Latentwärmespeicher in der Solarthermie Stand der Technik ...¤rmespeicher... · Dr. Harald Mehling ZAE Bayern Walther-Meißner-Str.6, 85748 Garching [email protected] BAYERISCHES

Dr. Harald MehlingZAE Bayern

Walther-Meißner-Str.6, 85748 [email protected] www.zae-bayern.de

BAYERISCHES ZENTRUM FÜR ANGEWANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V.

Latentwärmespeicher in der SolarthermieStand der Technik, Vor- und Nachteile,

Ausblick

© Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieforschungFachforum Solarthermie / 1.12.09 2

Gliederung

– Ausgangsituation: Bedarf / Angebot– Grundlagen der Latentwärmespeicherung– Einsatzfall „Solares Heizen“– Einsatzfall „Solares Kühlen“– Zusammenfassung und Ausblick


Solarkollektoren

Ausgangssituation: Bedarf / Angebot

0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C 60°C 70°C

Nachtluft

Gebäudekühlung

Bedarf

Angebot

Gebäudeheizung

Boden und Grundwasser

Brauchwasser

Einsatzfall „Solares Heizen“:Angebot und Bedarf passen oft nicht in der Zeit⇒ Bedarf an Speichern mit hoher Speicherfähigkeit

Wärme angetriebene SorptionskältemaschineAusweg:Einsatzfall „Solares Kühlen“:Angebot und Bedarf passen in der Zeitdie Abwärmeentsorgung ist jedoch problematisch⇒ Bedarf an Speichern mit kleinem Temperaturhub


Grundlagen der Latentwärmespeicherung

Wärmespeicherung:Sensible Wärme = fühlbare WärmeLatente Wärme = nicht fühlbare Wärme,

ohne Temperaturänderung,durch einen Phasenwechsel

meist Phasenübergang fest-flüssig, z.B. Schmelzen von Eis

Materialien mit technisch nutzbarem Phasenübergangnennt man auchLatentwärmespeichermaterialien, Phasenwechselmaterialien, oder kurzPCM (Phase-Change-Material)

Einsatzgebiete:Speicher mit hoher Speicherdichte bei kleinen ΔTPassive Temperaturstabilisierung

gespeicherte Wärmemenge

Temperatursensibel

sensibel

latent

sensibel

Temperatur desPhasenübergangs


Temperatursensibel


Temperatursensibel

sensibel

latent

sensibel

Temperatur desPhasenübergangsTemperatur desPhasenübergangs


Zucker-alkohole

Schmelztemperatur [°C]

Schm

elze

nerg

ie [k

J/L

]

-100 0 +100 +200 +300 +400 +500 +600 +700 +800

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

wässrige Salzlösungen

Salzhydrate

Wasser

Chlatrate

FettsäurenParaffine

Nitrate

Hydroxide

Karbonate

Chloride

Fluoride

0,1 kWh/L

© ZAE Bayern

Wasser bei sensibler Wärme- / KältespeicherungBei ΔT=10K: 40kJ/L ≈ 0,011 kWh/L

Faktor 9Wasser bei sensibler WärmespeicherungBei ΔT=40K: 160kJ/L ≈ 0,044 kWh/L


Faktor 2



Verkapselungen: Verbundmaterialien:

makro mikro

Dörken: Delta®-Cool-Systemhttp://www.doerken.de/

Rubithermhttp://www.rubitherm.de

BASF AGwww.micronal.de

SGL TECHNOLOGIES



Temperaturstabilisierungin Transportboxen

Temperaturstabilisierungdes Körpers


Solarkollektoren

Einsatzfall „Solares Heizen“: Bedarf / Angebot

0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C 60°C 70°C

Bedarf

Angebot

Gebäudeheizung

Brauchwasser

Einsatzfall „Solares Heizen“:Angebot und Bedarf passen oft nicht in der Zeit⇒ Bedarf an Speichern mit hoher Speicherfähigkeit

Problematik: gleitende Angebotstemperatur, Wirkungsgrad temperaturabhängigKonventionelle Lösung: Schichtenspeicher


http://www.alfredschneider.de/prod05.htm

Einsatzfall „Solares Heizen“: aktive Speicher

Heizung und BrauchwasserWasserspeicher Stand der Technik

LWS hat Vorteil des kleineren Volumens!Kommerzielle Produkte existieren Paraffine oder Salzhydrate, SMP meist 50-60°C

Feldstudien zu erreichten Speicherdichten und Kollektorwirkungsgraden fehlen jedoch

Heizung mit Luft führenden SystemenSpeicherung ohne PCM nicht sinnvollSpeicher mit PCM, SMP etwa 30°C, sind in EntwicklungPrototyp eines Speichers mit PCM-Modulen bei Grammer von 2/03-12/07 erfolgreich in Betrieb

4.1 kWh Speicherkapazität20 m² Solar-Luft-KollektorLuftvolumenstrom 180 - 300 m³/h


Einsatzfall „Solares Heizen“: passive Speicher

Solare Heizung mit passiven FassadenelementenTWD mit PCM, statt massiver Wand, als Speicher

GLASSX®crystal GLASSX®comfort

http://www.glassx.ch/

TWD PCM Module SMP 24-28°C

sommerlicher Überhitzungsschutz

Vorteil niedriger BetriebstemperaturDicke von nur 7-8 cm

mittlerweile kommerzielles Produkt



0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C 60°C 70°C

Nachtluft

Gebäudekühlung

Bedarf

Angebot

Gebäudeheizung

Solarkollektoren

Temperaturstabilisierung = Heizen / Kühlen

durch thermische Trägheit der Baumaterialien


temperature during one week in August

07.08. 08.08. 09.08. 10.08. 11.08. 12.08.

20

25

30

35

18

lightweight buildingmassive buildinglightweight building PCM: Tmelt = 23 °C,PCM-amount per area: 3 kg/m2

dayro

om te

mpe

ratu

re /

°C

temperature during one week in August

07.08. 08.08. 09.08. 10.08. 11.08. 12.08.

20

25

30

35

18

lightweight buildingmassive buildinglightweight building PCM: Tmelt = 23 °C,PCM-amount per area: 3 kg/m2

dayro

om te

mpe

ratu

re /

°C


Einbringung von PCM in gängige BaumaterialienVergleich der Wärmespeicherfähigkeit:

⇒ Einsatz mikroverkapselter Paraffine: z.B. micronal von BASF

010203040506070

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Temperatur

kJ/k

g in

nerh

alb

eine

s1°

C In

terv

alls

PCM



⇒ Gips-Platte: Knauf PCM SmartboardTM

Quelle: http://www.knauf.de/wmv/?id=2272


Einsatzfall „Solares Kühlen“: Bedarf / Angebot

0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C 60°C 70°C

Außenluftnachts tags

Gebäudekühlung

Bedarf

AngebotWärme angetriebene SorptionskältemaschineAusweg:

Einsatzfall „Solares Kühlen“:Angebot und Bedarf passen in der Zeit

die Abwärmeentsorgung ist jedoch problematisch: sie passt nicht in der Zeit⇒ Bedarf an Speichern mit kleinem Temperaturhub


NT- Kühl-/Heizsystem

PCM-Speicher

Heizkessel

Absorptionswärmepumpebzw. Kältemaschine

Solarkollektor-anlage

Luftwärme-tauscher

Wärme-Speicher

Luftwärme-tauscher


PCM-Speicher

Heizkessel



Luftwärme-tauscher

Wärme-Speicher

Luftwärme-tauscher

HTSpeicher

Heiz/KühlSystem

Rück-kühlerp

SolarKollektor

Heizkessel

AKM

PCMSpeicher

45°C 40°C

15°C18°C

105°C

100°C

SOLARESKÜHLEN

100 % trockeneRückkühlung

Flach-kollektoren

+ 26%Flächenbedarf vgl. mit Naßkühlturm

40°C

32°C

Einsatzfall „Solares Kühlen“: Systemkonzept



PCM-Speicher

Heizkessel



Luftwärme-tauscher

Wärme-Speicher

Luftwärme-tauscher


PCM-Speicher

Heizkessel



Luftwärme-tauscher

Wärme-Speicher

Luftwärme-tauscher

HTSpeicher

Heiz/KühlSystem

Rück-kühlerp

SolarKollektor

Heizkessel

AKM

PCMSpeicher

SOLARESKÜHLEN

50 % trockeneRückkühlung

50 % Latent-wärmespeicher

40°C 32°C

32°C

15°C18°C

90°C

80°C

Flach-kollektoren

+ 6%Flächenbedarf vgl. mit Naßkühlturm

36°C

32°C




PCM-Speicher

Heizkessel



Luftwärme-tauscher

Wärme-Speicher

Luftwärme-tauscher

p

Rück-kühler

PCMSpeicher

SOLARESKÜHLEN

Entladen desLatentwärme-speichers

<20°C

<24°C

>26°C




PCM-Speicher

Heizkessel



Luftwärme-tauscher

Wärme-Speicher

Luftwärme-tauscher

HTSpeicher

Heiz/KühlSystem

Heizkessel

Heiz/KühlSystem Solar

Kollektor

Heizkessel

Rück-kühler

PCMSpeicher

p

SOLARESHEIZEN

Flach-kollektoren

<24°C

Entladen: < 27°C

Beladen: 32 - 45°C

90°C

45°C




Storage of reject waste heat in daytime / summer season

Tin [°C] Tout [°C]

36 32

release of stored waste heat in night time / summer season


22 25

heat input from the solar collector field in daytime to heat at night / winter season


36 32

heat input to the heating system in night time / winter season (example)


24 26

T [°C]3837363534333231302928272625242322212019

Summer operation

Summer and winteroperation

between 27 and 31°C


Einsatzfall „Solares Kühlen“: Umsetzung

Auswahl eines geeigneten PCMRandbedingung: Sommer- und Winterbetrieb zwischen 27 und 31°C⇒ Salzhydrat CaCl2 · 6H2O

h(T) Verlauf, auf 35°C normiert

-200

-150

-100

-50

0

50

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Temperatur / °C

Ent

halp

ie h

/ kJ

/kg

Schmelzbereich 27 - 30°CDichte ≈ 1,6 kg/lSchmelzenthalpie ≈ 150 kJ/kg

≈ 240 kJ/l



Untersuchung der Konzepte in einem Projekt

Projektname: Solare Klimatisierung mit kompakter Wasser/LiBr-Absorptionskälteanlage

Projektinhalt: Erprobung einer kompakten 10 kW Absorptionskälteanlage, Entwicklung und Betrieb eines innovativen Systems zur solaren Klimatisierung und Gebäudeheizung am ZAE Bayern

Zeitraum: 8/2005 bis 9/2009Projektvolumen: 0,7 Mio.€ innerhalb SOLARTHERMIE 2000plus Fördergeber: BMU (Förderkennzeichen 0329605D )Projektpartner: ZAE Bayern, Phönix Sonnenwärme AG (Berlin)


Wärmetauscher: Kapillarmattenregister

AuslegungSpeicherkapazität 120 kWh (10 Stunden, 50% AKM Abwärme)Volumen 1,44 m3, Masse 2,16 t⇒ 2 Container, Volumen je 1m³⇒ Faktor 10kleiner alsWasserspeicher



Einsatzfall „Solares Kühlen“: Ergebnisse

Heizbetrieb: Messdaten im System - Jahresbilanz 2008

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

heat / kWh

█ Irradiation (57 m²)█ heat demand█ solar gain total█ solar gain NT█ refrigeration demand█ solar driven chiller

2008 Jan. Feb. Mar. Apr. May. Jun. Jul. Aug. Sept. Okt. Nov.

24% 73% 85% 100% 51% 23% 32% 38% 43% 77% 31% 16%24% 73% 85% 100% 51% 23% 32% 38% 43% 77% 31% 16%24% 73% 85% 100% 51% 23% 32% 38% 43% 77% 31% 16%24% 73% 85% 100% 51% 23% 32% 38% 43% 77% 31% 16%


-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00

Zeit / hh:mm

Leistung / kW, Temperatur / °C

█ Solarstrahlung█ Solarertrag (latent)█ Solarertrag (sensibel)█ Umgebungstemperatur

29.01.2008

25 °C

25 °C

Heizbetrieb: Simulation ⇒ Solarertrag bei sensibler und latenter Wärmespeicherung

Einsatzfall „Solares Kühlen“: Ergebnisse


Zusammenfassung und Ausblick

Es stehen eine Vielzahl von PCM zur Verfügung

Eine Vielfalt unterschiedlicher Konzepte und Systeme zum solarenHeizen und Kühlen wurden entwickelt und getestet

Wichtig ist die Auswahl eines geeigneten PCM sowie ein abgestimmtes Systemkonzept

Erste Produkte sind kommerziell erhältlich

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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