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Thermischer Speicher
BMWi
Latentwärmespeicher 1.7.2016

Mit den neuen Messmethoden können makroverkapselte PCM besser untersucht werden. Abgebildet ist ein Kissman-Modul zur Befüllung mit Wasser als PCM. Beim Gefrieren von Wasser wird etwa die gleiche Wärmemenge frei, die zum Erwärmen derselben Menge Wasser von 0 auf 80°C benötigt wird.
© ZAE Bayern

PCM praxisnah charakterisieren

Im Projekt PCM-Metro erarbeiten Forscher des ZAE Bayern Messmethoden, mit denen PCM-Materialien in anwendungsnahen Probenmengen charakterisiert werden können. Gegenüber üblichen Laborverfahren können so mengenabhängige Phänomene besser erfasst werden.

Projektstatus Projekt abgeschlossen
Speichereffekt Latentwärme
Projektlaufzeit Juli 2013 bis Juni 2016

Die PCM-Technologie birgt ein sehr großes Potenzial, um die thermische Trägheit von Gebäuden in kritischen Temperaturbereichen zu erhöhen. Aktuell besteht eine Lücke in der Messtechnik zwischen Kalorimetern für sehr kleine Probenmengen und Testräumen sowie Demonstrationsobjekten für komplette PCM-Systeme.
Die Eigenschaften von PCM-Materialien werden in der Regel im Labor mit kleinen Proben bestimmt. Vielfach wäre es jedoch nötig, mit praxisnahen Mengen zu arbeiten, zum Beispiel, um konkrete Speichergeometrien zu untersuchen. Zudem ist das Verhalten bei Unterkühlung oft mengenabhängig und Inhomogenitäten in kleinen Proben können Messergebnisse beeinflussen.

  • PCM CaCl2*6H2O beim Aufschmelzen © ZAE Bayern
  • PCM-Kugel der Firma Cristopia als Beispiel für makroverkapseltes PCM © ZAE Bayern
  • Beispielhafte T-History Messung an etwa 10 ml Wasser. Deutlich ist eine Unterkühlung bis -8°C zu beobachten. Bei DSC-Messungen mit typischer Probengröße im µl-Bereich beträgt die Unterkühlung bis zu -40°C, bei Probenmengen von mehreren Litern beträgt die Unterkühlung noch etwa einige °C. Dies zeigt, wie wichtig die Messung an anwendungsnahen PCM-Probenmengen ist. © ZAE Bayern
  • Schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Bestimmung des dynamischen thermischen Verhaltens von PCM-Komponenten wie z.B. Kühldecken © ZAE Bayern
  • Mit den neuen Messmethoden können makroverkapselte PCM besser untersucht werden. Abgebildet ist ein Kissman-Modul zur Befüllung mit Wasser als PCM. Beim Gefrieren von Wasser wird etwa die gleiche Wärmemenge frei, die zum Erwärmen derselben Menge Wasser von 0 auf 80°C benötigt wird. © ZAE Bayern

Materialien, Komponenten und Bauteile untersuchen

Neue kalorimetrische Messmethoden sollen die der Bestimmung der Wärmespeicherfähigkeit von großen PCM-Proben erlauben. Dies ermöglicht die Untersuchung von PCM-Verbundmaterialien, makroverkapselten PCM und PCM-Baukomponenten. Außerdem wollen die Forscher Methoden entwickeln, mit denen das dynamischen Verhaltens von PCM-Komponenten und -Bauteilen ermitteln lässt. Somit wäre dann eine Charakterisierung des dynamischen Verhaltens einer Komponente bereits während der Entwicklung möglich, ohne einen kompletten Testraum ausstatten zu müssen.

Das Projekt schließt somit eine messtechnische Lücke und bietet gleichzeitig eine zuverlässige wissenschaftlich fundierte Basis für die Entwicklung von industriellen Standards. Weiteres Ziel ist die Verbreitung der Ergebnisse und Implementierung der Erkenntnisse in nationale und internationale Normen und Richtlinien.

Der grundlegende Ansatz bei den im Projekt untersuchten Messmethoden ist der, eine Probe einem kontrollierten Temperatur-Programm zu unterwerfen und die resultierenden Wärmeströme messtechnisch zu erfassen. Es werden entweder Messapparaturen neu aufgebaut oder bereits vorhandene Apparaturen so modifiziert, dass die Wärmespeicherfähigkeit bzw. das dynamische thermische Verhalten der PCM-haltigen Proben bestimmt werden kann.

PCM-Produkte zuverlässig bewerten

Mit den Messmethoden können am Markt erhältliche Produkte zuverlässig bewertet und die Forschung und Entwicklung neuer Produkte auf unterschiedlichen Ebenen optimiert werden. Daher sind die neuen Messmethoden für PCM-Hersteller von starkem Interesse, um konkurrenzfähig zu bleiben und um die Entwicklung von Produkten auf den unterschiedlichen Ebenen bezüglich Zeit- und Kostenaufwand zu optimieren. Zudem wird mit der Zunahme der Qualität der angebotenen PCM-Produkte das Vertrauen der Gesellschaft in die Technologie steigen, wodurch die Vermarktung von PCM erleichtert und möglicherweise das Einsatzgebiet erweitert wird.

Teilvorhaben

Arbeitspaket 1: Erarbeitung von kalorimetrischen Messmethoden zur Bestimmung der Wärmespeicherfähigkeit von großen Proben, z.B. für makroverkapselte PCM, PCM-Verbundmaterialien, anwendungsnahe PCM-Probenmengen und PCM-Baukomponenten

Arbeitspaket 2: Erarbeitung von Messmethoden zur Bestimmung des dynamischen thermischen Verhaltens von PCM-Komponenten und PCM-Bauteilen zur direkten Bewertung des Praxisverhaltens in Gebäuden, zum Beispiel PCM-Komponenten und PCM-Bauteile wie PCM-Kühldecken, Segmente von Fassaden und Wänden etc.

Arbeitspaket 3: Verbreitung der Ergebnisse und Implementierung der Erkenntnisse in nationale und internationale Normen und Richtlinien

Publikationen zum Projekt

Verification of a T-history installation to measure enthalpy versus temperature curves of phase change materials; A. Lazaro, E. Günther, H. Mehling, S. Hiebler, J.M. Marin and B. Zalba, Meas. Sci. Technol. 17 (2006) pp 2168–2174. doi:10.1088/0957-0233/17/8/016

Determination of the enthalpy of PCM as a function of temperature using a heat-flux DSC - A study of different measurement procedures and their accuracy, C. Castellón, E. Günther, H. Mehling, S. Hiebler, L. F. Cabeza, Int. J. Energy Research 32 (2008) 1258-1265

Enthalpy of Phase Change Materials as a Function of Temperature: Required Accuracy and Suitable Measurement Methods, E. Günther, S. Hiebler, H. Mehling, R. Redlich, Int. J. Thermophys. (2009) 30:1257–1269, DOI 10.1007/s10765-009-0641-z

Latentwärmespeicher in Gebäuden; H. Mehling, BINE Themeninfo I / 2009

Determination of the heat storage capacity of PCM and PCM-objects as a function of temperature; E. Günther, S. Hiebler, H. Mehling; Proc. of ECOSTOCK, Stockton USA, 2006

Enthalpy of phase change materials as a function of temperature – required accuracy and suitable measurement methods, E. Günther, H. Mehling, S. Hiebler, R. Redlich, Proc. of 18th European Conference on Thermophysical Properties, Pau, France 31 Aug-4 Sep 2008

Measurement of the enthalpy of PCM, E. Günther, S. Hiebler, H. Mehling, Proc. of 11th International Conference on Thermal Energy Storage, June 14th – 17th, 2009, Stockholm

Heating and cooling using a combination of several TES technologies in the new R&D building of the ZAE Bayern in Würzburg, F. Klinker, H. Weinläder, H. Mehling, S. Weismann, D. Büttner, H.-P. Ebert, E. Lävemann, T. Ebert, W. Jensch, 12th International Conference on Energy Storage (INNOSTOCK 2012)

RAL-Gütegemeinschaft PCM; PCM-Symposium: Energieeffiziente Raumkühlung durch den Einsatz von Latentwärmespeichermaterialien, 10./11.Nov. 2009 Karlsruhe

Current research at the ZAE Bayern – Testing, data representation and modelling of PCM; H. Mehling, H.-P. Ebert, F. Hemberger; IV Thermal Mass Workshop, Clearwater Beach, Florida, USA, 4th and 5th December 2010

A study of different measurement and evaluation methods; H. Mehling, S. Hiebler, E. Günther, F. Hemberger; 19th European Conference on Thermophysical Properties, August 28th – September 1st 2011, Thessaloniki, Greece

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

22. August 2017
Intersolar South America

12. September 2017
Energiespeicher & Energieeffizienz 2017

21. September 2017
Elektromobilität im ÖPNV

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Forschungsförderung

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