Post on 09-Dec-2018
Phasenwechselmaterialien in Baumaterialien und Leitungssystemen
Effiziente Fernwärmenutzung für LowEx-Gebäude4./5.Oktober 2007 in Berlin
Hans-MartinHenningFraunhofer Institut für solare Energiesysteme, Freiburg
Wozu Speicher?
• Fernwärme– Vergleichmäßigung Abnahme auf Verbraucherseite
• Blockheizkraftwerke– Entkopplung von Wärme-Erzeugung und -verbrauch
• Gebäudekühlung– Direkte Nutzung von natürlichen Wärmesenken
• Zeitversetzt: Kühle Nachtluft• Begrenzte Leistung: Erdreich
– Effizienzerhöhung und Vergleichmäßigung bei Verwendung von Kältemaschinen
Vergleich Massivbau-Leichtbau
• Leichtbau schwingt 10K, Massivbau 5K
• Leichtbau verlässt Komfortbereich
-> Kältespeicher spart Energie
Formen der Wärmespeicherung
„latent“„sensibel“
WärmekapazitätWasser 4.19 J/gK0°C -> 80°C = 335J/g
SchmelzwärmeWasser/Eis0°C -> 0°C = 333J/g
Wärme Q
Tem
per
atu
r T
klassischPCM
T m
sensibel
latent
sensibel
Idealisierter Temperaturverlauf
Latentmaterialien
Bauanwendungen
Verschiedene realisierte Anwendungen für PCMs
Historie
• Erhebliche Forschungsaktivitäten (USA, Kanada) zur Bauan-wendung von PCM in den 70er und 80er Jahren des 20. Jahrhunderts– Direkteinbringung– Makroverkapselte Salze, Paraffine– Patente, aber keine Produkte
• Probleme– Austritt PCM, Störung Stoffeigenschaften– Aufwändige Einbringung– Beschädigungsgefahr– Schlechter Wärmetransport
Mögliche Lösung: Mikroverkapselung
Mikroverkapselung von Paraffinen
Quelle: BASFQuelle: BASF
• Einbringen von Paraffinen in Mikrokapseln (ca. 5-20 μm)• PMMA-Kapselwand (Polymer)• Material beliebig weiterverarbeitbar, z.B. Einbringung in Baustoffe
oder Nutzung als flüssiger Wärmeträger mit hoher Wärmekapazität im Schmelzbereich
• kleine Kapselgröße stellt hohe Wärmeleistung sicher
Konzept PCM-Baustoffe mit Mikrokapseln
Baustoffe mit PCM-Mikrokapseln
• Entwicklungsprojekt • Industriepartner
BASF, caparol, maxit, Sto und Fraunhofer ISE
• 1/1999 - 9/2004• Förderung durch
BMWi (FKZ 0329840 A-D)
• Verschiedene Produkte seit 2004 auf dem Markt
Vergleichsmessungen Zwei identisch ausgestatteteund betriebene Testräume -mit zwei Produktenje ein Jahr vermessen
Ergebnis: - nächtliche Entwärmung
ist wesentlich- bis zu 4 K Differenz
Vergleich mit/ohne PCM
Vergleich mit/ohne PCM
Am Markt verfügbare Produkte
Neubau/RenovationTrockenbauInnenanwendung1,5mm / 30% PCM
Neubau/Renovationflüssige ApplikationInnenanwendungBis 30mm / 20% PCM
NeubauWandmaterialWohnungsbau
SmartBoard™
BASF: micronal
Wassergestützte Systeme
• Nachteile passiver Anwendung– Luft-Wand-Wärmergang limitiert
Speicherfähigkeit– einzige Kältequelle ist Nachtluft
• Lösung– aktiv durchströmte Systeme– verbesserter Wärmeübergang– beliebige Kältequelle anschließbar
• Entwicklungs-Projekt 9/2004 -8/2007– BASF, caparol, maxit, BTU
Cottbus, Fraunhofer ISE– Förderung durch BMWi (FKZ
0327370 F-I, S)
Prinzipschema
• Kühldecke Putz in Kombination mit Kapillarrohrmatten• Fragestellungen
– Schmelzpunkt des PCM– Position/Typ der Kapilarrohrmatten– Regelungskonzepte– mögliche Energieeinsparung
Zusammenfassung PCM-Baustoffe
Was ist möglich
Kühlenergie einsparenKomfort erhöhenAktive und passive SystemeBauprodukte wie Gipsputzeund Platten verfügbarTemperaturreduktion um bis zu 4KBrandklasse B1
Was ist nicht möglich
PCM ist kein Ersatz für Dämmung & SonnenschutzÜberhitzungsschutz durch Außeneinsatz an FassadenAktiv beheizen oder abkühlenBe- und Entfeuchtung der LuftBrandklasse A mit Paraffinen
Weitere Anwendungen und Produkte
• ZAE Bayern: neue PCM Produkte durch Um-mantelungs-technik
• Doerken: Salzhydrate in Makro-kapseln
PCM
ParaffinSalzhydrat
Trägerstruktur[mm]
Polymer-Beschichtung
modifiziertesBaumaterial
Weitere Anwendungen und Produkte
• Imtech:Brüstungs-gerät zur Klimatisierungmit PCM
• Fa. Rubitherm: unterschiedliche Materialien und Systeme (z.B. Platten, Granulat) auf Basis Paraffin und Salze
• Fa. Dupont: „energain“ alu-kaschierte Platte mit Polymer-Paraffin-Matrix
Kein Anspruch auf Vollständigkeit
PCM-Slurry: Speicherdichte (Vgl. Wasser)
30% 150 kJ/kg
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
50% 150 kJ/kg
40% 150 kJ/kg
35% 150 kJ/kg
Ent
halp
ie P
CS
/Ent
halp
ie W
asse
r [-]
Schmelzbereich [K]
Vorteile PCM-Slurry
• Phasenwechsel-Slurries bestehen aus einer Trägerflüssigkeit (i.d.R. Wasser) und einem Material das bei Änderung seines Aggregatzustandes große Wärmemengen aufnehmen oder abgeben kann
PCM pumpbarErhöhung KapazitätSpeichergröße kann (gegenüber PCMin Baustoffen) unabhängig von der zurVerfügung stehenden Raumgrößeskaliert werdenDurch den quasi isothermen Temperatur-verlauf beim Schmelzen der PCM kannWärme nahe der tatsächlichen Anwendungs-temperatur gespeichert werden Vorteilz.B. bei der Kälteerzeugung durch höhereVerdampfertemperaturenFörderung durch BMWi (0327384 A-C)
Grundlagen/Technologien
• „Ice-Slurries“– Suspension aus Wasser und Eis
• Mikroverkapselte Paraffine– Kapselmaterialien: PMMA, Melamin-Harz, Polyurethan, Gelatine/Gummi– Paraffine C14 – C50
• Paraffin Emulsionen– Verschiedene Tenside (Emulgatoren) sind im Einsatz– Trägerflüssigkeit muss hydrophil sein– Paraffine C14 – C50
• Clathrate (Einschlußverbindungen)– CO2 –Wasser, N2 –Wasser, tetra butylammonium bromid (TBAB)-
Wasser
Mikroverkapseltes Paraffin - Merkmale
• Bis etwa 35% (40% bei hoher Viskosität) möglich
• Scherstabilität der Kapsel• Enthalpien etwas geringer
als bei Emulsionen durch Anteil der Kapselwand
• Kosten der Paraffine besonders bei niedrigen Schmelztemperaturen und kleinen Schmelzbereichen (reine Paraffine)
• Kosten der Kapselung• Vermeidung von Unter-
kühlung essentiell
Paraffin Emulsionen – Merkmale
• Bis etwa 40% (50% bei hoher Viskosität) möglich
• Stabilität bei Phasenwechsel ist schwierig
• Enthalpien bei etwa 60 kJ/kg (30%)
• Kosten der Paraffine besonders bei niedrigen Schmelz-temperaturen und kleinen Schmelzbereichen (reine Paraffine) hoch
• Unterkühlung verringert den energetischen Vorteil der PCS
Paraffin Emulsionen
• Beispiel: Druckverlust einer 30% Emulsion im Vergleich zu Wasser
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Diff
eren
zdru
ck [b
ar]
Wasser bei 12°CPCS-Emulsion 20°C Arlypon 1% RT12 30%
Volumenstrom [l/h]
Paraffin Emulsionen
• Beispiel: Kühlen einer Paraffin-Emulsion Schmelzbereich ca. 10-22°C
Anwendungen mikroverkapselter Paraffine
• Bei den Mikrokapsel-Slurries gibt es bislang eine bekannte Anwendung in Japan
Quelle: Inaba, Dept of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, OkayamaUniversity
Weitere mögliche Anwendungen
• Kältespeicher für Anlagen, die natürliche Wärmesenken nutzen
• Zeitliche Verschiebung der in Gebäuden anfallenden Wärme in die Nacht um angeschlossene Kälteerzeuger bei besseren Umgebungsbedingungen zu betreiben
• Peak-Shifting um Netze zu entlasten
• Verkleinerung von Speichern um den Platzbedarf von Anlagen zu minimieren
Zusammenfassung
• Wärmespeicher bzw. Kältespeicher sind eine zentrale Komponente zur Nutzung von Umweltwärmequellen bzw. –senken
• Latentwärmespeicher auf der Basis von PCM sind insbesondere dann von Interesse, wenn ein enger Temperaturbereich von Interesse ist– Kälte– Raumklimatisierung– Bereitschaftsteil von Wärmespeichern
• Baustoffe mit PCM in unterschiedlichen Produkten am Markt verfügbar
• Wärmeträgerflüssigkeiten mit PCM (PC-Slurry) in der Entwicklung– Aussichtsreich als fließfähiges Speichermaterial– Erhöhung der Kapazität vorhandener Kältenetze