Umweltfreundlich Energieeffizient - Frigoteam€¦ · lischen Weiche, beziehungsweise der zum...
Transcript of Umweltfreundlich Energieeffizient - Frigoteam€¦ · lischen Weiche, beziehungsweise der zum...
Thermische Energiespeicher
mit PCM-Latentspeichertechnologie
(PCM = Phase Change Material)
für Kälte- und Klimaanlagen
Umweltfreundlich
Energieeffizient
Zukunftssicher
3
UNSERE KÄLTE-
ANLAGEN SCHONEN
DIE UMWELT!
Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
PCM-Latentspeicher
Die F-Gase-Verordnung
Erneuerbare Energien sind die wichtigste Stromquelle in Deutsch-
land und ihr Ausbau eine zentrale Säule der Energiewende. Un-
sere Energieversorgung soll klimaverträglicher werden und uns
gleichzeitig unabhängiger vom Import fossiler Brenn-, Kraft-,
und Heizstoffe machen.
Die Stromversorgung in Deutschland wird immer grüner und der
Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch wächst
beständig: Von rund 6 % im Jahr 2000 auf rund 36 % im Jahr
2017. Bis zum Jahr 2025 sollen 40 – 45 % des in Deutschland ver-
Was sind Latentspeicher
Thermische Speicher erlangen in einer Energiewirtschaft mit ei-
nem zunehmenden Stromanteil aus fl uktuierenden Quellen, wie
Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen oder Blockheizkraftwer-
ken, eine wachsende Bedeutung. Eine Möglichkeit der thermi-
schen Speicherung besteht in der Nutzung von Phasenwechsel -
materialien (Phase Change Material, kurz PCM), bei denen die Käl-
te / Wärme in einem reversiblen Phasenübergang gespeichert wird.
Die gültige F-Gase-Verordnung EU Nr. 517 / 2014 reduziert das
2015 festgelegte CO2-Äquivalent der bisher verwendeten F-Ga-
se (Kältemittel) von 2.182.520.574 kg bis zum Jahr 2030 auf
458.329.321 kg.
Das entspricht einer Reduzierung auf 21 %. Dies hat zur Folge,
dass nur noch Kältemittel mit niedrigen GWP-Werten zum Ein-
satz kommen. In der Regel sind dann diese Kältemittel leicht
entflammbar oder brennbar, Sicherheitsgruppe A2L oder A3. Käl-
te- / Klimaanlagen werden in der Zukunft deshalb nicht mehr als
direkte Verdampfungsanlagen mit großen Kältemittelfüllmengen
ausgeführt, sondern der Kältetransport vom Kälteerzeuger zur
brauchten Stroms aus erneuerbaren Energien stammen. So sieht
es das Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG) vor.
Dieses Angebot an elektrischer Energie steht aber systembedingt
nur mit starken Schwankungen zur Verfügung, so dass Angebot
und Nachfrage nicht immer übereinstimmen.
Dies hat zur Konsequenz, dass das stark schwankende Angebot
an elektrischer Energie gespeichert werden muss. Hierfür bieten
sich elektrische Batteriespeicher oder alternativ PCM-Latentspei-
cher als thermische Energiespeicher an.
Die Vorteile dieser Art der Wärmespeicherung liegen zum einen in
der Speicherung der Kälte / Wärme auf einem relativ konstanten
Temperaturniveau, sowie in den erreichbaren, hohen Speicher-
dichten. Da die Kälte / Wärme ohne signifi kante Temperaturän-
derung, quasi „versteckt“ gespeichert wird, spricht man auch von
Latentwärmespeicherung.
Kühlstelle wird als Kaltwasser- oder Kaltsolesystem ausgeführt.
Die F-Gase Verordnung schafft somit indirekt auch die Vorausset-
zung zur Einbindung eines PCM-Speichersystems in Kälte- und
Klimaanlagen.
4
Die nachfolgende Abbildung verdeutlicht diese Zusammenhänge in
einer schematischen Darstellung.
Im Phasenwechsel eines PCM besteht eine sehr große Speicher-
kapazität, während die Temperatur quasi konstant bleibt (latente
Energie). Beim sensiblen Wärmegewinn hingegen steigt die Tem-
peratur des Materials an.
Temperatur
kleine Temperatur-differenz
Schmelzen
Erstarren
latentsensibel sensibel
große Speicherkapazität Wärme
Latentenergiespeicher nach dem PCM (Phase Change Material)-Verfahren für Kälte- und Klimaanlagen
In der Praxis werden hierfür PCM-Elemente auf der Baustelle
einfach durch eine entsprechende Flanschöffnung in den Spei-
cher eingebracht. Diese verteilen sich dann automatisch zwi-
schen den beiden horizontal eingebrachten Lochblechen.
In der folgenden Abbildung ist der generelle Aufbau der Hydrau-
lischen Weiche, beziehungsweise der zum PCM-Latentspeicher
erweiterten Variante, zu sehen.
Links die Primärseite mit Vor- und Rücklauf eines Kälteerzeugers
(für Speicher-Beladung, PCM wird eingefroren) und die Sekun-
därseite rechts mit Vor- und Rücklauf der Verbraucher (Speicher-
Entladung, PCM wird aufgeschmolzen für Kühlbetrieb).
Je nach PCM-Typ kann somit bis zu 50 kWh „Kälte“ pro m³ ein-
gespeichert werden.
Die Speicher verfügen über Inhalte von 500 bis zu 10.000 Liter, das entspricht Speicherkapazitäten von 25 bis 500 kWh.
Bei dem Einsatz von umweltfreundlichen Kältemitteln wie Pro-
pan oder Ammoniak kommen durch die speziellen Eigenschaften
dieser Kältemittel (brennbar / toxisch) fast ausschließlich Kalt-
wasser- oder Kaltsolesysteme für den „Kälte“-Transport vom
Flüssigkeitskühler zu den Kühlstellen zum Einsatz.
Der Einsatz dieser umweltfreundlichen Kältemittel mit niedrigen
GWP-Werten wird besonders durch die seit Januar 2015 gültige F-
Gase Verordnung (EU) Nr. 517 / 2014 über fluorierte Treibhausgase
vorangetrieben.
Ein wichtiger Bestandteil dieser Anlagen ist die „hydraulische Weiche“, eingebaut zwischen Kälteerzeuger / Flüssigkeitskühler
und den einzelnen Kühlräumen oder Kühlmöbel.
Die von uns entwickelte hydraulische Weiche für ein Kaltwas-
ser- / Kaltsolesystem kann ohne großen Aufwand zu einem PCM-
Latent speicher erweitert werden.
Durch diese Erweiterung kann im Kaltwasser- / Kaltsolesystem
eine große Mengen an „Kälteenergie“ auf kleinstem Raumvo-lumen eingespeichert werden.
Temperatur-Wärme-Diagramm für Phasenübergänge
5
Vorteile des PCM-Speichersystems
Diese Geometrie garantiert einen schnellen und effektiven Pha-
senwechsel des Materials im Inneren der Kunststofflinsen / -ku-
geln. Die Geometrie der Linsen ist patentiert. Die Linsen / Kugeln
werden mit Hilfe des umlaufenden Wasser-Frostschutzgemisches
der Kälteanlage im Ladebetrieb gefroren bzw. im Entladebetrieb
wieder geschmolzen. Dieser Vorgang erfolgt bei nahezu konstan-
ter Temperatur und kann ohne Verschleiß beliebig oft wieder-
holt werden. Der PCM-Latentspeicher erfordert keinen zusätzli-
chen Wartungsaufwand.
Ein Vorteil der latenten Energiespeicherung gegenüber der ei-
nes Eisspeichers ist die Nutzbarkeit unterschiedlicher Tempe-raturbereiche. Je nach Anwendung können PCM-Elemente mit
passenden Schmelztemperaturen gewählt werden, sodass die
Energie nicht nur bei 0°C, sondern auch bei weit geringeren oder
höheren Temperaturen eingespeichert werden kann.
Der PCM-Latentspeicher hat ein sehr weites Anwendungsge-biet. Er kann als thermischer Zwischenspeicher für Kälte aus
günstigem Strom (Überschuss einer PV-Anlage, negative Regel-
energie) oder aber als Reserve und Rückhaltung für Lastspitzen
oder Notfallversorgungen dienen. Mit einem PCM-Latentspeicher
kann die Effizienz und die Versorgungssicherheit eines Systems
erhöht werden.
Genauere Beschreibungen zu Anwendungsfällen sind im nächs-
ten Kapitel aufgeführt.
Die Speicherung basiert auf dem Schmelzwärmeprinzip (Pha-
senänderung des Mediums) mit dem Vorteil, dass auf kleinstem
Raum große Energiemengen gespeichert werden.
Dazu werden die Kunststofflinsen, sogenannte „HeatSels“ oder
die Kunststoffkugeln mit einem für den Anwendungsfall und Temperaturbereich eingestelltem Eutektikum / Salzhydrat in die
hydraulische Weiche eingebracht.
Das PCM (Phase Change Material) befindet sich in luftdicht ver-
schweißten Linsen / Kugeln mit einer speziellen Geometrie aus
Kunststoff (HDPE).
EintrittKaltsoleerzeuger
EintrittKaltsoleerzeuger
AnlagenrücklaufKaltsole
AnlagenrücklaufKaltsole
AnlagenrücklaufKaltsole
AnlagenrücklaufKaltsole
Funktion als hydraulische Weiche, kein Lade- und Entladevorgang
LatentspeicherLadevorgang
LatentspeicherEntladevorgang
Durchfluss vorhanden
keinDurchfluss
keinDurchfluss
Durchflussvorhanden
EintrittKaltsoleerzeuger
EintrittKaltsoleerzeuger
AustrittKaltsoleerzeuger
AustrittKaltsoleerzeuger
AnlagenvorlaufKaltsole
AnlagenvorlaufKaltsole
AnlagenvorlaufKaltsole
AnlagenvorlaufKaltsole
AustrittKaltsoleerzeuger
AustrittKaltsoleerzeuger
Genereller Aufbau Hydraulische Weiche / PCM-Latentspeicher, Speicherkapazität ca. 50 kwh pro m3
6
Anwendungsbereiche von PCM-Latentspeichern
PCM-Latentspeicher als Energiespeicher für Spitzenlasten
Bei kurzfristig auftretendem Kältebedarf, wie zum Beispiel bei
Großküchen oder Brauereien, kann der PCM-Latentspeicher
die klassische Funktion der kurzfristigen Spitzenlastabdeckung
über nehmen. Zu einem günstigen Zeitpunkt kann „Kälte“ im
Spei cher eingelagert werden, welche bei Bedarf kurzfristig abge-
rufen werden kann.
Die Ausnutzung der anfallenden Verflüssigerwärme (WRG)
Sinnvollerweise sollte jede Kälteanlage mit einer Wärmerückge-
winnungseinrichtung betrieben werden, um den Wärmepum-
peneffekt der Kälteanlage zur Beheizung des Gebäudes oder zur
Brauchwassererwärmung zu nutzen.
Durch PCM-Latentspeicher kann während der Laufzeit der Kälte-
anlage Wärme ausgekoppelt sowie gespeichert werden, die dann
zu einem späteren Zeitpunkt abrufbar ist.
Ähnliches gilt für Wärmepumpen, die wenn optimale Betriebsbe-
dingungen vorherrschen, wirtschaftlich mit hohen COP arbeiten,
um die eingespeicherte Wärme zu einem späteren Zeitpunkt wie-
der zur Verfügung zu stellen (Tag- / Nachtbetrieb).
Das gleiche Prinzip gilt für thermischen Solarkollektoren, die
tagsüber viel Wärmeenergie produzieren, welche nachts aus dem
PCM Latentspeicher abgerufen werden kann.
Die Nutzung von Photovoltaikanlagen
Der Ladebetrieb eines PCM-Latentspeichers bei dieser Kombinati-
on ist immer dann sinnvoll, wenn günstige und umweltfreund-
lich erzeugte elektrische Energie zur Verfügung steht.
Besonders bei Niedrigstromtarifen oder zum Beispiel bei Über-
kapazitäten einer Photovoltaik- oder Windkraftanlage (oder der
Speicherung von negativer Regelenergie).
Für Kälte- und Klimaanlagen steht dann nachts, durch Ab-
schmelzen des PCM-Latentspeichers, die tagsüber emissionsfreie
und umweltschonend erzeugte Kältemenge zur Kühlung zur Ver-
fügung (Beispiel PV-Strom-Speicherung).
Backup-System für Kälte- / Klimaanlagen
Ein in das Rohrleitungssystem eingebundener PCM-Latentspei-
cher steht als Backup-System bei dem Ausfall der Kälteerzeugung
direkt bereit und kann das System sofort mit der notwendigen
„Kälte“ versorgen. Je nach Dimensionierung kann die Notversor-
gung mehrere Stunden oder auch Tage genutzt werden.
Besondere Anwendungsfälle sind z.B. bei der Kühlung von Re-
chenzentren oder Kälteanlagen mit hochwertigen Kühlgütern
(Medikamente) gegeben.
Bemerkenswert ist auch die Anwendung von Kaltsoleanlagen als
Kaskade in Verbindung mit CO2-DXTiefkühlsystemen, da die CO2-
Anlage ihre Verflüssigerwärme an das Kaltsolesolesystem abfüh-
ren kann und somit von dem Kaltsolesystem abhängig ist.
Photovoltaikanlage
Rechenzentrum
7
PCM-Elemente und deren Einsatzbereiche
Für die Integration von PCM-Elementen in das Hydraulische System werden diese in bestimmte
Verkapselungen eingefüllt. Die beiden Formen sind nachfolgend beschrieben:
Linsenform
Die linsenförmigen Elemente werden „HeatSel“ genannt und bestehen aus einem Kunststoffman-
tel, welcher mit einem entsprechenden Salzhydrat gefüllt ist. Die Form sowie technischen Eigen-
schaften der PCM-Elemente sind in der nachfolgenden Abbildung zu sehen.
Kugelform
Auch hier wird das Eutektikum / Salzhydrat mittels Kunststoff (HDPE) makroverkapselt. Die Form
entspricht der einer Kugel, siehe nachfolgende Abbildung.
Spezifikation Einheit / Maßangabe
Innenvolumen: 335 cm3
Durchmesser: 180 mm
maximale Dicke/Höhe: 30 mm
Oberfläche: 0,052 m2
Schüttdichte: 1.100 HeatSel / m3
Spezifikation Einheit / Maßangabe
Innenvolumen: 660 cm3
Durchmesser: 108 mm
Oberfläche: 0,037 m2
Schüttdichte: 980 Kugeln / m3
Eigenschaften Linsen („HeatSels“)
Eigenschaften Kugeln
Seite 9 von 17
5. PCM-Elemente und deren Einsatzbereiche Für die Integration von PCM-Elementen in das Hydraulische System werden diese in bestimmte Verkapselungen eingefüllt. Die beiden Formen sind nachfolgend beschrieben:
5.1. Linsenform Die linsenförmigen Elemente werden „HeatSel“ genannt und bestehen aus einem dünnen Kunststoffmantel, welcher mit einem entsprechenden Salzhydrat gefüllt ist. Die Form sowie technischen Eigenschaften der PCM-Elemente sind in der nachfolgenden Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Eigenschaften Linsen („HeatSels“)
5.2. Kugelform Auch hier wird das Eutektikum/ Salzhydrat mittels Kunststoff (HDPE) makroverkapselt. Die Form entspricht der einer Kugel, siehe nachfolgende Abbildung.
Abbildung 4: Eigenschaften Kugeln
Seite 9 von 17
5. PCM-Elemente und deren Einsatzbereiche Für die Integration von PCM-Elementen in das Hydraulische System werden diese in bestimmte Verkapselungen eingefüllt. Die beiden Formen sind nachfolgend beschrieben:
5.1. Linsenform Die linsenförmigen Elemente werden „HeatSel“ genannt und bestehen aus einem dünnen Kunststoffmantel, welcher mit einem entsprechenden Salzhydrat gefüllt ist. Die Form sowie technischen Eigenschaften der PCM-Elemente sind in der nachfolgenden Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Eigenschaften Linsen („HeatSels“)
5.2. Kugelform Auch hier wird das Eutektikum/ Salzhydrat mittels Kunststoff (HDPE) makroverkapselt. Die Form entspricht der einer Kugel, siehe nachfolgende Abbildung.
Abbildung 4: Eigenschaften Kugeln
8
Anwendung der PCM-Elemente
Der Anwendungsbereich von PCM-Elementen wird durch deren Schmelzpunt definiert. Bei den
PCM-Kugeln reicht dieser in etwa von – 38 °C bis 0 °C, bei den PCM-Linsen von etwa -10 °C bis
+55°C, siehe nachfolgende Grafik.
Standardmäßig gibt es innerhalb der gezeigten Einsatzbereiche PCM-Typen mit entsprechenden
Eigenschaften. Diese sind in Tabelle 1 für die Kugel- und Linsenformen aufgeführt.
Phasenwechseltemperaturen außerhalb der Auflistung sind auf Anfrage ebenfalls möglich.
Anwendungs- und Temperaturbereiche der PCM-Typen
Seite 9 von 17
5. PCM-Elemente und deren Einsatzbereiche Für die Integration von PCM-Elementen in das Hydraulische System werden diese in bestimmte Verkapselungen eingefüllt. Die beiden Formen sind nachfolgend beschrieben:
5.1. Linsenform Die linsenförmigen Elemente werden „HeatSel“ genannt und bestehen aus einem dünnen Kunststoffmantel, welcher mit einem entsprechenden Salzhydrat gefüllt ist. Die Form sowie technischen Eigenschaften der PCM-Elemente sind in der nachfolgenden Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Eigenschaften Linsen („HeatSels“)
5.2. Kugelform Auch hier wird das Eutektikum/ Salzhydrat mittels Kunststoff (HDPE) makroverkapselt. Die Form entspricht der einer Kugel, siehe nachfolgende Abbildung.
Abbildung 4: Eigenschaften Kugeln
Seite 9 von 17
5. PCM-Elemente und deren Einsatzbereiche Für die Integration von PCM-Elementen in das Hydraulische System werden diese in bestimmte Verkapselungen eingefüllt. Die beiden Formen sind nachfolgend beschrieben:
5.1. Linsenform Die linsenförmigen Elemente werden „HeatSel“ genannt und bestehen aus einem dünnen Kunststoffmantel, welcher mit einem entsprechenden Salzhydrat gefüllt ist. Die Form sowie technischen Eigenschaften der PCM-Elemente sind in der nachfolgenden Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Eigenschaften Linsen („HeatSels“)
5.2. Kugelform Auch hier wird das Eutektikum/ Salzhydrat mittels Kunststoff (HDPE) makroverkapselt. Die Form entspricht der einer Kugel, siehe nachfolgende Abbildung.
Abbildung 4: Eigenschaften Kugeln
+ 60 °c
+ 50 °c
+ 40 °c
+ 30 °c
+ 20 °c
+ 10 °c
0 °c
- 10 °c
- 20 °c
- 30 °c
- 40 °c
Linsen Kugeln
Wärmerückgewinnung
Klimakälte
Gewerbliche Kälte
Tiefkühlung
9
Die spezifische Speicherkapazität hängt von der Art des PCM im
inneren der Linsen ab. Die folgende Tabelle zeigt Speicherkapa-
zitäten der unterschiedlichen Standard-PCM-Elemente. Die Spei-
cherkapazität bezieht sich auf ein Volumen von 1 m³ und bein-
haltet die latente Energie des Phasenübergangs im PCM-Element,
sowie die sensible Energie des PCM und die der Kaltwassersole
in den Zwischenräumen bei einer Temperaturdifferenz von 8 K
(mittlere, logarithmische Temperaturdifferenz).
Gleiches gilt für mit PCM Material gefüllte Kunststoffkugeln aus
HDP, die über eine Flanschöffnung auch nachträglich in den
Speicher eingebracht werden können.
Eigenschaften der PCM-Elemente: Linsenform und Kugelform
Seite 9 von 17
5. PCM-Elemente und deren Einsatzbereiche Für die Integration von PCM-Elementen in das Hydraulische System werden diese in bestimmte Verkapselungen eingefüllt. Die beiden Formen sind nachfolgend beschrieben:
5.1. Linsenform Die linsenförmigen Elemente werden „HeatSel“ genannt und bestehen aus einem dünnen Kunststoffmantel, welcher mit einem entsprechenden Salzhydrat gefüllt ist. Die Form sowie technischen Eigenschaften der PCM-Elemente sind in der nachfolgenden Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Eigenschaften Linsen („HeatSels“)
5.2. Kugelform Auch hier wird das Eutektikum/ Salzhydrat mittels Kunststoff (HDPE) makroverkapselt. Die Form entspricht der einer Kugel, siehe nachfolgende Abbildung.
Abbildung 4: Eigenschaften Kugeln
Seite 9 von 17
5. PCM-Elemente und deren Einsatzbereiche Für die Integration von PCM-Elementen in das Hydraulische System werden diese in bestimmte Verkapselungen eingefüllt. Die beiden Formen sind nachfolgend beschrieben:
5.1. Linsenform Die linsenförmigen Elemente werden „HeatSel“ genannt und bestehen aus einem dünnen Kunststoffmantel, welcher mit einem entsprechenden Salzhydrat gefüllt ist. Die Form sowie technischen Eigenschaften der PCM-Elemente sind in der nachfolgenden Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Eigenschaften Linsen („HeatSels“)
5.2. Kugelform Auch hier wird das Eutektikum/ Salzhydrat mittels Kunststoff (HDPE) makroverkapselt. Die Form entspricht der einer Kugel, siehe nachfolgende Abbildung.
Abbildung 4: Eigenschaften Kugeln
PCM-Element
Linse
Schmelzpunkt in °C
Speicherkapazität
in kWh / m3
ATS55 55 41
ATS31 31 37
ATS21 21 40
ATS12 12 30
ATS11 11 42
ATS00 0 47
ATS-03 -3 43
ATS-06 -6 40
ATS-10 -10 38
PCM-Element
Kugel
Schmelzpunkt in °C
Speicherkapazität
in kWh / m3
PCM00 0 58
PCM-03 -3 58
PCM-06 -6 54
PCM-10 -10 60
PCM-12 -12 57
PCM-15 -15 56
PCM-19 -19 64
PCM-21 -21 49
PCM-26 -26 58
PCM-33 -33 55
PCM-38 -38 54
10
Dimensionierung von thermischen PCM-Latentspeichern
Bei der Auswahl eines geeigneten Speichers ist neben dem Tem-
peraturniveau auch die notwendige Speicherkapazität entschei-
dend. In Abhängigkeit von der Speicherkapazität kann die nötige
Beladeleistung (Kälteleistung), sowie Beladezeit in der Planung
des Systems vorgegeben werden. Die nachfolgende Tabelle und
Abbildung zeigt verschiedene Leistungen und Zeiten der Bela-
dung eines 1.000 Liter Latentenergiespeichers in Abhängigkeit
der Vorlauftemperatur (Beladetemperatur). Der Speicher ist mit
ATSOO-PCM-Elementen gefüllt, welche einen Phasenübergang
bei O°C vorweisen.
Kennwerte für Speicher-Beladung (1.000 Liter, ATS00)
Leistungen und Zeiten für Speicher-Beladung (1.000 Liter, ATS00)
Temp. Ein θein in °C
Temp. Aus θaus in °C
Leistung
P in kW
Zeit
t in h
Massenstrom
m in kg / h
-5 0 11,4 4,1 4.555,8
-6 0 13,7 3,5 4.555,8
-7 0 16,0 2,9 4.555,8
-8 0 18,3 2,6 4.555,8
-9 0 20,6 2,3 4.555,8
-10 o 22,9 2,1 4.555,8
Seite 12 von 17
6. Dimensionierung von thermischen PCM-Latentspeichern Bei der Auswahl eines geeigneten Speichers ist neben dem Temperaturniveau auch die notwendige Speicherkapazität entscheidend. In Abhängigkeit von der Speicherkapazität kann die nötige Beladeleistung (Kälteleistung), sowie Beladezeit in der Planung des Systems vorgegeben werden. Die nachfolgende Tabelle und Abbildung zeigt verschiedene Leistungen und Zeiten der Beladung eines 1000 Liter Latentenergiespeichers in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur (Beladetemperatur). Der Speicher ist mit ATS 00-PCM-Elementen gefüllt, welche einen Phasenübergang bei 0°C vorweisen. Tabelle 2: Kennwerte Speicher-Beladung (1000 Liter, ATS00)
Abbildung 6: Leistungen und Zeiten für Speicher-Beladung
11
Seite 13 von 17
Das gleiche Prinzip gilt für die Entladung des Speichers. Durch den Phasenwechsel von fest zu flüssig erfolgt ein etwas geringerer Wärmestrom aus den PCM-Elementen, als bei der Beladung des Speichers. Die Entladeleistungen, sowie Zeiten sind ebenfalls in nachfolgenden Darstellungen zu sehen.
Tabelle 3: Kennwerte für Speicher-Entladung (1000 L, ATS 00)
Abbildung 7 Leistungen und Zeiten für Speicher-Entladung
Das gleiche Prinzip gilt für die Entladung des Speichers. Durch
den Phasenwechsel von fest zu flüssig erfolgt ein etwas gerin-
gerer Wärmestrom aus den PCM-Elementen, als bei der Beladung
des Speichers. Die Entladeleistungen, sowie Zeiten sind ebenfalls
in nachfolgenden Darstellungen zu sehen.
Kennwerte für Speicher-Entladung (1.000 Liter, ATS00)
Leistungen und Zeiten für Speicher-Beladung (1.000 Liter, ATS00)
Temp. Ein θein in °C
Temp. Aus θaus in °C
Leistung
P in kW
Zeit
t in h
Massenstrom
m in kg / h
5 0 8,6 5,5 3.283,5
6 0 10,3 4,6 3.283,5
7 0 12,0 3,9 3.283,5
8 0 13,7 3,4 3.283,5
9 0 15,4 3,0 3.283,5
10 o 17,2 2,7 3.283,5
12
Anlagenschema
Beispielanlage: BAFA-Förderrechner 2018/ 2019
Frigoteam Handels GmbH
Ihr Systemanbieter für Kälteanlagenmit natürlichen Kältemitteln
Fritschestraße 6810585 BerlinTel.: 030 43727703
Bearbeitung: S. KäferDatum: 11.03.2019Zeichnungs-Nr.: 1.0Projekt: BAFA-Förderung
FlüssigkeitskühlerKälteleistung = 100 kW
(Normalkühlung)
M
+ +
- -
FU
Luftkühler 1Kälteleistung = 20 kW
M
Luftkühler 2Kälteleistung = 20 kW
M
Luftkühler 3Kälteleistung = 20 kW
M
Luftkühler 4Kälteleistung = 20 kW
M
Luftkühler 5Kälteleistung = 20 kW
PCM-Latentspeicher
Σ
Σ
WMZ
Stromzähler (Gesamtanlage)
Allgemeine Anlagenbeispiele mit PCM-Latentpeichern
Genereller Aufbau einer Kälteanlage mit PCM-Latentspeicher
Die folgende Grafik zeigt den
allgemeinen Aufbau einer Käl-
teanlage in indirekter Ausfüh-
rung. Man spricht hier auch
von einem Käteträger- oder
Kaltsolesystem, da die Kälte
vom Erzeuger zum Verbrau-
cher durch ein bestimmtes
Medium transportiert wird.
Der PCM-Latentspeicher erfüllt
außerdem die Funktion der
Hy draulischen Weiche. Der pri-
märe Volumenstrom, auf der
Seite des Flüssigkeitskühlers ist
konstant, der sekundäre Volu-
menstrom ist in Abhängigkeit
von der Kühllast der Verbrau-
cher variabel.
+
-
+
-
ATS + 11 °C
4000 L193 kWh
PCM-Kältespeicher(Notreserve)
M
Kältemaschine 1Kältemittel R290
17 °C/ 22°CPKälte = 35 kW
Hydraulische Weiche
1000 L
Mit Freier Kühlung (bei Außentemperaturen unter 12 °C)
+
-
+
-
Freier Kühlung (bei Außentemperaturen
unter 1 °C)
Kältemaschine 2Kältemittel R290
6 °C/ 11°CPKälte = 2,7 kW
Server-schrank
Kühler
Rechenzentrum, Kühllast 30 kW
solareStrahlung
Photovoltaik
FU
T
M
aus
P4
1
2
Regelung
Kontakte geschlossen
Optionale Stromversorgung über PV
17 °C
6 °C
17 °C 17 °C
22 °C
11 °C
22 °C
22 °C
Legende
Vorlauf Kaltsole Stromversorgung Membranausdehnungsgefäß 3-Wege-Ventil Rückschlagklappe
Rücklauf Kaltsole Fließrichtung Kaltsole Pumpe Temperaturfühler Frequenzumformer
Signalfluss (Regelung) Notstromaggregat Sicherheitsventil Absperrarmatur
FU
M
T
Backup-Kältereserve / Notfall-Kälteversorgung für ein Rechenzentrum
PCM-Latentspeicher als NotfallreserveIn diesem Fall übernimmt der
PCM-Latentspeicher die Not-
käl te versorgung bei dem Aus-
fall der Kälteversorgung /
Kalt wassersätze. Der PCM-La-
tent speicher ist direkt in das
Rohr leitungssystem eingebun-
den und ersetzt somit die
sonst notwendige, elektrisch
auf wendige Batteriepufferun-
gen oder sogar ein großes Not-
stromaggregat.
13
-1°C-6°C
2. Sollwert
Kälte- / Klimaanlage in Verbindung mit einer Photovoltaik-Anlage (Sonne scheint)
PV-Strom-Speicherung (Sonne scheint) Tagsüber wird bei hoher Über-
schussleistung der Photovol-
taikanlage die Kältemaschine
betrieben und somit Kälte-
energie und Wärmeenergie
in jeweils einem PCM-Latent-
speicher eingelagert.
Strom-Speicherung (keine Sonne)
Kälte- / Klimaanlage in Verbindung mit einer Photovoltaik-Anlage (keine Sonne)
Nachts wird durch Abschmel-
zen des PCM-Latentpeichers die
eingespeicherte „Kältemen ge“
wieder zur Kühlung ab gerufen,
ohne dass elektrische Energie
für den Betrieb der Kälteanla-
ge zugekauft wer den muss.
14
Allgemeine Anlagenbeispiele mit PCM-Latentpeichern
Anlagenschema
Kälteversorgung - Biopulver
Frigoteam Handels GmbHBearbeitung: S. Käfer
Ihr Systemanbieter für Kälteanlagenmit natürlichen Kältemitteln
Fritschestraße 6810585 BerlinTel.: 030 43727703
Datum: 19.09.2018
Projekt: Biopulver
Kältemaschine 1Q0 = 415 kWQe = 162 kWQK = 577 kWKältemittel: R290GWP = 3Leistungsstufen: 9
+-
+-
WRG
Kältemaschine 2Q0 = 415 kWQe = 162 kWQK = 577 kWKältemittel: R290GWP = 3Leistungsstufen: 9
Noteinspeisung
ϑ
+
-
+
-
PCM
+/- 0°C5000 Liter
PCM-Kältespeicher
Flüssigkeitskühler (Speicherbeladung)
Hydraulische Weiche
4000 Liter Verbraucher
negative Regelenergie
Reserve
+-
+-
WRG
+-
+-
WRG
Pumpe im Gehäuse des KWS integriert
Noteinspeisung
+ 8°C
+ 2°C
Master-Regelung
ϑ
+ 8°C
+ 2°C
+ 8°
C
+ 2°C
+ 8°
C
+ 2°C
+ 8°
C
+ 2°C
Photovoltaik
FU
FU
ϑ
ϑ
ϑ
ϑ
ϑ
ϑ
M
M
Signal FU Maschinenleistung
aus Masterregelung
PCM-Latentspeicher und negative Regelenergie
Speicherung von negativer Regelenergie
Wird mehr Strom erzeugt als verbraucht, gibt es eine Schieflast
im Stromnetz und die Netzfrequenz würde ansteigen. Dies kann
beispielsweise bei einem Überangebot an Strom aus erneuerba-
ren Energien der Fall sein. Um diesem Mechanismus entgegen
zu wirken, macht man von der so genannten negativen Rege-
lenergie gebrauch. Teilnehmer des Regelenergiemarktes erhö-
hen genau in diesen Zeiten ihren Stromverbrauch, damit sich
Erzeugung und Verbrauch ausgleichen und die Netzfrequenz
möglichst stabil bleibt. Der Strom, der als negative Regelenergie
vom Verbraucher bezogen werden muss, kann beispielsweise in
Form von Kälteenergie in einen PCM-Latentspeicher eingespei-
chert werden. Der Strom wird dabei bei sehr günstigen Kondi-
tionen eingespeichert und steht bei Bedarf jederzeit als Kälte
zur Verfügung. Die nachfolgende Abbildung zeigt eine derartige
Anlage. Es ist ein separater Flüssigkeitskühler vorgesehen, der
ausschließlich mit negativer Regelenergie betrieben wird, um
den PCM-Latentspeicher zu beladen. Je nach Kältebedarf kann
dann die gesamte Kälteleistung über den Speicher abgedeckt
werden (kein Flüssigkeitskühler in Betrieb, Kältebedarf wird aus
PCM gedeckt) oder als Vorkühlung eingebunden werden, sodass
die Flüssigkeitskühler mit reduzierter Leistung betrieben werden
können.
Volumen (gesamt)
in Liter
Volumen (zwischen Lochblechen)
in Liter
Höhe (ohne Isolierung)
in mm
Durchmesser (ohne Isolierung)
in mm
570 500 1.995 50
1.115 1.000 2.500 790
1.725 1.500 2.540 1.000
2.240 2.000 2.620 1.100
2.845 2.500 2.695 1.250
3.430 3.000 3.270 1.250
4.430 4.000 4.050 1.250
5.910 5.000 3.480 1.600
6.910 6.000 3.990 1.600
7.910 7.000 4.480 1.600
9.750 8.000 3.650 2.000
10.750 9.000 4.050 2.000
11.750 10.000 4.370 2.000
15
Maßzeichnung einer Hydraulischen Weiche
Technische Daten Standard-Speicher (Erweiterbar zu PCM-Latentspeichern)
Konstruktion einer hydraulischen Weiche (erweiterbar als PCM-Latentspeicher)
Je nach Anwendungsfall ist ein passender Speicher mit entsprechender Speicherkapazität zu di-
mensionieren. Eine Übersicht zu den verschiedenen Speichern mit deren technischen Eigenschaften
ist nachfolgend dargestellt, Sonderausführungen sind möglich.
Diese Abbildung zeigt den prin zipiellen Aufbau
einer hydraulischen Weiche, welche als PCM-
Speicher ebenfalls genutzt werden kann.
©
-Gra
fikD
esig
n.de
201
9 · Z
eich
nung
en u
nd R
efer
enzb
ilder
: © F
rigo
team
Frigoteam Handels GmbH
Büro NordFritschestraße 68
10585 Berlin
Telefon 0049 (0) 30 43727703
Telefax 0049 (0) 30 31012922
Büro SüdGollierstraße 70
80339 München
Telefon 0049 (0) 89 37412671
Telefax 0049 (0) 89 37412670
Büro WestAlte Raesfelder Straße 13
46514 Schermbeck
Telefon 0049 (0) 2856 9092921
Telefax 0049 (0) 2856 9092924
Web www.frigoteam.com
Mail [email protected]
Die in dieser Publikation gezeigten Pläne und Kreisläufe
sind urheberrechtlich geschützt und dürfen ohne
unsere Genehmigung weder vervielfältigt, durch Dritte
öffentlich gemacht, eingesetzt noch auf andere Weise
verwendet werden.
GEMEINSAM
FÜR UNSERE
UMWELT!