: Sensible Wärme Wärme in Verbindung mit Temperaturänderung Speicher: meist Wasser oder Öl Hohe Temperaturdifferenz Latente Wärme Wärme in Verbindung mit Phasenwechsel, meist fest-flüssig Speichermaterial: Paraffine, Salzhydrate geringe Temperaturerhöhung Latente Wärme: Schmelz /Kritatllisationswärme 0 C Eis 0 C Wasser H=333kJ/kg Sensible Wärme Wärmekapazität c p = 4,2kJ/kg*K 0 C Wasser 80 C Wasser H~333kJ/kg
Grundprinzip von PCM dieser reversible, physikalische Prozess kann technisch nutzbar gemacht werden Arten von PCM:
Grundprinzip von PCM Vergleich von verschiedenen Speichermedien bei T=15K:
Grundprinzip von PCM Paraffine: organisch Schmelztemperaturen von ca. -4 bis 100 C möglich brennbar hohe Zyklenstabilität, hohe Langlebigkeit hohe Volumenausdehnung beim Schmelzen Salzhydrate: anorganisch Schmelztemperaturen von ca. -21 bis 90 C möglich nicht brennbar bei fachgerechtem Gebrauch zyklenstabil und langlebig wirken korrosiv diffusionsdichte Verkapselung zwingend notwendig geringe Volumenausdehnung beim Schmelzen
Anwendungsbereiche von PCM Bauindustrie Heizungs- /Kältetechnik Klimatisierun g Solarindustrie Haushaltsgeräte Nahrungsmittel P Phase C Change M Material Pharmaindustrie Komfortprodukte Automobil Textilindustrie Transport
Anwendung in der Klimatechnik: aktive oder passive Systeme möglich Einsatz von PCM welches unterhalb der gewünschten Raumtemperatur schmilzt wenn passiv: Einsatz von PCM welches oberhalb der üblichen Nachttemperaturen gefriert Nutzen: Abpuffern sommerlicher Temperaturspitzen; Kühllasten können vom Tag in die Nacht verschoben werden (Nutzung günstig erzeugter Kälte) Anwendung in der Heizungstechnik: aktive System möglich Einsatz von PCM welches oberhalb der gewünschten Raumtemperatur schmilzt Nutzen: Zwischenspeicherung überschüssiger regenerativ erzeugter Wärmeenergie
Beispiel 1: PCM-Kühldecken Funktionsweise: PCM-Beutel oder -Platten werden in abgehängte Decken eingelegt (Schmelztemperatur z.b. 24 C) morgens (Start des Bürobetriebs) ist das PCM erstarrt und kann überschüssige Wärme aus dem Raum aufnehmen PCM wird flüssig, Raumtemperatur wird auf 24 C gehalten im flüssigen Zustand (beladen) hat das PCM keine Kühlwirkung mehr danach steigt die Raumtemperatur an die Wärme muss aus dem PCM abgeführt werden (Regeneration); über Nacht durch kalte Außenluft (passiv) oder durch Kühlschlangen in der Decke (aktiv)
Beispiel 1: PCM-Kühldecken Projektbeispiel (aktiv): Energy Efficiency Center (Würzburg) Eröffnung: Juni 2013
Beispiel 1: PCM-Kühldecken Projektbeispiel (passiv): Plus-Energie Kinderhaus (München) Eröffnung: Frühjahr 2014
Beispiel 2: zentrale Luft-PCM-Speicher Funktionsweise: PCM-Platten werden vertikal oder horizontal lammellenartig in den Außenluftkanal installiert Außenluft wird angesaugt und durch den zentralen PCM-Speicher geführt tagsüber kühlt das erstarrte PCM die warme Außenluft vor (auf Schmelztemperatur) PCM wird flüssig ein nachgeschaltetes zentrales Klimagerät dient zur Nachkühlung (geringere Leistungsanforderung da geringeres T) im flüssigen Zustand (beladen) hat das PCM keine Kühlwirkung mehr die Außenluft wird nicht mehr vorgekühlt die Wärme muss aus dem PCM abgeführt werden (Regeneration); über Nacht wird kalte Außenluft durch den PCM-Speicher geführt PCM ist morgens wieder erstarrt und einsatzbereit
Beispiel 2: zentrale Luft-PCM-Speicher Projektbeispiel: Land- und Amtsgericht (Düsseldorf) Eröffnung: 2010
Beispiel 3: dezentrale Luft-PCM-Speicher Funktionsweise: wie zentrale Luft-PCM-Speicher PCM-Platten sind lammellenartig in einer Speicherbox angeordnet Außenluft wird angesaugt und durch den dezentralen PCM-Speicher geführt tagsüber kühlt das erstarrte PCM die warme Außenluft auf die Schmelztemperatur des PCM herunter PCM wird flüssig im flüssigen Zustand (beladen) hat das PCM keine Kühlwirkung mehr die Außenluft wird nicht mehr vorgekühlt die Wärme muss aus dem PCM abgeführt werden (Regeneration); über Nacht wird kalte Außenluft durch den PCM-Speicher geführt PCM ist morgens wieder erstarrt und einsatzbereit
Beispiel 3: dezentrale Luft-PCM-Speicher Projektbeispiel 1: Notre Dame School (London) 2 dezentrale Speicher in IT-Räumen Projektbeispiel 2: Sheffield Hallam University (Sheffield) dezentrale Speicher in abgehängter Decke
Beispiel 3: dezentrale Luft-PCM-Speicher Projektbeispiel 3: großes Tropenhaus im Botanischer Garten (Berlin) 2 Kühltürme im Umluftbetrieb
Beispiel 4: zentrale Wasser-PCM-Speicher Funktionsweise: neben Wasser befindet sich PCM-Granulat (PK) im Speicher Anteil PCM 60%, Rest Trägermaterial auch über dem Schmelzpunkt behält das Material seine Granulat-artige Form bei kein Vermischen mit Wasser hohe Wärmeübertragungsfläche (ca. 1m²/l) Erhöhung der Gesamtkapazität des Speichers um Faktor 2,5 bis 3,0 (je nach T) hohe Platzersparnis in Kombination mit regenerativen Wärmeerzeugern (Wärmepumpe, Solarthermieanlagen, etc.)
Beispiel 4: zentrale Wasser-PCM-Speicher Einbindung (druckentkoppelt): Kältespeicher Wärmespeicher
Beispiel 5: Fußbodenheizung Funktionsweise: Platz zwischen Vor- und Rücklauf der Fußbodenheizung wird mit PCM-Granulat (GR) verfüllt Anteil PCM 35%, Rest Trägermaterial Schmelzpunkt des Material knapp unter Vorlauftemperatur auch über dem Schmelzpunkt behält das Material seine Granulat-artige Form bei speichert Wärme und gibt diese bei Abschaltung der FB-Heizung über Nacht ab Verminderung der Raumauskühlung
Beispiel 6: Baustoffe Funktionsweise: passiv Erhöhung der Wärmspeicherfähigkeit von Gebäude ( Gebäudemasse ) Einbringung von PCM in Wand- und Deckenverkleidungen (Putz, Gipskarton, Beton, etc.) Verkapselung (mikro/makro) zwingend notwendig ausreichender Temperaturdifferenz notwendig
Beispiel 6: Baustoffe Projektbeispiel: Energy Efficiency Center (Würzburg) Gipskartonplatten mit verkapseltem Micronal-Pulver (BASF)
Beispiel 7: Fassadenelement Funktionsweise: Einbringung von PCM z.b. in die Glasfassadenelemente Schmelzpunkt des PCM liegt auf gewünschter Raumtemperatur wird das PCM über Raumtemperatur erwärmt, nimmt es interne Wärmelasten und externe solare Strahlung auf PCM schmilzt PCM lässt Großteil des sichtbaren Lichts passieren Regeneration während der Nacht durch kalte Außenluft
Beispiel 7: Fassadenelement Projektbeispiel: Centre Professionel (Fribourg, Schweiz) Eröffnung: 2010 110 m² PCM-Glasfassade
Die Zukunft von PCM Markthemmnisse: Wirtschaftlichkeit: Material ist noch relativ hochpreisig Nischenmarkt Komfort kann kaum wirtschaftlich bewertet werden hohe Investitionskosten, bei niedrigen Betriebskosten Notwendigkeit der Berücksichtigung im Energiekonzept bereits in der Konzept- bzw. Entwurfsphase Zeitdruck und mangelnde Erfahrung im Umgang mit PCM-Applikationen bei TGA-Planern Normierung/Förderung keine Berücksichtigung in nationalen Verordnungen, Richtlinien, Normen (EnEV, DIN, VDI)
Die Zukunft von PCM VDI 2164 (Entwurf: Frühjahr 2014) neues Projekt: Einbringung von PCM in die DIN V 18599 mittelfristig: Anerkennung von PCM als förderwürdig in der EnEV Prognosen Markwachstum für PCM-Anwendungen Studie 1: von MarktsandMarkets, Dallas (USA) von Mai 2013 2013: weltweiter PCM-Umsatz 460 Mio. US-$ 2018: Wachstum um durchschnittlich 20% pro Jahr auf 1,18 Mrd. US-$ Studie 2: von Transparency Market Research, Albany (USA) von August 2013 2011: weltweiter PCM-Umsatz 350 Mio. US-$ 2018: Wachstum um durchschnittlich 19% pro Jahr auf 1,18 Mrd. US-$ wichtigste Märkte zur Zeit: Europa & Nordamerika (je ca. 30%)
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