06.11.2008
inHaus2, Duisburg
Dezentrale Lüftungsgeräte (DL) mit Latentwärmespeicher im inHaus2 Technisches Konzept und begleitende Messreihen
Dr.-Ing. Monika Hall, Josef Gartner Switzerland AG
Dr.-Ing. Roland Bornemann, Josef Gartner GmbH
Dipl.-Ing. Detlef Makulla, caverion GmbH Geschäftsbereich Krantz Komponenten
Dipl.-Ing. Matthias Kiebel, caverion GmbH Geschäftsbereich Krantz Komponenten
• Dezentrale Lüftungsgeräte im inHaus2
• Phase Change Material PCM
• Aufbau des Lüftungsgeräts mit PCM
• Vorstudie: Testraum im inHaus2
• Ergebnisse einer Simulation
• Zusammenfassung und Ausblick
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Dezentrale Lüftungsgerätetypen im inHaus2
Latentwärmespeicher
WRG: Quellluft
WRG: Mischluft
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Phase Change Material „PCM“
Sensibler Bereich
(fest)
Sensibler Bereich
(flüssig)
Late
nte
r B
ere
ich
Temperatur [°C]
Gespeic
hert
e W
ärm
em
eng
e
[J/(
g K
)]
Schmelztemperatur
Erstarrungstemperatur
∆θ
Der Begriff „Phasenwechsel“ – hier vereinfacht dargestellt
Latenter Bereich =
Energieaufnahme bzw. Abgabe in
einem engen Temperaturbereich
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Die Idee
c~ëë~ÇÉåáåíÉÖê~íáçå
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Phase Change Material „PCM“
Temperatur [°C]
Gespeic
hert
e W
ärm
em
eng
e
[J/(
g K
)]
Schmelztemperatur
Erstarrungstemperatur
Unterkühlung = Verschiebung
zwischen Schmelz- und
Erstarrungstemperatur
(Hysterese)
Jetzt zur Realität: Phasenwechsel mit Unterkühlung
Sensibler Bereich
(fest)
Sensibler Bereich
(flüssig)
∆θs∆θe
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Phase Change Material „PCM“
• geeignete Schmelz-/ Erstarrungstemperatur
• enger Schmelz- und Erstarrungsbereich
• geringe Unterkühlung (Spreizung zwischen Erstarrung und Verflüssigung)
• hohe Wärmespeicherkapazität (latent & sensibel)
• hohe Wärmeleitfähigkeit
• hohe Phasenstabilität
• hohe Langzeitstabilität
• geringe thermische Volumenausdehnung
Welche Eigenschaften sollte das ideale PCM aufweisen:
Quelle: www.Rubitherm.com
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• relativ hohe Schmelzwärme (cplat.)
• höhere Rohdichte als Paraffin
• höhere Wärmeleitf. als Paraffin
• nicht brennbar
• kostengünstig
• hohe Wärmespeicherkapazität (cpsen.)
• enger Schmelzbereich
• gute Erstarrungsrate
• gute Phasenstabilität
• keine / nur sehr geringe Unterkühlung
• chemisch inert
Vorteile:
• geringe Phasenstabilität
• hohe Unterkühlung
• schlechte Erstarrungsrate
• wasserdampfdichte Ummantelung
(Korrosionsgefahr)
Nachteile:
Vorteile:
• geringe Rohdichte
• geringere volumenbezogene
Speichereigenschaften
• geringe Wärmeleitfähigkeit
• Volumenänderung von 10 % beim
Phasenübergang
• brennbar
Nachteile:
Salzhydrate (z.B. Natriumsulfat) Paraffine (Kohlenwasserstoffe)
Phase Change Material „PCM“
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Lüftungsgerät mit PCM
33,3 kg46 kgPCM-Menge pro Gerät
20 °C24 °CPhasenwechseltemperatur
1kWh (3543 kJ)1,6kWh (5810 kJ)Speicherkapazität
Graphit/ParaffinGraphit/SalzhydratMaterial
PCM-2PCM-1Verbundplatten
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Lüftungsgerät mit PCM
Wasserwärmetauscher
heizen/kühlen
Zuluftdurchlass
Zuluftventilator
(90 – 150 m3/h)
Schalldämpfer
PCM-Pakete
Umluftdurchlass
F7 Filter
Aussenluftklappe
Fortluftklappe
Betrieb mit
• Zuluft
• Umluft
• „Nachtluft“
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Lüftungsgerät mit PCM - Labormessung
Testaufbau
ca.140 mm
ca. 1620 mm
θ1 θ2 θ3 θ4 θ5
θein
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Lüftungsgerät mit PCM - Labormessungen
Tagbetrieb (Aufladen) – V = 120 m3/h, θein = 29°C.
[°C]
[h]
θ1
θ2
θ3 θ4
θ5
θ1 θ2 θ3 θ4 θ5
θein
∆Tmax. = 10°C
Aufladezeit rd. 5h
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Lüftungsgerät mit PCM - Labormessungen
Nachtbetrieb (Regeneration) – V = 120 m3/h, θein = 18°C.
[°C]
[h]
θ1
θ2 θ3 θ4 θ5
θ1 θ2 θ3 θ4 θ5
θein
Entladezeit rd. 8h
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Lüftungsgerät mit PCM - Resultat
Errechnete Werte auf Basis der Materialeigenschaften
PCM Masse (Graphit/Paraffin) 33,3 kg (pro Lüftungsgerät)
Spezifische Wärmekapazität 106 kJ/kg (cpsen + cplatent)
Speicherbare Wärmemenge 3543 kJ ≈ 1 kWh
Mittlere äquivalente Leistung 200 W über 5 Stunden
Gemessene Werte
mit V = 120 m³/h,
ρ = 1.2 kg/m3, cp = 1 kJ/(kg K)
Wärmeaufnahme (Tagbetrieb) QT = 3400 kJ
Regeneration (Nachtbetrieb) QN = -3600 kJ
(((( ))))∑∑∑∑ −−−−⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅====n
151 ttz∆cρVQ &
.
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OstSüd
Vorstudie: Testraum im inHaus2
Bereich Senior Care
Essen
Wohnen
Ergebnisse der statischen Leistungsmessung sind vielversprechend. Lässt sich dies
durch dynamische Berechnungen bestätigen ?
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Ug = 1.1 W/(m2K)
iplus E, 10/16/55.2
g = 0.52
UCW = 1.5 W/(m2K)
UDach = 0.2 W/(m2K)
UAW = 0.2 W/(m2K)
UIW = 0.4 W/(m2K)
UBoden= 2.6 W/(m2K)
3750 m
m
3100 m
m
Grundfläche 80 m2
Volumen 300 m3
6 Lüftungsgeräte
Vorstudie: Testraum im inHaus2
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• Bürozeiten: 7 – 18 Uhr (nur an Wochentagen)
• Personenbelegung: 6 Personen „mittel“
• Mindestaussenluftvolumenstrom: 40 m3/(h Person), hier: n = 0.8 1/h
• Luftwechsel (mech.): n = 2.5 1/h (≈120 m3/h pro Gerät)
• Personen 5 W/m2, Arbeitshilfen 7 W/m2, Licht 10 W/m2, Summe: 22 W/m2
(Die internen Lasten fallen nur innerhalb der Bürozeiten an)
Lamellenstore
• Ral 7016 „anthrazitgrau“, Schaltpunkt: 100 W/m2 auf der Südfassade
• Lamellenwinkel 45°
Parameter nach DIN V 18599 Teil 10
Simulation – wesentliche Annahmen und Parameter
Simulation mit ESP-r
Annahme: Zulufttemperatur entspricht der Aussenlufttemperatur
Klimadatensatz: IWEC Düsseldorf (Mai – September)
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Simulation - Regelungsstrategien
20 - 25.92.5
18.1 - 285.0
267 - 18
0.8
26 - 280.8
0.6
n [1/h]
18 - 28
20 - 26
18
18.1 - 26
0.6
18 - 245.0
180 - 7
0.6
JuniJuli
August
18 - 240.6
7 - 180.8
18 - 280 - 70.6Mai
September
18 - 280 - 24
BürotemperaturZeitraum [h]
BürotemperaturZeitraum [h]
n [1/h]
WochenendeWochentag
Strategie
Temperaturbereich des Büros: 20 - 26°C (Arbeitszeit), sonst 18 - 28 °C
[°C] [°C]
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Simulation - PCM Beschreibung
SP22 A17 (Rubitherm), Salzhydrat mit 5% Paraffinanteil
Quelle: Schlitzenberger, S.: Diplom II, Universität Kassel, FG Bauphysik, März 2007
Erstarrungsbereich
Schmelzbereich
∆θ= 4 K
cpsen.+ cplatent: über ges. Schm.-/Erst.-kurve 117 kJ/(kg K)
20°C 24.5°C
16°C 20.5°C
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Verschiebung des Schmelz- und Erstarrungsbereiches
(Orginal PCM: Schmelzb.: 20 - 24.5°C, Erstarrungsb.: 16 - 20.5°C)
Simulation – Parameterstudie
Schmelzbereich: 18 - 22.5°C
Erstarrungsbereich: 16 - 20.5°C
2K 2K
2K
Schmelzbereich: 18 - 22.5°C
Erstarrungsbereich: 18 - 22.5°C
PCM - PS 1 PCM - PS 2
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10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72
Zeitschritt
Tem
pera
tur
Temperaturverhalten SP 22 A17 (mit/ohne PCM)
Simulation – Gartner PCM-Model mit Unterkühlung
Raumluft, o PCM Zuluft, o PCM
Aussenluft
[h]
Zuluft, m PCM Oberfl., PCM
[°C]
Schmelzbereich: 20 - 24.5°C Erstarrungsbereich: 16 - 20.5°C
Raumluft, m PCM
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10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72
Zeitschritt
Te
mp
era
tur
[°C]
Beispielrechnung: Temperaturverhalten mit/ohne PCM - PS 1
Simulation – Gartner PCM-Model mit Unterkühlung
Raumluft, o PCM Zuluft, o PCM
Aussenluft
[h]
Zuluft, m PCM Oberfl., PCM
Schmelzbereich: 18 - 22.5°C Erstarrungsbereich: 16 - 20.5°C
2K
Raumluft, m PCM
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Vergleich der notwendigen Kühllasten in dem Büroraum
für den Zeitraum von Mai – September
Simulation - Resultate
-2518-22,5/16-20,5PCM PS1
- 2320-24.5/16-20.5PCM SP22 A17
-2618-22,5/18-22,5PCM PS2
-
Schmelz-/
Erstarrungsbereich
100ohne PCM
Prozentualer
Anteil an der
Kühllast [%][°C]
Raum ist zu groß –
optimale Raumgröße liegt
im Bereich von 50m²
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Labormessung
Zusammenfassung
• gesamte Speicherenergie des PCMs kann genutzt werden
• Vollständige Entladung findet z.T. nicht mehr statt
• Leistungsfähigkeit ist aus diesem Grund unter dynamischen
Einwirkungen geringer als statische Labormessungen suggerieren
• mit PCM kann rd. 25 % der Kühlleistung eingespart werden
(80m²)
• Raum mit 50m² erspart rd. 35% der Kühlleistung
• PCM nur in Kombination mit niedrigen internen Lasten sinnvoll
• Konsequenter Einsatz eines Sonnenschutzes
• Geeigneter Schmelz-/Erstarrungsbereich
Ergebnisse der Simulation
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Regelungsstrategien testen
• Konsequente Nachtauskühlung mit hohem Volumenstrom (Sommernächte)
• Volumenstrom erhöhen, solange Schmelzbereich nicht überschritten ist
• Regelung nach Raumlufttemperatur und Uhrzeit
Ausblick
Ziele einer möglichen Testreihe im inHaus2
• Bestimmung der realen Leistungsfähigkeit
• Test verschiedener PCM´s
• Validation der Simulationsergebnisse bzw. Anpassung des Modells
• Bestimmung der Kühlkostenersparnis und Bestimmung des Return of
Invest
Materialtest und Check der Annahmen
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... vielleicht mehr dazu auf dem inHaus-Forum 2009
inHaus-Forum 2009
