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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

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Agenda

Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&EPhase Change Materials (PCM) für die GebäudekühlungPhase Change Slurries (PCS) – Stand der ForschungPCM-Makrokapseln in Wasserspeichern

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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

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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:

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F&E - Kompetenz in Technik und Innovation

ROM Forschung und Entwicklung

Jul Sep Nov Jan

050

010

0015

0020

0025

0030

00

Wäm

elei

stun

g [k

W]

05

1015

2025

30

Tem

pera

tur [°C]

AußentemperaturWärme

Jul Sep Nov Jan

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Tem

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tur [°C]

AußentemperaturWärme

EnergiedienstleistungenLabor Numerische Simulation

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Agenda

Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&EPhase Change Materials (PCM) für die GebäudekühlungPhase Change Slurries (PCS) – Stand der ForschungPCM-Makrokapseln in Wasserspeichern

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Kälteerzeugung mit PCM: Materialauswahl

Quelle: Bine-Info

Quelle: ILK Dresden

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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

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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

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Entwicklung: SGL-Carbon, ZAE Bayern Aufbau Speichermodul: luftdurchströmter Stack aus Einzelplatten

PCM–Speicherplatten: Verbundmatrix Graphit-Paraffin

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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

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„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

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Energieeffizienz der PCM-Technik

ANL ANL ANL

PCM-Geräte (1450 Stück) und Abluftanlage:Bedarf für Raumkühlung: 47,5 MWhel/a

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Agenda

Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&EPhase Change Materials (PCM) für die GebäudekühlungPhase Change Slurries (PCS) – Stand der ForschungPCM-Makrokapseln in Wasserspeichern

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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)

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PCS-Demoanlage im ROM-Labor, Ansichten

5 m³-Speicher mit Wärmeübertrager-Einheit für Lastwechselsimulationen

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WÜ 2

WÜ 3

PCS-Demoanlage im ROM-Labor, Aufbau

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ΔΔΔΔΔΔΔΔ

ΔΔΔΔ

PCS mit mikroverkapselten PCM-Teilchen

Enthalpieverlauf(Micronal DS 5045X)

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• 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

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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

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ΔΤ

Kompakte Kälte-Speicher durch PCM

Quelle: ROM Technik 2013

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Arbeitsstand KOLAN: Design von PCS-Emulsionen

(Quelle: Fraunhofer ISE)

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Prinzipschema und Modellierung einer Schleiföl-KühlanlageSystembetrachtung, Bsp. industrielle Anwendung

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Simulationen Betriebsverhalten Schleifölkühlanlage

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Agenda

Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&EPhase Change Materials (PCM) für die GebäudekühlungPhase Change Slurries (PCS) – Stand der ForschungPCM-Makrokapseln in Wasserspeichern

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Speicher mit Makrokapseln Demoanlage im ROM-Labor

Simulation von vollständigen Lastzyklen, Analyse des Speicherverhaltens

Vertikale Befüllung des Speichers mit Makrokapseln

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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

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Vergleich der Speicherfaktoren – optimiert

• Speicherdichte des KW-Speichers bleibt konstant

• Steigerung des Speicherfaktors möglich

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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

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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

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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:

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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

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Beispiel Industrieanwendung Kälte / Heizung

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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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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