Der dezentrale Einsatz von PCM in Detlef Makulla, Leiter F...

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



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



Einsatzgebiete von PCM

Speichersysteme in der Technischen Gebäudeausrüstung

Fassaden- und Bauteilkonstruktionen

Transportkühlung in der Medizin und Pharmazie

Bekleidungsindustrie

Fahrzeugindustrie



Temperaturverlauf im Raum mit und ohne PCM

15

20

25

30

35

Raumtemperatur

Zeit

ohne PCM

mit PCM

Phasenwechsel

abgeschlossen

Raumnutzungszeit

Wärmespeicherung

durch Phasenwechsel



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



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



Tem

pera

turb

ere

ich

Rü

ckkü

hlm

ed

ium

Phasenwechsel-

bereich

Ob

erg

ren

ze

Rau

mte

mp

era

tur

Typischer Phasenübergangsbereich eines PCM



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



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



Salzhydrate

Vorteile Nachteile

o Hohe Energiespeicherkapazität

o Nicht Brennbar

o Relativ kostengünstig

o Nur Makroverkapselung möglich

o Handling beim Befüllen

o Korrosionsneigung (Salz)



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.



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



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.



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.



Projekt InHaus 2



PCM in Fassadengeräten im Projekt InHaus 2



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



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



PCM – Südraum Extrem heißer Sommertag

Datum 19.08. - 20.08.2009

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



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.



LVM Versicherung Münster



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



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



Versuchseinrichtungen zu PCM

28



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



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



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



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



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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