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10.10.2017 | Seite 1
Rud. Otto Meyer Technik Ltd. & Co. KG
Effiziente Gebäude 2017Hamburg, den 10.10.2017
Kühlen ohne Kältemaschine – Entwicklungvon PCM-Kühlsystemen für die TGA
Dr.-Ing. Bruno Lüdemann
10.10.2017 | Seite 2
Agenda
Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&EPhase Change Materials (PCM) für die GebäudekühlungPhase Change Slurries (PCS) – Stand der ForschungPCM-Makrokapseln in Wasserspeichern
10.10.2017 | Seite 3
Unsere Geschichte:
1858
ZukunftRud. Otto Meyer Technik kehrt als Qualitätsmarke zurück mit den Schwerpunkten:
Hohe Wertschöpfungstiefe
Operative Top-Leistungen
Klare Kundenorientierung2015
2002
1999
1970
Gründung der Rud. Otto Meyer (ROM) in Hamburg
Erste deutsche Rasenheizung im Münchener Olympiastadion
Installation eines Heizsystems für den Jin Mao Tower in China
Fusion von ROM und Rheinelektrazur Imtech Deutschland GmbH & Co. KG
Übernahme durch Rud. Otto Meyer Technik Ltd. & Co. KG
1888
Entwicklung des ersten Wärme-Kraftwerks
1893 Gusseiserner Strebel Kessel
1940
Installation der ersten Fernheizung für den Vatikan
10.10.2017 | Seite 4
Rudolf Otto Meyer Technik im Überblick:
Führend im Anlagenbau und Dienstleistungsbereichmit ca. 2000 Mitarbeiter in den vier Geschäftsfeldern,die von Erfahrungen aus über 150 Jahren Firmengeschichte profitieren
Deutschlandweiter Aktionsradius mit 22 StandortenMittelstandsgeprägtes Unternehmen mit schneller und leistungsstarker Struktur
www.rom-technik.de
Die Geschäftsfelder:
10.10.2017 | Seite 5
F&E - Kompetenz in Technik und Innovation
ROM Forschung und Entwicklung
Jul Sep Nov Jan
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pera
tur [°C]
AußentemperaturWärme
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tur [°C]
AußentemperaturWärme
EnergiedienstleistungenLabor Numerische Simulation
10.10.2017 | Seite 6
Agenda
Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&EPhase Change Materials (PCM) für die GebäudekühlungPhase Change Slurries (PCS) – Stand der ForschungPCM-Makrokapseln in Wasserspeichern
10.10.2017 | Seite 7
Kälteerzeugung mit PCM: Materialauswahl
Quelle: Bine-Info
Quelle: ILK Dresden
10.10.2017 | Seite 8
Verschiedene Produkte mitMikrokapseln: Gipsputz,Gipsplatten, Porenbetonsteine …..
Hersteller Makrokapseln
z.B Dörken, Rubitherm
BASF: micronal
www.micronal.de
SmartBoard™
PCM-Systeme für die aktive u. passive Bauteilkühlung
10.10.2017 | Seite 9
LowEx: Niedrigexergiesysteme für die Heiz- und Raumlufttechnik, Verfahrensentwicklungen, 2004 - 2007
Verbundprojekt: Entwicklung von Kältespeichern auf der Basis von Phasenwechselfluiden und makroverkapselten Phasenwechselmaterialien,2008 - 2011
Kompakte und wirtschaftliche Latentwärmespeicher für Kühlprozesse im Niedertemperaturbereich, 2014 - 2017
PCM-Forschungsprojekte bei ROM F&E
10.10.2017 | Seite 10
Entwicklung: SGL-Carbon, ZAE Bayern Aufbau Speichermodul: luftdurchströmter Stack aus Einzelplatten
PCM–Speicherplatten: Verbundmatrix Graphit-Paraffin
10.10.2017 | Seite 11
Außenluftklappe
Wärmetauscher(Heizung)
PCM – Speicher-Modul(Kühlung)
Ventilator
Brüstungsgerät mit PCM-Speicher - Konzept Büro
Graphitschaum-Paraffin-Platte Entwicklung SGL-Carbon, ZAE Bayern
Aufbau Speichermodul: luftdurchströmter Stack aus Einzelplatten
Gefördert durch das BMWi / PTJ
10.10.2017 | Seite 12
„Kühlen ohne Kältemaschine“ - mehrjähriger Einsatz im normalen BürobetriebUmfangreiche Messdaten als Datenbasis für die Optimierung des dynamischenBetriebes in der Übergangszeit und im Sommer
Ausblasöffnung u. Andichtung Regelventil Heizung
Controller, Klappensteuerung
Referenzanlage mit 50 Geräten in Hamburg
10.10.2017 | Seite 13
Energieeffizienz der PCM-Technik
ANL ANL ANL
PCM-Geräte (1450 Stück) und Abluftanlage:Bedarf für Raumkühlung: 47,5 MWhel/a
10.10.2017 | Seite 14
Agenda
Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&EPhase Change Materials (PCM) für die GebäudekühlungPhase Change Slurries (PCS) – Stand der ForschungPCM-Makrokapseln in Wasserspeichern
10.10.2017 | Seite 15
Forschungsprojekt: Entwicklung wasserbasierter PCM-Speicher
Trägerflüssigkeit + Phasenwechselmaterial (PCM)
Trägerflüssigkeiten:
Wasser
Wasser- Glykolmischungen
PCMs:
mikroverkapselte Paraffine
emulgiertes Paraffin
Ansatz für kompakte Kältespeicher
und materialeffiziente Anlagen
Gefördert durch das BMWi / PTJ
Nutzung von PCM in Fluidsystemen – Phase Change Slurries (PCS)
10.10.2017 | Seite 16
PCS-Demoanlage im ROM-Labor, Ansichten
5 m³-Speicher mit Wärmeübertrager-Einheit für Lastwechselsimulationen
10.10.2017 | Seite 17
WÜ 2
WÜ 3
PCS-Demoanlage im ROM-Labor, Aufbau
10.10.2017 | Seite 18
ΔΔΔΔΔΔΔΔ
ΔΔΔΔ
PCS mit mikroverkapselten PCM-Teilchen
Enthalpieverlauf(Micronal DS 5045X)
10.10.2017 | Seite 19
• höhere Energiedichte (angestrebt: Faktor 4 bis 5 gegenüber Wasser)• Entwicklung neuer Energiespeichersysteme• Analyse und Bewertung der entwickelten Speichersysteme in verschiedenen
Anwendungssituationen (Gebäudekühlung, Prozesskühlung) • Erhöhung von Energietransportkapazitäten bei geringen Transportwiderständen• Entwicklung einer geeigneten Emulsion aus Wasser und Latentwärmespeicher
als Kälte-/Wärmeträger• Bewertung von Strömungs- und Wärmeübertragungseigenschaften von Wasser-
Paraffin-Mischungen• Entwicklung neuer Simulationsmodelle für Systeme aus Emulsionen
Weitere Ziele für die Entwicklung von zentralen Speichersystemen auf Basis PCM/PCS
10.10.2017 | Seite 20
Partner Forschungsprojekt
Vorteile gegenüber mikroverkapselten Slurries:
einfachere Herstellung, ein Prozessschrittgeringerer Preis
geringere Visosität, höhere Wärmekapazitäthydr. Aufwand u. Wärmeübergang günstigerZiel: 4-fache Wärmekapazität gegenüber H2O
Anforderung: Stabilität f. mehrere 1000 Zyklen
Aktuell: Entwicklung und Bewertung von Emulsionen
10.10.2017 | Seite 21
ΔΤ
Kompakte Kälte-Speicher durch PCM
Quelle: ROM Technik 2013
10.10.2017 | Seite 22
Arbeitsstand KOLAN: Design von PCS-Emulsionen
(Quelle: Fraunhofer ISE)
10.10.2017 | Seite 23
Prinzipschema und Modellierung einer Schleiföl-KühlanlageSystembetrachtung, Bsp. industrielle Anwendung
10.10.2017 | Seite 24
Simulationen Betriebsverhalten Schleifölkühlanlage
10.10.2017 | Seite 25
Agenda
Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&EPhase Change Materials (PCM) für die GebäudekühlungPhase Change Slurries (PCS) – Stand der ForschungPCM-Makrokapseln in Wasserspeichern
10.10.2017 | Seite 26
Speicher mit Makrokapseln Demoanlage im ROM-Labor
Simulation von vollständigen Lastzyklen, Analyse des Speicherverhaltens
Vertikale Befüllung des Speichers mit Makrokapseln
10.10.2017 | Seite 27
Versuchsdurchführung – Vorüberlegung
(Quelle: Sasol GmbH)
Ziel Identifizierung des optimalen Temperatursprungs für den Betrieb des Speichers
Bei (Voruntersuchung)
Variation der unteren und oberen Ecktemperaturen
• Hohe Ausnutzung der theoretischen Speicherkapazität
• Großer Speicherfaktor
Vermutung: optimaler Temperatursprung 15 °C 20 °C, Ausgangspunkt : untere Ecktemperatur 15 °C
• Kleiner Temperatursprung• Eng um Phasenwechselbereich• Bei vollständiger Ausnutzung der
latent speicherbaren Energie
10.10.2017 | Seite 28
Vergleich der Speicherfaktoren – optimiert
• Speicherdichte des KW-Speichers bleibt konstant
• Steigerung des Speicherfaktors möglich
10.10.2017 | Seite 29
Eigenentwicklung Makrokapseln – SpeicherprototypVorgabe
Kleiner MaßstabKostengünstige LösungAnteil „Bordmittel“ möglichst hoch
Makrokapsel-SpeicherprototypSpeichervolumen:
0,01226 m³Volumen Parafol 16-97: 0,00194 m³ Volumenanteil Parafol 16-97:
15,82 Vol-%
SpeicherbehälterSpeicherpatroneHalterungskonstruktionMakrokapseln Styrodurprofile
10.10.2017 | Seite 30
Übertragung auf anwendungstypische SpeichergrößeOptimierungspotenzial
(Quelle: packomania.com)
3439
konstruktiv umsetzbare Lösung: 2500 Makrokapseln
Theoretisches Maximum:3439 Makrokapseln
Verbesserungspotenzial vorhandenSteigerung der Kapselanzahl möglich
AnzahlKapseln
FüllvolumenKapseln
Volumenanteil Parafol 16-97
Speicher-kapazität
Speicher-dichte
Speicher-faktor
in in in in in
3439 3,12 62,33 194,948 38,99 6,44
3000 2,72 54,37 173,968 34,79 5,75
2500 2,27 45,31 150,073 30,01 4,96
2000 1,81 36,25 126,178 25,24 4,17
1500 1,36 27,19 102,283 20,46 3,38
1000 0,91 18,12 78,388 15,68 2,59
873 0,79 15,82 70,265 14,05 2,32
10.10.2017 | Seite 31
Einsatz von Fassadensystemen in der Sanierung Verzicht aufKälteverrohrung oder kleine lokale Verrohrungen möglich
Trotz hohem Materialpreis dort interessant, wo andere Systeme(Kältemaschine, Rohrsystem etc.) eingespart oder deutlich kleiner ausgelegt werden können
Einsatz von PCM- oder PCS-Systemen für die Vorwärmungund Kühlung in Klimageräten (dezentral und zentral)
PCS (Phase-Change-Slurries): Einsatz in Kältenetzen, Kapazitätserhöhung von Altanlagen
Potentiale der PCM-/PCS-Systeme:
10.10.2017 | Seite 32
Zyklenstabilität, Unterkühlung u. Volumendehnung der PCS-Emulsionen verbessern
geringerer spezifischer Preis ( Material, Herstellungsverfahren, Masse)(aber: Anwendungen mit Einsparungen bei Anlagenbau und Aufstellfläche im Einzelfall / Nischenanwendungen schon jetzt nahe der Wirtschaftlichkeit)
Betriebserfahrungen mit PCS sammeln Demoprojekte, Monitoring,Langzeitverhalten in Anlagen, Fouling, Entsorgung
Steigerung der volumenspezifischen Kapazität (emulgierte PCS: Faktor 3 gegenüber Wassererreicht, 4 bis 5 angestrebt, bei Makrokapseln rund Faktor 5 erreichbar)
Bewertung der PCM-Systeme in den entsprechenden Normen undRichtlinien (EnEV, DIN V 18599)
Emulsionen für Schmelztemperaturen 6/12, 9/15 oder 12/18 entwickeln
Anforderungen, weiterer Entwicklungsbedarf fürPCM / PCS in der Gebäude- u. Prozesskühlung
10.10.2017 | Seite 33
Beispiel Industrieanwendung Kälte / Heizung
10.10.2017 | Seite 34
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
10.10.2017 | Seite 35
Kontakt
Dipl.-Ing. Peter ThielLaborTelefon +49 40 6949-2204 PeThiel@rom-techik.de
Rud. Otto Meyer Technik Ltd. & Co. KGForschung & EntwicklungTilsiter Straße 16222047 Hamburg
Dr.-Ing. Bruno LüdemannEnergiesysteme u. SimulationTelefon +49 40 6949 2546Bluedemann@rom-technik.de
www.rom-technik.de
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Der Fachkonferenz „Effiziente Gebäude 2017“ fand am 10. Oktober 2017 in Hamburg statt.
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