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Latentwärmespeicher für Wärmepumpen und solare Heizsysteme
Phasenwechselmaterialien (PCM) für Heizsysteme
Moderne Gebäudeheizsysteme arbeiten mit einer Vorlauftemperatur von ca. 35 °C. Um diese niedrigen Vorlauftemperaturen effizient zu nutzen, müssen die Standardwärmespeicher überarbeitet werden. Die Integration eines Latentwärmespeichers in ein modernes Heizsystem kann die Effizienz des Gesamtsystems steigern. Hierfür werden Latentwärmespeicherplatten, die bereits für die Kühlanwendung erfolgreich getestet worden, adaptiert, so dass diese in Kombination mit einem modernen Heizsystem verwendet werden können. Zusammen mit einem Wohngebäude, welches über Fußbodenheizung oder Deckenheizung versorgt wird und durch die Kombination mit einer Wärmepumpe oder Solarthermieanlage entsteht ein effizientes Gesamtsystem.
Abbildung 1: Vergleich der gespeicherten Wärmemengen für einen kleinen Temperaturbereich
Latentwärmespeicher
Latentwärmespeicher nutzen den Phasenwechsel um große Energiemengen bei kleinen Temperaturdifferenzen zu speichern. Als Materialien kommen vor allem Paraffin und Salzhydrate in Frage, da diese ihren Phasenwechsel im Bereich von 5 – 50 °C haben. Das Ziel dieses Forschungsvorhaben ist es neue Latentwärmespeicher in Kombination mit einer Standardwärmepumpe und thermischen Solarkollektoren zu analysieren (siehe Abbildung 2).
Abbildung 2: Skizze einer Kombination mit einer Wärmepumpe
Kurzstudie
Für dieser Studie ist ein Einfamilienhaus mit zwei Geschossen und je vier gleichgroßen Räumen (Raumfläche 24 m²) gewählt worden. Das Gebäude wird über eine Fußbodenheizung mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Wärme versorgt. Der verwendetet Pufferspeicher hat ein Volumen von 780 l. Der Latentwärmespeicher hat eine Masse von 100 kg PCM (Phasenwechseltemperatur ist 35 °C und die Schmelzenthalpie beträgt 150 kJ/(kgK)). Über das Wettermodell ist eine direkte Anbindung des Gebäudes an die Umgebung gegeben. Die Anzahl der verwendeten Solarkollektoren ist in dieser Studie variiert worden.
Abbildung 3: Skizze einer Kombination mit einer Wärmepumpe, PCM und Solarkollektoren
E rgebnisse der Kombination: Wärmepumpe, PCM und Solarkollektoren
Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse für vier verschiedene Systemkonfigurationen – System1: 2x4 Kollektoren und PCM; System2: 4x4 Kollektoren und PCM; System3: 4x8 Kollektoren und PCM und System4: nur PCM. Die Simulationen zeigen, dass es möglich ist, den Primärenergiebedarf zu reduzieren. Der Anteil an Solarenergie ist 9.5 % im ersten System, 12.6 % im zweiten System und 14.4 % im Letzten.
Abbildung 4: Ergebnisse der Kurzstudie
Leistungsprüfstand für PCM Speicher
Am Institut ist ein Leistungsprüfstand für thermische Speicher aufgebaut worden. An diesem Prüfstand ist es möglich den Speicher mit verschiedene Massenströme und Temperaturen zu vermessen. Diese Messdaten werden in einem numerischen Modell des Latentwärmespeichers integriert. Somit können die existierenden Speichermodelle validiert werden. Diese PCM Speichermodell können zur Analyse und Optimierung der einzelnen Komponenten und der Gesamtsystemanalyse genutzt werden.
Abbildung 5: Bild des Latentwärmespeicherprüfstandes
Wir danken der E.ON gGmbH für ihre finanzielle Unterstützung.
Kontankt: Corinna Leonhardt