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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
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Gliederung
– Ausgangsituation: Bedarf / Angebot– Grundlagen der Latentwärmespeicherung– Einsatzfall „Solares Heizen“– Einsatzfall „Solares Kühlen“– Zusammenfassung und Ausblick
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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
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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
gespeicherte Wärmemenge
Temperatursensibel
gespeicherte Wärmemenge
Temperatursensibel
sensibel
latent
sensibel
Temperatur desPhasenübergangsTemperatur desPhasenübergangs
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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
Grundlagen der Latentwärmespeicherung
Faktor 2
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Grundlagen der Latentwärmespeicherung
Verkapselungen: Verbundmaterialien:
makro mikro
Dörken: Delta®-Cool-Systemhttp://www.doerken.de/
Rubithermhttp://www.rubitherm.de
BASF AGwww.micronal.de
SGL TECHNOLOGIES
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Grundlagen der Latentwärmespeicherung
Temperaturstabilisierungin Transportboxen
Temperaturstabilisierungdes Körpers
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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
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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
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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
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Einsatzfall „Solares Heizen“: passive Speicher
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
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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
Einsatzfall „Solares Heizen“: passive Speicher
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
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Einsatzfall „Solares Heizen“: passive Speicher
⇒ Gips-Platte: Knauf PCM SmartboardTM
Quelle: http://www.knauf.de/wmv/?id=2272
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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
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© Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieforschungFachforum Solarthermie / 1.12.09 15
NT- Kühl-/Heizsystem
PCM-Speicher
Heizkessel
Absorptionswärmepumpebzw. Kältemaschine
Solarkollektor-anlage
Luftwärme-tauscher
Wärme-Speicher
Luftwärme-tauscher
NT- Kühl-/Heizsystem
PCM-Speicher
Heizkessel
Absorptionswärmepumpebzw. Kältemaschine
Solarkollektor-anlage
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
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© Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieforschungFachforum Solarthermie / 1.12.09 16
NT- Kühl-/Heizsystem
PCM-Speicher
Heizkessel
Absorptionswärmepumpebzw. Kältemaschine
Solarkollektor-anlage
Luftwärme-tauscher
Wärme-Speicher
Luftwärme-tauscher
NT- Kühl-/Heizsystem
PCM-Speicher
Heizkessel
Absorptionswärmepumpebzw. Kältemaschine
Solarkollektor-anlage
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
Einsatzfall „Solares Kühlen“: Systemkonzept
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© Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieforschungFachforum Solarthermie / 1.12.09 17
NT- Kühl-/Heizsystem
PCM-Speicher
Heizkessel
Absorptionswärmepumpebzw. Kältemaschine
Solarkollektor-anlage
Luftwärme-tauscher
Wärme-Speicher
Luftwärme-tauscher
p
Rück-kühler
PCMSpeicher
SOLARESKÜHLEN
Entladen desLatentwärme-speichers
<20°C
<24°C
>26°C
Einsatzfall „Solares Kühlen“: Systemkonzept
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© Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieforschungFachforum Solarthermie / 1.12.09 18
NT- Kühl-/Heizsystem
PCM-Speicher
Heizkessel
Absorptionswärmepumpebzw. Kältemaschine
Solarkollektor-anlage
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
Einsatzfall „Solares Kühlen“: Systemkonzept
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© Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieforschungFachforum Solarthermie / 1.12.09 19
Einsatzfall „Solares Kühlen“: Systemkonzept
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
Tin [°C] Tout [°C]
22 25
heat input from the solar collector field in daytime to heat at night / winter season
Tin [°C] Tout [°C]
36 32
heat input to the heating system in night time / winter season (example)
Tin [°C] Tout [°C]
24 26
T [°C]3837363534333231302928272625242322212019
Summer operation
Summer and winteroperation
between 27 and 31°C
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© Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieforschungFachforum Solarthermie / 1.12.09 20
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
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© Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieforschungFachforum Solarthermie / 1.12.09 21
Einsatzfall „Solares Kühlen“: Umsetzung
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)
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© Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieforschungFachforum Solarthermie / 1.12.09 22
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“: Umsetzung
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© Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieforschungFachforum Solarthermie / 1.12.09 23
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%
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© Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieforschungFachforum Solarthermie / 1.12.09 24
-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
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© Bayerisches Zentrum für Angewandte EnergieforschungFachforum Solarthermie / 1.12.09 25
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