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News | 20.4.2017
Latentwärmespeicher

Gebäude mit Salzhydraten klimatisieren

Labormuster mesoverkapselter Salzhydrate: Das Verkapselungsmaterial ist mit einem UV-Tracer versehen. Dieser erlaubt unter UV-Licht eine optische Kontrolle der Beschichtungsqualität.
© ZAE Bayern
Labormuster der mesoverkapselten Salzhydrate
© ZAE Bayern
Kühldeckenpaneel mit den neu entwickelten, makroverkapselten Salzhydraten in der geöffneten Messapparatur zur dynamischen thermischen Charakterisierung
© ZAE Bayern

In vielen Bürogebäuden ist die Versorgung mit Kälte im Sommer genauso wichtig, wie die Heizung im Winter. Forscher entwickelten Salzhydrate, die sich als Speichermaterial in Kühldecken und zentralen Kältespeichern eignen. Der besondere Vorteil: Durch einen Phasenwechsel speichern sie Kälte mit hoher Energiedichte und auf dem für die Klimatisierung benötigten Temperaturniveau. Dadurch lässt sich die benötigte Kälte sehr effizient bereitstellen.

Salzhydrate nehmen große Wärmemengen auf und kühlen dadurch ihre Umgebung, wenn sie über ihren Schmelzpunkt erwärmt werden und geben diese Wärme beim Erstarren wieder ab. Die sogenannten Phasenwechselmaterialien (PCM bzw. Phase Change Materials) ändern ihre Temperatur nur unwesentlich während sie die Energie speichern oder freisetzen. Salzhydrate lassen sich mit Schmelzpunkten im Temperaturbereich von etwa 0 bis 130  Grad Celsius herstellen und sind in der Regel vergleichsweise kostengünstig. Dadurch eignen sie sich für viele Speicheraufgaben beim Heizen, Kühlen und Klimatisieren. Allerdings ist die hohe Speicherfähigkeit auf den engen Temperaturbereich begrenzt, in dem der Phasenwechsel von fest nach flüssig durchlaufen wird. Deshalb erfordern unterschiedliche Einsatzgebiete genau angepasste PCM.

Für Kühldecken und zentrale Kältespeicher existierten bislang noch keine salzhydratbasierten Phasenwechselmaterialien mit optimalen Schmelztemperaturen. Zudem neigen viele Salzhydrate zur Unterkühlung. Sie geben die gespeicherte Wärme nicht bei der Temperatur ab, bei der sie eingespeichert wurde, sondern erst bei wesentlich niedrigeren Temperaturen. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler im Projekt PC-Cools_V zwei neue Salzhydrate mit schmalem Schmelzbereich um 14 bzw. 20 Grad Celsius entwickelt. Im Laufe der Arbeiten konnten die Forscher die Zyklenstabilität der neuen Salzhydrate deutlich verbessern und die Unterkühlung verringern.
Den optimalen Schmelzpunkt der Salzhydrate bestimmten die Forscher rechnerisch in einer Systemstudie. Dazu simulierten sie die Kälteverteilung in einem typischen Bürogebäude. Mit den Ergebnissen passten sie die Zieltemperaturen bei der Salzhydratentwicklung an: von zunächst 21 auf 20 Grad Celsius bzw. von 15 auf 13 bis 14 Grad Celsius.
Während das Salzhydrat, welches bei 20 Grad Celsius zu schmelzen beginnt für raumintegrierte Speicher mit aktiver Rückkühlungsmöglichkeit – also beispielsweise für Kühldecken-Systeme – optimiert wurde, eignet sich das andere Salzhydrat, welches bei 14 Grad Celsius schmilzt, für zentrale Kältespeicher. Die im Vergleich zu konventionellen Kältespeichern hohen Speichertemperaturen bieten den Vorteil, dass regenerative Kältequellen und Kältemaschinen effizienter genutzt werden können.

Verkapselung und Trägerstruktur

Die Makroverkapselungen aus Aluminium des Projektpartners Rubitherm Technologies eignen sich auch für die neuen Salzhydrate. Dies belegen langfristige Korrosionstests. Die Forscher entwickelten jedoch auch neue Makroverkapselungen, die potentiell preiswerter und in der Form variabel sind. Hier befindet sich das PCM jedoch nicht unmittelbar in einer Makroverkapselung, sondern in einer Trägermatrix aus Kalziumsilikat. Dieses wird unter niedrigem Druck mit PCM infiltriert und mit einer Hochbarrierefolie umhüllt. Erste Tests verliefen vielversprechend: Der Anteil des PCM am Gesamtvolumen der Modulkerne erreicht über 80 Prozent. Das Aufschmelzverhalten der bisher untersuchten Salzhydrate wird durch die Trägermatrix nur unwesentlich beeinflusst; sie unterkühlen jedoch tendenziell etwas stärker. Auch Mesoverkapselungen in der Größe von wenigen Millimetern sind mit salzhydratbefülltem Kalziumsilikatgranulat im Labormaßstab herstellbar. Der Projektpartner Promat entwickelte hierfür ein Verfahren, welches nur einen Prozessschritt für die Herstellung des nicht-ummantelten, salzhydratbefüllten Kalziumsilikatgranulats mit Durchmessern zwischen 1 und 10 Millimeter benötigt.

Das ZAE Bayern identifizierte die Hüllmaterialien, die aufgrund guter Dampfdichtigkeit eine theoretische Lebensdauer des Granulates von etwa 10 Jahren ermöglichen. Erste Versuche, das Granulat maschinell zu beschichten, lassen aber noch offen, ob sich mesoverkapselte Salzhydrate technisch und wirtschaftlich bewähren können.

Anwendungstest der neu entwickelten Salzhydrate für Kühldeckenanwendungen

Das neu entwickelte PCM für raumintegrierte Speicher wurde in einem Kühldeckenpaneel mit einer speziellen Messapparatur bei bekannten und kontrollierbaren Randbedingungen dynamisch charakterisiert. Anschließend wurde es in einen Büroraum des Energy Efficiency Center eingebaut. Über ein Monitoring unter realen Bedingungen vergleichen die Forscher es mit der bereits vorhandenen PCM-Kühldecke, deren Speichermaterial bei 23 Grad Celsius schmilzt. Erste Ergebnisse versprechen eine signifikante Steigerung der passiven Kühlleistung durch das neuentwickelte PCM.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

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23. Oktober 2017
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7. November 2017
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