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1Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Dr.-Ing. Bruno Lüdemann
Imtech Deutschland GmbH & Co. KGForschung und Entwicklung
Kühlen ohne KältemaschinePCM-Techniken für die Raumkühlung
Latentwärmespeicher in LüftungsgerätenEntwicklung und Betriebserfahrungen
mit dem Imtech-Haus
LowExHeizen und Kühlen mit Niedrig-Exergie
2Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Imtech Deutschland
Forschung und Entwicklung:
Strömungs- und wärmetechnisches Labor
3Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
forschung und entwicklung
� Simulation� energetische
Gebäudesimulation
� Anlagensimulation
� Energiestudien
� strömungstechnische Simulation
� Labor� Raumluftströmungsversuche
� Konzeptstudien und Beratung
� Komponentenentwicklung
� Leistungsmessung
� Entrauchungskonzepte
� Modellversuche
� Vor-Ort-Messungen
Energetische Gebäudesimulation
RLT-Anlagensimulat ion
Raumlufttemperatur,
Oberflächentemperatur
Wärme bedarf
Anlagensimulation Kälteversorgung
Kältebedarf
Anlagensimulation Wärmeversorgung
Kältebedarf
Wärmebedarf
Energetische Gebäudesimulation
RLT-Anlagensimulat ion
Raumlufttemperatur,
Oberflächentemperatur
Wärme bedarf
Anlagensimulation Kälteversorgung
Kältebedarf
Anlagensimulation Wärmeversorgung
Kältebedarf
Wärmebedarf
offen für besseres
4Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
PCM-Gerät: Materialauswahl
Quelle: Bine-Info
5Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Ansatz passive Speicherung
• Mikroverkapselte Materialien für die Integration in Baustoffe für passive Systeme optimierter Schmelztemperatur im Bereich 24 – 25°C verfügbar
• Entwicklung und Markteinführung von Putzen und pasteusen Produkten mit integrierten Latentmaterialien
• Hauptanwendung: Komforterhöhung im Sommer � Speicherladung am Tag durch Raumlasten; Speicherentladung in der Nacht durch Lüftung
• Langzeitstabilität erreicht(10.000 Zyklen getestet)
6Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Lufttemperaturmessungen im PCM-Testraum (ISE)
7Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Aktive PCM - SystemeKapillarrohrmatten in PCM
� Gebäudeintegrierter, verteilter PCM-Speicher zum Heizen und/oder Kühlen
� Aktivierung durch Wasser-gestützte Systeme
� Kühlung: Speicherentladung unter Ausnutzung von Umwelt-Wärmesenken (Erdreich, Brunnenwasser, Kühlturm)
� Heizung: Speicherladung durch Solarkollektoren, Wärmepumpen, Abwärme (z.B. KWK) zeitunabhängig vom Bedarf mit niedrigen Temperaturdifferenzen
FhG ISE
8Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Graphit-Paraffin-Matrix
aktiv durchströmte Speicher mit PCM - Speicherplatten
Aufbau Speichermodul: luftdurchströmter Stack aus Einzelplatten
9Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
PCM-Platten
PlattentemperaturDatenleitung
Isolierung
PCM Materialeigenschaften: Versuchsstand Speichermodul
10Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Sprungantwort: Außenlufttemperatur ca. 31,0 °C
Leistungsaufnahme PCM-Speichermodul für verschiedeneLuftvolumenströmen (Tagbetrieb - Beladung)
11Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Sprungantwort: Außenlufttemperatur ca. 17,0 °C
Leistungsaufnahme PCM-Speichermodul für verschiedeneLuftvolumenströme (Nachtbetrieb - Regeneration)
Kapazität:
30 Wh/kg
12Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Außenluftklappe
Wärmetauscher(Heizung)
PCM – Speicher-Modul(Kühlung)
Ventilator
PCM–BrüstungsgerätKonzept Imtech-Haus
13Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Innenansicht ohne PCM-Speichermodulund ohne Wärmetauscher
PCM-Modul mit 10 PCM-Platten
PCM–Gerät (Prototyp Imtech-Haus)
14Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Messung des:
- Geräteverhaltens (Leistung, Beladungs, Entladungszyklus)bei dynamischen Randbedingungen
- Überprüfung der Dimensionierung
- Erprobung von Regelstrategien fürdie Referenzanlage
Aufbau eines Versuchsstandes im Maßstab 1:1
15Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Anlagenkonzept PCM Imtech-Haus, Tagbetrieb
2.001.01
2.001.01
UmluftUmluft
Um
luft
Außenluft
Auß
enlu
ft
Außenluft Umluft
Kanal
Schalldämpfer
Fortluft
PCM-Geräte
Schalldämpfer
Abluft
Abluft
Abluft
2.001.01
2.001.01
UmluftUmluft
Um
luft
Außenluft
Auß
enlu
ft
Außenluft Umluft
Kanal
Schalldämpfer
Fortluft
PCM-Geräte
2.001.01
2.001.01
UmluftUmluft
Um
luft
Außenluft
Auß
enlu
ft
Außenluft Umluft
Kanal
Schalldämpfer
Fortluft
2.001.01
2.001.01
UmluftUmluft
Um
luft
Außenluft
Auß
enlu
ft
Außenluft Umluft
Kanal
Schalldämpfer
FortluftFortluft
PCM-Geräte
Schalldämpfer
Abluft
Abluft
Abluft
Tagbetrieb: PCM beladen (5 kg/m2), V = 75 bis 140 m3/h Nachtbetrieb: PCM entladen
tA < 22°C, V = 180 m3/h (alle Geräte)
16Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Anlagenkonzept PCM Imtech-Haus, Nachtbetrieb
2.001.01
2.001.01
AußenluftAußenluft
Auß
enlu
ft
Außenluft
Auß
enlu
ft
Außenluft Außenluft
Kanal
Schalldämpfer
Fortluft
PCM-Geräte
Schalldämpfer
Abluft
Abluft
Abluft
2.001.01
2.001.01
AußenluftAußenluft
Auß
enlu
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Außenluft
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Außenluft Außenluft
Kanal
Schalldämpfer
Fortluft
PCM-Geräte
2.001.01
2.001.01
AußenluftAußenluft
Auß
enlu
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Außenluft
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enlu
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Außenluft Außenluft
Kanal
Schalldämpfer
Fortluft
2.001.01
2.001.01
AußenluftAußenluft
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Außenluft
Auß
enlu
ft
Außenluft Außenluft
Kanal
Schalldämpfer
FortluftFortluft
PCM-Geräte
Schalldämpfer
Abluft
Abluft
Abluft
Tagbetrieb: PCM beladen (5 kg/m2), V = 75 bis 140 m3/h Nachtbetrieb: PCM entladen
tA < 22°C, V = 180 m3/h (alle Geräte)
17Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
PCM-Anlage ImtechhausReferenzanlage Imtechhaus –Regelung
18Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
PCM – Referenzanlage mit 50 Geräten im Imtech-Haus, Betrieb seit März 06
Einbauzustand in einem Süd-West-BüroMessdaten werden für alle Geräte und jeden Raum detailliert aufgenommen
Datenbasis: Optimierung der Regelung für die Übergangszeit und den Sommerbetrieb
Ausblasöffnung u. Andichtung Regelventil Heizung
Controller, Klappensteuerung
19Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Messdatenerfassung auf moderner GLT – Grundlage für Systemsimulation
20Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Nordraum – Außenluftgerät: Temperaturen und Ventilatorsteuerung, September 2006durchgehend klarer, wolkenloser Himmel
Nachtbetrieb:Plattenentladung
Raumauskühlung
Tagbetrieb: Frischluft, Kühlung
21Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Südraum – Außenluftgerät: Temperaturen und Ventilatorsteuerung, September 2006durchgehend klarer, wolkenloser Himmel
Problem: Aufheizung der Zuluft in der Fassade
1. Maßnahme: getakteter Zuluftbetrieb
22Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Untersuchung der Lufttemperaturen im Nahbereich von Fassaden
Quelle:Forschungsvorhaben L 199/V, Fassadengrenzschichten, FLT 2003Autoren: Prof. Dirk Müller, Dipl.-Ing. Matina Reske
23Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Außenluftklappe
PCM Geräte Imtechhaus:Außenluftanschluss imBrüstungsbereich
Ansaugluft aus der Fassadengrenzschicht
24Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Außenluftklappe
PCM Geräte Imtechhaus:konstruktive Lösung für den Außenluftanschluss
Ansaugluft außerhalbder Grenzschicht
Durchleitung der aufgeheizten Luft
25Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Südraum – Umluftgerät: Temperaturen und Ventilatorsteuerung, September 2006durchgehend klarer, wolkenloser Himmel
RegenerationRaumauskühlung
Nachtbetrieb
Umluftkühlung
Tagbetrieb
26Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Dynamische Gebäudesimulation: Ermittlung des Kühl-Potentials für die PCM-Referenzanlage im Imtech-Haus
BLAST Zonen-Modell mit Verschattungsflächen
27Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Gebäudemodellierung mit Dymola – Ermittlung Energiebilanz
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 h 24
Zeit
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30oC
Tem
per
atur
operative Temperatur (BLAST)operative Temperatur (BLAST)operative Temperatur (Dymola)operative Temperatur (Dymola)operative Temperatur gemessenoperative Temperatur gemessen
Vergleich Messung – RechnungVergleich mit Referenzsoftware
28Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Simulation Gebäude – Anlage mit PCM-Gerät
thermisches Raummodell gekoppeltes Geräte - Raummodell
Maßstab für einen energetischen Vergleich: Raumtemperatursollwertgleitung bei konv.Klimatisierung nach DIN 1946
29Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Ermittlung des Energiebedarfesvon Kälteerzeugung und –verteilungdurch dynamische Simulation
30Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Jahresbedarf der Raumkühlung (DIN 1946)Deckung durch die PCM-Technikresultierender elektrischer Bedarf der PCM-Technik
Testreferenzjahr 03 Extremklima
31Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Projekt 2006: Bürohochhaus - zwei WP / KM (a 1,5 MW) u. Eisspeicher
Aufwand Kälteverteilung und –erzeugung:
Übergabe ���� Verteilung ���� Erzeugung Kältemaschine ���� Rückkühlung
Praxiserfahrungen und Jahressimulationen von kompletten Kälteversorgungsanlagen zeigen: mittlerere COPANL (Gesamtanlage) je nach Anlagengröße und -qualität:
COPANL : 1,5 ~ 3
32Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Deckung Kältebedarfdurch PCM-Technik
33Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Regelventil Heizung
Controller, Klappensteuerung
Optimierung Regelstrategie, Bilanzierung (Entwicklung)Optimierung Betriebsverhalten (online – Austausch Regelungscode)
vorausschauende RegelungSimulation, Wetterdaten, Internet
34Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Fazit:
• PCM-Lüftungsgerät im Imtech-Haus erfolgreich eingesetzt: 5 kg PCM pro m² Grundfläche ausreichend für Büroräume mit Kühllasten bis 60 W/m²
• Sommerperioden mit Nachttemperaturen unter 18 °C werden beherrscht � Raumtemperaturen bleiben unter 26°C
• Geräteeinsatz muss mit der Fassadengestaltung abgestimmt werden� Problem der Zuluftüberhitzung
• Optimierungspotentiale: Regelung (vorausschauende Regelung),Speicherdimensionierung (für größere Lasten),alternative Materialien (Salzhydrate).
• Gerätekonzept einschließlich Regelung ist zur Serienreife entwickelt
• Einsparung gegenüber konventionellen Kälteversorgungssystemen:zwischen 60 % und 85 %
35Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
weitere Entwicklungen:
Verbundforschungsprojekt „PCM- PCS-Speicher“mit dem FhG-ISE
� Entwicklung kompakt bauender Kältespeicher auf der Basis von PCS und PCM
� Bau eines Prototypen mit makroverkapseltem PCM bei Imtech-FuE
� Aufbau und Dauervermessung einer Demoanlage mit wasserbasierten PCS- und PCM-Speichern im Imtech-Labor. Prüfung des Lastverhaltens und der Materialeigenschaften unter Einsatzbedingungen.
� Parallele Prüfung, Charakterisierung und Weiterentwicklung der Materialien amISE
36Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Speicherkonzepte mit PCM / PCS
Water
PCM PCM
Water
BASF
Paraffin
Quelle: TU-Graz/BASF/ISE
PCM-Speicherblock makroverkapselte PCMPCS (Phase Change Slurries)
37Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
� PCM und Trägerflüssigkeit sind als Slurry (PCS) vermischt � Wärmeaustausch in außen liegendem Wärmetauscher oder direkt am Verbraucher (z.B. Raum)� Erhöhung der Wärmekapazität des Speichers und der gepumpten Flüssigkeit bei gleichem Volumen durch PCM
� PCS aus Wasser / Paraffin (BASF)
� Erhöhung der gespeicherten Wärmemenge durch makrogekapselte PCM-Module (Platten) im Vergleich zum Kaltwasserspeicher
� Graphit-Paraffin-Platten (SGL-Carbon)
Speicherkonzepte mit PCM / PCS
38Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Phase Change Slurries (PCS) als neue Wärmeträgerflüssigkeiten
� Trägerflüssigkeit + Phasenwechselmaterial (PCM)
� Trägerflüssigkeiten:
� Wasser
� Wasser- Glykolmischungen
� PCMs:
� mikroverkapselte Paraffine
� emulgiertes Paraffin
FhG ISE
39Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
PCS mit mikroverkapselten Paraffinen
� PMMA als Kapselmaterial
� Verkapselte Paraffine:
� Tetradekane Schmelztemp. 4-8°C;
∆H 160 kJ/kg
� Hexadekan
Schmelztemp. 14-18°C
∆H 180 kJ/kg
� Hexadekan/Oktadekan
Schmelztemp. 24-28°C
∆H 100 kJ/kg
FhG ISE
40Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
PCS: Wärmeinhalt im Vergleich zu Wasser
� Energetischer Gewinn ist abhängig vom Schmelzbereich und der Schmelzwärme des reinen PCM
� Kleiner Schmelzbereich� Hohe Energiedichte bei
geringer Temperaturerhöhung
� Vorteil gegenüber Wasser wird groß
� zur Zeit beste Schmelzwärmen
� etwa 75 kJ/kg (14-18°C; 30% PCM in Wasser)
Vergleich zwischen Wasser und einem Slurries mit mit 30% PCM gehalt
(Schmelzt. 14−18°C; 180 kJ/kg)
bestes bisher getestete Slurry
150 kJ/kg
100 kJ/kg
200 kJ/kg
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Fakto
r g
eg
en
üb
er
Wasser
[−]
Schmelzbereich des PCM [K] 0 2 4 12 14 16 18 20 10 8 6
Schmelzwärme des reinen PCM
41Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Druckverlust im Vergleich zu Wasser (theoretisch)
� Viskosität PCS 14-18°C bei 30% Mikrokapseln in Wasser: 10-20 mPas
� bleibt länger laminar(Viskosität)
� Strömung des reinen Wassers ist wesentlich früher turbulent und steigt dadurch stärker an
� Minimaler Druckverlust des PCS ist etwa doppelt so hoch als bei Wasser
laminarer Bereich
turbulenter Bereich
Viskosität: 20 mPas (15°C) 15 mPas (25°C)
Druckverlustes im Vergl. zu Wasser und einem 30% Slurry
bei Durchströmmung eines 20 mm Rohres (3 m Länge)
Slurry (Tschmelz 14−18°C) 15°C
25°C
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Dru
ckverl
ust
geg
en
üb
er
Wasser
[−]
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Massenstrom [1000 kg/h]
42Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
PCS: bisher mehrjährige Entwicklung im Rahmen eines EU Projektes
� Getestet unter realitäts-nahen Bedingungen� Standardwärmetauscher� Standardventile� Druckausgleichsgefäße� Zentrifugalpumpen
� Entwicklungsstand� 1 Jahr ohne Probleme
gepumpt (24h/Tag)� Keine Zerstörung von
Komponenten
FhG ISE
43Imtech Deutschland Oktober 2008 Forschung und EntwicklungNetzwerk Kälteeffizienz / Raumkühlung mit PCM
Stand der Forschung Material:
� Hohe Stabilität der Kapseln gegen Zerstörung in Pumpen und anderen Anlagenkomponenten ist gegeben
� Es stehen mehrere potential interessante PCS für den Kältebereich zur Verfügung (4-8°C, 14-18°C, 18°C-24°C)
� Problematik:� Unterkühlung des PCM: Kristallisation findet unterhalb des
Schmelzbereiches statt. Dies führt zur Vergrößerung des notwendigen Temperaturbereiches
� Separation, d.h. Aufrahmen der Kapseln bei langen Standzeiten
� Große Fortschritte im Bereich Emulsionen (höhere PCM-Anteil,keine Verkapselung nötig, geringere Viskosität)