Wärme- und Kältespeicher
Profil des Marktbereichs
Zur Speicherung von Wärme und Kälte werden Phasenwechselmaterialien (engl.: Phase Change Material , kurz: PCM ) genutzt. Diese Stoffe sind in der Lage Wärme aufzunehmen, ohne sich dabei selbst wesentlich zu erwärmen. Stattdessen bewirkt die Aufnahme bzw. Abgabe der Wärme eine Änderung des Aggregatzustandes des Speichers.
Einige Materialien können beim Schmelzen sehr viel Wärme aufnehmen, die dann bei der Kristallisation wieder abgegeben wird. Da sich die Temperatur des Materials beim Schmelzen kaum ändert, wird diese Form der Wärmespeicherung als latente Wärmespeicherung bezeichnet. Aufgrund hoher Schmelzenthalpien können so mit bestimmten PCM große Wärme- oder Kältemengen bei verhältnismäßig kleinen Temperaturdifferenzen gespeichert werden.
Am Fraunhofer ISE untersuchen wir PCM basierend auf unterschiedlichen Paraffinen mit Schmelztemperaturen zwischen ca. 0 °C und 100 °C. Zwei grundsätzliche Konzepte stehen bei unseren Forschungen im Vordergrund:
Kompetenzen
Am Fraunhofer ISE haben wir viele Möglichkeiten Phasenwechselmaterialien zu untersuchen und zu analysieren. Nachfolgend ist ein Teil unserer Labore und Versuchsaufbauten mit den jeweiligen Apparaturen aufgelistet.
Neben einem Labor zur Analyse der Materialien können wir auf einen großen PCM Testraum zurückgreifen, in dem die Leistung von PCM Kühldecken vermessen werden kann.
Wir verfügen wir über die notwendige Erfahrung und Ausrüstung zur Durchführung von Gebäude-Monitoring-Projekten. Mit mobilen oder fest installierten Datenerfassungseinheiten werden die Messsignale der Sensorik aufgezeichnet und können je nach Anforderung z.B. über das Internet abgefragt oder präsentiert werden.
Weiterhin können wir verschiedene Simulationen zur Planung bereitstellen.
Bestimmung der Wärmekapazität-Heat Flux DSC mit Autosampler
Bestimmung der Viskosität-Rotationsrheometer
Dichtemessgerät-Biegeschwingerprinzip
Partikelgröße-Analysegerät-Laserbeugung
Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit-Hitzdrahtmethode
Zyklenapparaturen
Bestimmung der Wärmekapazität-Calvet DSC
Stabilitätsanalysator-Zentrifuge
Plattenapparatur zur Vermessung vonWandaufbauten
Kurzbeschreibung des Testraumes
Bestimmung der Wärmekapazität - Heat Flux DSC mit Autosampler
Zur Bestimmung der Wärmekapazität von Phasenwechselmaterialien und Phasenwechselflüssigkeiten verwenden wir zwei DSCs (Differential Scanning Calorimeter). Das DSC Q200 ist mit einem Autosampler ausgestattet, der es erlaubt mehrere Proben vorzubereiten, die dann automatisch nacheinander vermessen werden.
Herstellerangaben
| Temperaturbereich: | -20 °C bis +560 °C |
| Scanrate: | 0,01 K/min bis 200 K/min |
| Probenmenge: | max. 40 µl |
Bestimmung der Viskosität - Rotationsrheometer
Mit diesem Rheometer können wir die Viskositäten von Flüssigkeiten messen. Zur Verfügung stehen uns ein Flüssig temperiertes Zylinder-System und ein Peltier-temperiertes Platte-Kegel-System.
Herstellerangaben
| Temperaturbereich: | 0 °C bis +100 °C |
| Min. messbare Normalkraft: | 0,01 N |
| Drehzahl CR-Mode: | 0,001 min -1 bis 1500 min -1 |
| Drehzahl CS-Mode: | 1*10 -7 min -1 bis 1500 min -1 |
| Drehmoment: | 5*10 -8 Nm bis 0,2 Nm |
| Messgeometrien: | Zylinder, Kegel-Platte, Platte-Platte |
Dichtemessgerät - Biegeschwingerprinzip
Mit dem DMA 4500 messen wir am Fraunhofer ISE die Dichte von Phasenwechselflüssigkeiten. Es misst in einem Temperaturbereich von 0 °C bis 90 °C.
Herstellerangaben
| Messbereich: | 0 g/cm³ bis 3 g/cm³ |
| Genauigkeit Dichte: | 0,00005 g/cm³ |
| Genauigkeit Temperatur: | 0,03 °C |
| Messtemperatur: | +5 °C bis +90 °C |
| Druckbereich: | 0 bar bis 10 bar |
Partikelgröße-Analysegerät - Laserbeugung
Mit Hilfe dieses Gerätes können wir die Größe von Partikeln, die in einer flüssigen Probe enthalten sind, bestimmen. Das Messprinzip basiert auf der statistischen Lichtstreuung.
Herstellerangaben
Messbereich: 0,4 µm bis 2000 µm
Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit - Hitzdrahtmethode
Die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten kann mit diesem Messgerät bestimmt werden. Das Messprinzip beruht auf der Widerstandsmessung an einem instationär wirkenden Hitzedraht. Zusätzlich zur Wärmeleitfähigkeit ist eine Bestimmung des Temperaturleitwertes möglich.
Herstellerangaben
| Temperaturbereich: | +20 °C bis +100 °C |
| Viskositätsbereich: | 0,1 mPas bis 10000 mPas |
| Reproduzierbarkeit: | 1% bis 2% |
Unser Labor ist mit Zyklenapparaturen in verschiedenen Größen ausgestattet, mit denen wir beschleunigte Alterungsversuche mit mikroverkapselten Paraffinen durchführen können. So ist es zum Beispiel möglich 10.000 Zyklen zu durchfahren und die PCM auf Beständigkeit und Stabilität zu überprüfen.
Bestimmung der Wärmekapazität - Calvet DSC
Das micro DSC III wird ebenso wie das DSC Q200 zur Bestimmung der Wärmekapazität verwendet.
Herstellerangaben
| Temperaturbereich: | -20 °C bis +120 °C |
| Scanrate: | 0,01 K/min bis 1,2 K/min |
| Probenmenge: | max. 1 ml |
Stabilitätsanalysator - Zentrifuge
Der Stabilitätsanalysator kann zur Klassifizierung und Quantifizierung von Entmischungsphänomenen, Stabilität und Haltbarkeitsdauer von Dispersionen verwendet werden.
Herstellerangaben
| Temperaturbereich: | +4 °C bis +60 °C |
| RCF: | 6 xg bis 2300 xg |
| Probenvolumina: | 0,1 ml bis 2,0 ml |
Plattenapparatur zur Vermessung von Wandaufbauten
Mit dieser selbst entwickelten Plattenapparatur werden bis zu 50cm x 50 cm große Platten mit einer Dicke von maximal 30cm untersucht.
Wir können so Wand- oder Deckenaufbauten testen und zum Beispiel Temperatur-Enthalpie-Verläufe oder die Wärmeleitfähigkeit heterogener Materialien bestimmen.
Die Plattenapparatur ermöglicht sowohl in horizontaler, als auch vertikaler Probenlage Messungen an großen Proben und stellt somit ein häufig fehlendes Bindeglied zwischen DSC-Messungen und 1:1 Testräumen dar.
Kurzbeschreibung des TestraumesDie PCM Testkammer befindet sich in einer Halle des Solarhauses des Fraunhofer ISE. Das hat den Vorteil, dass sie unabhängig von Außentemperatur und Witterung betrieben werden kann. Dadurch sind besser vergleichbare Messungen möglich. Es handelt sich um eine etwa 4m*4m*3m (B*T*H) große Kammer, deren Boden, Wände und Decke temperiert werden können.So erreicht man annähernd konstante Versuchsbedingungen.
In dieser Kammer vermessen und testen wir Kühldecken mit PCM haltigen Materialien. Dazu werden mit elektrischen Lastsimulatoren Wärmelasten in die Kammer eingebracht und mit Hilfe der Kühlpaneele abgeführt. Die gemessenen Daten (Massenstrom, Vor- und Rücklauftemperatur) ermöglichen die Bestimmung der Kühlleistung derKühlpaneele nach SN EN 14240:2004 D.
Außerdem wird der thermische Komfort auf Grundlage von Messungen der operativen Raumtemperatur, der Lufttemperatur in verschiedenen Höhen und der Oberflächentemperaturen der Wände bewertet.
Für Tests unter realen Bedingungen (inkl. solare Einstrahlung etc.) kann die Südwand der Testkammer demontiert werden.Dann fungiert die Fassade des Solarhauses inklusive Fenster als "reale" Wand.
Projekte
Auf dieser Seite finden Sie einige aktuelle und bereits abgelaufene Projekte des Fraunhofer ISE im Bereich Phasenwechselmaterialien. Durch einen Klick auf den jeweiligen Projektnamen gelangen Sie zu Kurzbeschreibungen der einzelnen Projekte. Projektpartner erhalten im Mitgliederbereich zusätzlich Informationen und aktuelle News zu den Projekten. Hierfür ist ein Username und ein Passwort erforderlich, welche Sie von uns bekommen.
Phasenwechselmaterialien in Baustoffen
Systeme mit PCM (aktiv)
Baustoffe mit PCM (passiv)
Phasenwechselmaterialien in Baustoffen
Der Energieverbrauch für die Kühlung von Gebäuden steigt in Deutschland stetig an. Dieser Effekt wird begünstigt durch die Tendenz, neue Gebäude in der Regel mit großen Fensterflächen und in Leichtbausweise zu errichten. Dabei führt die fehlende thermische Masse zu einer schnellen Überhitzung des Gebäudes, der mit Kälteanlagen energieaufwändig entgegengewirkt werden muss.
Mikroverkapselte Paraffine können als PCM in Baustoffe (Putze, Spachtelmassen, Trockenbauplatten etc.) eingebracht werden. Sie erhöhen so die thermische Speicherfähigkeit von Gebäuden ohne die Vorteile der Leichtbauweise einzubüßen. Beim Phasenwechsel wird Wärmeenergie latent gespeichert - die Temperatur des PCM bleibt nahezu konstant.
Durch die Mikroverkapselung ist das Paraffin geschützt in einer Kunststoffhülle eingeschlossen und sehr fein im Baustoff verteilt. Die Handhabung von Baustoffen mit PCM ist genauso einfach wie die herkömmlicher Materialien und benötigt keine zusätzlichen Arbeitsschritte. Das PCM ist bereits vom Hersteller in den Baustoff integriert.
Wir entwickeln am Fraunhofer ISE zwei Konzepte um mit Hilfe von PCM in Baustoffen Fortschritte bei der Kühlung von Gebäuden zu machen.
Die passive Kühlung von Gebäuden unterliegt im Wesentlichen zwei Restriktionen: Einerseits limitiert der Wand-Luft-Wärmeübergang die Wärmemenge, die in einem 24h Zyklus beladen und entladen werden kann. Eine Verdopplung der Putzschicht führt nicht automatisch zu einer Verdopplung der real nutzbaren Wärmespeicherkapazität. Andererseites ist die einzige verfügbare Kältequelle die Nachtluft. Das kann dazu führen, dass in heißen Sommernächten der PCM-Speicher nicht komplett entladen wird und somit tagsüber nicht vollständig zur Verfügung steht.
Aktiv durchströmte Flächenkühlsysteme in Kombination mit PCM-Baustoffen sollen diese Probleme lösen. Untersucht werden in erster Linie Kühldecken, bei denen Kapillarrohrmatten in eine PCM-Putzschicht intergriert sind und mit Wasser durchströmt werden. Das PCM sorgt dafür, dass ein Großteil der Wärme, die bei konventionellen Kühlsystemen aktiv abgeführt werden muss, passiv zwischengespeichert werden kann. Nur der Wärmeüberschuss muss aktiv gekühlt werden.
Kühldecken mit PCM bieten weiterhin den Vorteil, dass die Kälteanlage im System kleiner ausgelegt werden kann. Dank der Speicherfähigkeit der PCMs muss die Kälteanlage nicht die komplette Spitzenlast decken. Dadurch sind Kältequellen nutzbar, die nur über geringe Kälteleistung verfügen, wie z.B. Umweltwärmesenken (Erdreichsonden).
Solche aktiven Kühlsysteme mit PCM werden bisher nur in Testanlagen untersucht, sollen aber in laufenden Projekten erstmals in Demonstrationsanlagen eingesetzt werden.
Baustoffe mit integrierten PCM werden zur passiven Kühlung von Gebäuden genutzt. Tagsüber speichert das PCM überschüssige Wärmeenergie, die dann nachts wieder abgeführt wird (Nachtlüftung, Fensteröffnung). Die PCM-haltigen Baustoffe sind dabei nicht als Ersatz konventioneller Wärmeschutzmaßnahmen (z.B. Verschattung) gedacht, sondern letztes Glied in der Kette der Überhitzungsschutzmaßnahmen.
Die Entwicklung dieser Materialien begann 1998 mit dem vom BMWi geförderten Verbundprojekt "Latentwärmespeicher in Baustoffen". Mittlerweile sind verschiedene Produkte am Markt erhältlich, z.B. ein PCM-Gipsputz mit 20% PCM, der über den gesammten Schmelzbereich des PCM eine Wärmespeicherkapazität von ca. 20 J/g erreicht.
Obige Abbildung zeigt das Ergebnis einer Messung bei der zwei identisch aufgebaute Räume verglichen wurden - einer mit PCM-Gips an Wänden und Decke und ein Referenzraum mit herkömmlichen Materialien. Über einen längeren Zeitraum konnte die Wandtemperatur im PCM-Raum um bis zu 4K gesenkt werden.
Bei ausreichender Nachtlüftung garantiert der PCM-Gips ein deutlich komfortableres Raumklima ohne jegliche akive Klimatisierung. Mit anderen PCM-Baustoffen werden vergleichbare Ergebnisse erzielt.
Passive Systeme und somit auch die passive Kühlung mit PCM sind abhängig von der kühlen Nachtluft. Fällt im Sommer die Temperatur in einem mehrtägigen Zeitraum nicht weit genug ab, kann der Speicher nicht entladen werden. Am nächsten Tag steht folglich nicht die gesamte Speicherkapazität zur Verfügung, wodurch das Gebäude schneller überhitzen kann.
