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Abb. 30: Schematische Darstellung des aktiven PCM-Kühlmoduls der Firma Imtech.
© Imtech

Abb. 31: PCM-Heizungsspeicher.
© Alfred Schneider GmbH

Abb. 32: Aufbau des Kühlsystems bestehend aus Latentwärmespeicher (1), Kühldecke mit Kapillarrohrmatte (2) und Fassadenwärmeübertrager (3).
© TU Berlin, Hermann-Rietschel-Institut

Abb. 33a: Phasenwechsel-Flüssigkeiten (Slurries) bestehen aus einer Trägerflüssigkeit und darin suspendierten oder emulgierten PCM. Aufgrund der Partikelgrößen entsteht eine weiße Flüssigkeit.
© BASF

Abb. 33b: Phasenwechsel-Flüssigkeiten (Slurries) bestehen aus einer Trägerflüssigkeit und darin suspendierten oder emulgierten PCM. Aufgrund der Partikelgrößen entsteht eine weiße Flüssigkeit.
© Fraunhofer ISE

Abb. 33c: Phasenwechsel-Flüssigkeiten (Slurries) bestehen aus einer Trägerflüssigkeit und darin suspendierten oder emulgierten PCM. Aufgrund der Partikelgrößen entsteht eine weiße Flüssigkeit.
© Fraunhofer ISE
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PCM-Konzepte für die Gebäudetechnik (Forts.)

Systeme mit Wärmeübergang an Wasser

Für Systeme, die Wasser oder andere Flüssigkeiten als Wärmeträgerfluid nutzen, gibt es viele Beispiele. Bekannt sind Speicher mit Wärmeübertrager oder mit makroverkapselten PCM-Modulen. Zum Kühlen von Gebäuden werden solche Speicher meist als Eisspeicher in Kombination mit Kältemaschinen eingesetzt. Der wichtigste energetische Vorteil liegt in der Steigerung des Wirkungsgrads durch die nächtliche Kälteerzeugung. Hinzu kommt ein optimaler Betrieb der Kältemaschine. Durch den Einsatz einer kleineren Kältemaschine – ausgelegt für mittlere Last – werden die Investitionskosten reduziert. Und auch die Verbrauchskosten lassen sich durch den erhöhten Wirkungsgrad senken – ebenso wie die Reduktion des Strombezugs zu Spitzentarifen. Im Bereich der Gebäudeheizung wurden Latentwärmespeicher zunächst vor allem für den Einsatz in Solar-Heiz-Systemen erforscht, um den solaren Deckungsanteil zu erhöhen. Ziel war es, von Beginn an bei gleichem oder kleinerem Bauvolumen Wärme für mehrere Tage zu speichern. Erste Produkte sind seit einigen Jahren am Markt. Ein Speicher der Alfred Schneider GmbH nutzt ein Salzhydrat als Speichermedium. Er wurde bereits in mehreren Dutzend Systemen installiert. Dabei können nicht nur Solarkollektoren, sondern auch BHKW und Holzfeuerungsanlagen als Wärmequelle eingesetzt werden (Abb. 31).

Ein fassadenintegriertes Speichersystem, das mit dem Wärmetransportmedium Wasser arbeitet, wurde im Rahmen eines weiteren Forschungsvorhabens von der TROX GmbH entwickelt. Die besonders kompakte Ausführungsform des Latentwärmespeichers ermöglicht es, das System raumbezogen in der Fassade unterzubringen. Dadurch ist es auch für Sanierungsmaßnahmen geeignet. Abbildung 32 zeigt das untersuchte System zur Raumkühlung unter Verwendung der Umgebungsluft als Wärmesenke: Das System besteht aus dem Latentwärmespeicher (1) mit Paraffin als Speichermaterial, einer Kühldecke mit Kapillarrohrmatten (2) und einem Fassadenwärmeübertrager (3). Die tagsüber anfallende überschüssige Wärme wird dem Raum über die Kühldecke entzogen. Dieser Vorgang erfolgt unter Erwärmung des Wassers innerhalb der Kapillarrohrmatten.

Das erwärmte Wasser im Kühlkreislauf wird anschließend über eine Pumpe zum Latentwärmespeicher gefördert. Innerhalb des Latentwärmespeichers erfolgt die Abkühlung des Wassers mit einhergehendem Phasenwechsel des PCM. Der Speicher wird regeneriert, nachdem entweder das Latentmaterial vollständig geschmolzen ist oder kein weiterer Kühlbedarf im Raum besteht. Dieser Vorgang erfolgt während der Nachtstunden unter Ausnutzung der niedrigeren Außenlufttemperatur. Das Wasser zirkuliert während dieser Betriebsphase zwischen dem Latentwärmespeicher und dem Fassadenwärmeübertrager. Innerhalb des Speichers wird Wärme vom PCM zum Wasser übertragen und anschließend durch konvektiven und radiativen Wärmetransport vom Fassadenwärmeübertrager an die Umgebung abgegeben. Das Latentmaterial geht dabei in den festen Aggregatzustand über und kann anschließend wieder für die Raumkühlung genutzt werden.

Zusätzlich ermöglicht das System eine direkte Nachtkühlung aller Raumumschließungsflächen, ohne dass ein sicherheitstechnisch bedenkliches Öffnen der Fenster notwendig ist. Experimentelle und numerische Untersuchungen an der Technischen Universität Berlin ergaben unter typischen Lastbedingungen in Büroräumen eine Temperaturabsenkung um bis zu 4 K. Für diese deutliche Temperaturreduktion waren 2 kg Paraffin pro Quadratmeter Raumfläche erforderlich. Zusätzlich wurde die wasserbasierte Nachtkühlung der Raumumschließungsflächen genutzt.

Phasenwechsel-Flüssigkeiten

Das am häufigsten eingesetzte pumpfähige – oder flüssige – Wärmespeichermaterial istWasser. In vielen Fällen werden auch Mischungen aus Wasser und Glykol eingesetzt. Bei hohen Temperaturen finden oft auch Öle Anwendung. Diesen flüssigen Wärmespeicher-Materialien ist gemeinsam, dass die Wärme in ihnen sensibel gespeichert wird.

Sollen große Wärmespeicherkapazitäten erreicht werden, so kann der Anwender mit großen Volumina arbeiten – oder er nutzt eine große Temperaturerhöhung bzw. -verringerung. Kann ein System mit großen Temperaturunterschieden zwischen tatsächlich benötigter Temperatur und ausgehender Speichertemperatur arbeiten, so erreichen sensible Wärmeträgerflüssigkeiten hohe Wärmespeicherkapazitäten. Sind hingegen nur kleine Temperaturspreizungen möglich, so verringert sich die speicherbare Wärmemenge bei sensiblen Wärmeträgermedien sehr stark. Bei einer Speichertemperatur, die z. B. nur 10 K über oder unter der Anwendungstemperatur liegen darf, würde man mit reinem Wasser nur noch eine Wärmemenge von 42 kJ/kg speichern können. Bei diesen Anwendungen ist eine Flüssigkeit, die PCM enthält, von großem Vorteil. Bei geeigneter Schmelztemperatur kann die Wärmekapazität genau im gewünschten Temperaturbereich erhöht werden.

Marktgängig sind bereits Wasser/Eis-Mischungen, die bis zu einem gewissen Anteil an Eiskristallen pumpfähig bleiben. Sie können jedoch materialbedingt nur unter 0 °C eingesetzt werden. Oberhalb 0 °C werden heute hauptsächlich zwei verschiedene Technologien eingesetzt, um Paraffine in Wasser einzubringen. Zum einen werden sie mikroverkapselt und anschließend in Wasser suspendiert, zum anderen kann Paraffin mithilfe entsprechender Additive in Wasser direkt emulgiert werden. Beide Prozesse sollen verhindern, dass das Paraffin – wenn es geschmolzen ist – zu größeren Tropfen zusammenfließt und sich vom Wasser trennt. Gleichzeitig sorgt die Dispergierung dafür, dass das Paraffin im flüssigen wie im festen Zustand überhaupt gepumpt werden kann.

Für den Einsatz von Phasenwechsel-Flüssigkeiten (PCMSlurries) erscheinen Kälteanlagen besonders geeignet, da bei ihnen die Forderung nach geringen Temperaturspreizungen im System erfüllt ist. Zudem ist hier eine Kältespeicherung sinnvoll, um günstigere Betriebsbedingungen für die eingesetzten Kältemaschinen zu erreichen und das öffentliche Stromnetz tagsüber zu entlasten. Soll z. B. ein Gebäude in dieser Zeit auf 20 °C gekühlt werden, so ist es zwar möglich, während der Nacht einen Kältespeicher bis 0 °C zu beladen. Dies führt aber zu geringen Wirkungsgraden der eingesetzten Kältemaschine sowie zu hohen Speicherverlusten. Beim Einsatz einer Phasenwechsel-Flüssigkeit mit einem Schmelzbereich zwischen 10 °C und z. B. 20 °C und der doppelten Speicherdichte von Wasser, könnte dieselbe Speicherdichte schon beim Kühlen des Speichers auf 10 °C erreicht werden. Ein weiteres Potenzial der Slurries liegt im vergleichsweise einfachen Einsatz als Wärmeträgerflüssigkeit in bestehenden Kältespeichern, um deren Speicherkapazität zu erhöhen.

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