Der dezentrale Einsatz von PCM in Detlef Makulla, Leiter F...
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Detlef Makulla Der dezentrale Einsatz von PCM
in der Gebäudetechnik, 1
Der dezentrale Einsatz von PCM in der Gebäudetechnik
Detlef Makulla, Leiter F&E
Caverion Deutschland GmbH
Fachverband
Gebäude-Klima e. V.
Berlin, 14./15. April 2016
Detlef Makulla Der dezentrale Einsatz von PCM
in der Gebäudetechnik, 2
PCM = Phase Change Material Latentspeichermaterial auf Salzhydrat- oder Paraffinbasis
mit Schmelzbereich von 21 – 23°C
für den Einsatz in der Gebäudetechnik
Der dezentrale Einsatz von PCM in der
Gebäudetechnik
Inhalt
• Eigenschaften und Ziele des PCM-Einsatzes
• Vergleich Paraffine – Salzhydrate
• Leistungsverhalten
• Dezentrale Einsatzmöglichkeiten und Beispiele
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Einsatzgebiete von PCM
Speichersysteme in der Technischen Gebäudeausrüstung
Fassaden- und Bauteilkonstruktionen
Transportkühlung in der Medizin und Pharmazie
Bekleidungsindustrie
Fahrzeugindustrie
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Temperaturverlauf im Raum mit und ohne PCM
15
20
25
30
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Raumtemperatur
Zeit
ohne PCM
mit PCM
Phasenwechsel
abgeschlossen
Raumnutzungszeit
Wärmespeicherung
durch Phasenwechsel
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Prinzipieller Zyklusverlauf mit PCM und Spitzenkühlung
6 12 18 24
0
5
10
- 5
- 10
PCM-Regeneration
(z.B. über Kühlturm)
Spitzenkühlung
Kältemaschine
Zeit
Wärmestrom
PCM-Wärmeaufnahme
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Ziele durch den Einsatz von PCM
Speichern der
anfallenden
Wärme im
Raum über
PCM am Tag
Abführung der
gespeicherten
Wärme durch:
• freie Kühlung
• Geothermie
• Außenluft
in der Nacht
Reduzierung des
Energieverbrauchs für
die Kälteerzeugung
sowie der Größe der
Kältemaschine
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Tem
pera
turb
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Rü
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Phasenwechsel-
bereich
Ob
erg
ren
ze
Rau
mte
mp
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tur
Typischer Phasenübergangsbereich eines PCM
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Eigenschaften eines idealen PCM
Geeignete Schmelz-/Erstarrungstemperatur
Enger Schmelz- und Erstarrungsbereich
Geringe Unterkühlung
Hohe Wärmespeicherkapazität (latent & sensibel)
Hohe Wärmeleitfähigkeit
Hohe Phasenstabilität
Hohe Langzeitstabilität
Geringe thermische Volumenausdehnung
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Paraffine
Vorteile Nachteile
o Enger Schmelzbereich
o Chemisch inert
o Mikroverkapselung möglich
o Brennbarkeit
o Höhere Materialkosten gegenüber
Salzen
o Geringere volumenspezifische
Schmelzwärmen
o Geringe Wärmeleitfähigkeit
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Salzhydrate
Vorteile Nachteile
o Hohe Energiespeicherkapazität
o Nicht Brennbar
o Relativ kostengünstig
o Nur Makroverkapselung möglich
o Handling beim Befüllen
o Korrosionsneigung (Salz)
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Welche PCM-Systeme in Gebäuden sind möglich?
Passive Systeme
PCM in der Gebäudestruktur (Wände, Decke)
Die Berechnung der nutzbaren Kapazität ist schwierig.
Aktive Systeme
PCM in Zentralspeichern als Bestandteil der RLT-Anlage
PCM in dezentralen Fassadengeräten
PCM in Kühldecken bzw. Kühlsegeln
Die Berechnung der nutzbaren Kapazität ist auf der Basis von Laboruntersuchungen möglich.
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Wieviel PCM wird benötigt?
Äquivalenzbetrachtung Person
Wärmeabgabe 80 W über 8 h 640 Wh
PCM Salzhydrat 158 kJ/kg = 44 Wh
Erforderliche PCM Masse 14,5 kg
Entsprechendes PCM Volumen 9,7 l
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Passive PCM-Systeme
Passive Systeme versuchen, das Manko geringer
Speichermassen bei modernen Gebäuden auszugleichen.
Angaben zu Leistungen und Regenerationszeiten im konkreten
Anwendungsfall sind nur mit Simulationsrechnungen möglich.
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Aktive PCM-Systeme
Aktive Systeme können für den Anwendungsfall konkret
dimensioniert werden.
Seriöse Hersteller haben dazu entsprechende Messungen
vorzuweisen.
Die Leistungen von aktiven Systemen sind deutlich größer als von
passiven Systemen.
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Projekt InHaus 2
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PCM in Fassadengeräten im Projekt InHaus 2
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PCM-Fassadengerät
Zuluftvolumenstrom 120 m³/h
PCM Masse 63 kg
Spezifische Schmelzenthalpie 140 kJ/kg
Speicherbare Wärmemenge 8.820 kJ = 2.450 Wh
Mittlere äquivalente Leistung 306 W über 8 Stunden
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PCM – Südraum Heißer Sommertag
Datum 23.08. - 24.08.2009
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
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
Uhrzeit [h]
Tem
pera
tur
[°C
]
GLT_Aussen_LT [°C] Para_vorA_LT [°C] Para_nachD_LT [°C]
Außenlufttemperatur Temperatur vor PCM
Temperatur nach PCM
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PCM – Südraum Extrem heißer Sommertag
Datum 19.08. - 20.08.2009
10.0
15.0
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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
Uhrzeit [h]
Tem
pera
tur
[°C
]
GLT_Aussen_LT [°C] Para_vorA_LT [°C] Para_nachD_LT [°C]
Außenlufttemperatur Temperatur vor PCM
Temperatur nach PCM
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Systembeschreibung PCM-Kühldecke
Kühldecke mit Hohllamellen, bzw. Hohlprofilen, welche mit PCM
Material gefüllt sind
Wärmebeladung des PCM Speichers rein konvektiv aufgrund
großer Oberfläche
Kein Ventilator erforderlich
Regeneration des Speichers mit Wasser aus Kühlturm, Brunnen,
Erdsonden, etc.
Als Wassertemperatur sind zur Regeneration 18°C ausreichend.
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LVM Versicherung Münster
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Leistungsdaten des PCM-Kühldeckenprofils
1 Aluminiumlamelle
2 PCM in Schutzsack
3 Kupferrohr für Wasser
zur Regeneration oder
Spitzenkühlung
Maximales Füllvolumen 2,21 l/m
Nutzbares Füllvolumen 80% 1,77 l/m
Massebezogene Schmelzenthalpie
Salzhydrat 158 kJ/kg = 44 Wh/kg
Spezifisches Gewicht fest/flüssig 1,6 / 1,5 kg/l
Volumenbezogene Schmelzenthalpie 237 kJ/l = 66 Wh/l
Längenbezogene Schmelzenthalpie 420 kJ/m = 117 Wh/m
Längenbezogenes PCM Gewicht 2,66 kg/m
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LVM Versicherung Münster „Kristall“
• 20.000 m² auf 18 Etagen für 500 Mitarbeiter
• Plus-Energie-Haus und DGNB Gold Zertifizierung
• BHKW, Betonkernaktivierung, Erdsonden, Photovoltaik, Biogas, PCM
• Krantz Komponenten Hybrid PCM Kühldecke
• 150 m² in 4 Konferenzräumen mit insgesamt 2.500 kg PCM
• Forschungsvorhaben zu PCM Praxiserfahrungen
PCM Konferenzräume
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Versuchseinrichtungen zu PCM
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Vorteile der PCM - Kühldecke
Zusätzlicher Systemaufwand gering
Nutzung von Energiequellen mit hohem Temperaturniveau zur Regeneration möglich
Hohe Leistungsdichte durch Lamellenstruktur
Verringerung der zu installierenden Kältemaschinenleistung
Reduktion der Kältemaschinenlaufzeit
Parallelkühlung über PCM und Kühldecke möglich
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Vergleich der PCM Systeme
PCM-Kühldecke PCM-Fassadengerät
Außenluftversorgung integriert nein ja
Ventilator erforderlich nein ja, dezentral
Kühlturm erforderlich ja nein
Direkte Außenluftnutzung zur Regeneration nein ja
Nutzbares Kühlpotenzial der Außenluft hoch mittel
Leistungsfähigkeit hoch mittel
Kühlung bei verbrauchtem Speicher mit Kaltwasser möglich ja ja
Wärmeübertragung durch Strahlungsanteile ja nein
Behaglichkeit im Raum hoch mittel
Nachrüstbarkeit ja ja
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Systemvergleich PCM Typräume
System Micronal-Kapseln
in GK-Platten an Wand und Decke
PCM Lamellen-Kühldecke
PCM Fassadengerät
PCM Materialbasis Paraffin Paraffin oder Salzhydrat
Paraffin oder Salzhydrat
Systemtyp passiv aktiv aktiv
Wärmeaufnahme-fähigkeit über 8 Std.
11-21 W/m2 Fußboden 57 W/m2 Fußboden 45 W/m2 Fußboden
Regenerationszeit > 10 h 6 -7 h 8 h
Integration der Außenluftversorgung
nein möglich ja
Nutzung freier Kühlung zur Regeneration
nur über RLT Anlagen oder öffenbare Fenster
ja, mittels Kühlturm bis Kühlgrenztemperatur
ja, mit Außentemperatur
Nachkühlung, falls PCM erschöpft
nein ja ja
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Resümee
Systeme mit PCM haben im Labor und in Feldmessungen ihre Leistungs-
fähigkeit bewiesen.
Aktive Systeme haben gegenüber passiven Systemen deutliche Vorteile.
Der dezentrale Einsatz ist im Bereich von Kühldecken und Fassadengeräten
möglich.
Wenn wenig Platz zur Verfügung steht, sind PCMs auf Salzhydratbasis
aufgrund der höheren Energiedichte besser geeignet.
Bei einem wirtschaftlichen Vergleich sind Mehrkosten zu einem Standard-
system und Einsparungen im Bereich der Kälteerzeugung (Invest -und
Verbrauchskosten) zu berücksichtigen.
Der Einsatz von PCM Systemen könnte in der Zukunft an Bedeutung
gewinnen, wenn die gesetzlichen Anforderungen der EPBD wirksam werden
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Forschungsvorhaben
7 Teilprojekte
hinterlüftete PCM-Kühldecke
PCM-Kompaktspeichergerät für Büroräume
PCM-haltige Bodenplatte als Wärmespeicher für Wohngebäude
wasserdurchströmte PCM-Kühldecke mit vertikalen Lamellen
Comfort-Boards in Raumumschließungsflächen zur passiven Raumkühlung
modularer PCM-Wärmespeicher für Wohn-gebäude
wasserdurchströmte PCM-Heiz-/Kühldecke in Kombination mit PCM-Wandelementen
Gesamtkosten: 3,1 Mio. €
davon Fördermittel: 2,3 Mio. €
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit