Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Durch die Entwicklung eines innovativen Aktiv-K\u00fchl- und Heizbodens mit Latentspeichermaterialien zur Verbesserung der thermischen Selbstregelung von Geb\u00e4uden sollten technologische, \u00f6kologische und \u00f6konomische Nachteile bisheriger – energieaufwendiger – Systeme (Klimaanlagen, Eisspeicher) aufgehoben und eine L\u00f6sung erzielt werden, die sowohl in der Baupraxis als auch vom Nutzer akzeptiert wird. Vor diesem Hintergrund sollte eine modellhafte L\u00f6sung entwickelt werden, die im Neubereich als auch im Sanierungssektor eine weite Verbreitung erfahren soll.
\nDie hierdurch erwirkte K\u00fchlung (sowie W\u00e4rmebereitstellung in der \u00dcbergangszeit) soll folgende umweltwirksame Ziele erf\u00fcllen:
\n \tReduzierung des Energieaufwandes zur Klimatisierung durch St\u00e4rkung der Selbstregulierung
\n \tReduzierung von Belastungsspitzen und Vermeidung von Netz\u00fcberlastungen durch Stromeinsparung
\n \tBeschr\u00e4nkung der knappen Ressource fossile Brennstoffe
\n \tVerringerung des CO2-Aussto\u00dfes
\n \tVerbesserung der Energiebilanz: Ressourcenschonung und hoher energetischer Wirkungsgrad
\n \tVerbesserung bisher grunds\u00e4tzlich bekannter Latentspeichermaterialien, die allerdings vorwiegend zum Heizen entwickelt wurden<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAls Latentspeichermaterial stehen unterschiedliche Stoffe zur Verf\u00fcgung. In einer theoretischen Betrachtung zu den m\u00f6glichen Latentmaterialien wurden die Vorzugsmaterialien ausgew\u00e4hlt. Auf dieser Grundlage wurde eine erste Simulationsrechnung \u00fcber das optimale Mischungsverh\u00e4ltnis von Estrich und Latentspeichermaterial realisiert. Dabei wurde die Einbringung des Latentspeichermateriales w\u00e4hrend des Herstellungsprozesses in den Estrich favorisiert und experimentell durchgef\u00fchrt. Die ersten Untersuchungen mit Beimischungen lieferten jedoch keine zufriedenstellenden Ergebnisse bei den anschlie\u00dfenden Festigkeitspr\u00fcfungen. Die theoretische Betrachtungen zur Integration des Latentspeichermateriales wurde in eine andere Richtung gelenkt – das Latentspeichermaterial in Bestandteile der Fu\u00dfbodenheizung (Noppenplatte) zu integrieren. Diese \u00dcberlegungen mussten jedoch auch verworfen werden. Die theoretisch erreichbaren Massen blieben deutlich hinter dem ermittelten Optimum zur\u00fcck. Dieser Weg wurde in einem weiteren Arbeitsschritt modifiziert und eine Latentspeicherplatte mit integrierten Rohrf\u00fchrungen, Metallschaum und Latentspeichermaterial entwickelt. Diese Platten wurden messtechnisch in mehreren Versuchsreihen untersucht. Dabei wurden die Konstruktion und das verwendete Material (Latentspeicher, Schaum) variiert und schrittweise optimiert. Die Messergebnisse wurden mathematisch analysiert und mit dem Rechenprogramm W\u00e4rmespeicher mit mediendurchstr\u00f6mten Festk\u00f6rpern validiert. Es erfolgten in den einzelnen Bearbeitungsphasen Simulationsrechnungen mit dem Rechenprogramm PCM express Version 1.0 f\u00fcr den Einsatz in einem Testraum.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die durchgef\u00fchrte Analyse der Latentspeichermaterialien ergab, dass Paraffine und ihre abgewandelten Formen (Mikroverkapselung) am besten geeignet sind. Das optimale Mischungsverh\u00e4ltnis wurde mit 12 % im Estrich ermittelt. Die in der ersten Versuchsreihe durchgef\u00fchrte Beimischung (Dispersionsl\u00f6sung) f\u00fchrte zu dem Ergebnis, dass der Estrich nur noch 32 % der gew\u00fcnschten Druckfestigkeit besitzt. Selbst bei
\nniedrigeren Mischungsverh\u00e4ltnissen nimmt die Druckfestigkeit stark ab. Im Gegenzug steigt die
\nAush\u00e4rtungszeit rapide an.
\nDie angestrebte Integration des Materials (Mikroverkapselung auf Grund der Verarbeitung gew\u00e4hlt) in die vorhandenen Noppenplatten f\u00fchrt zu einer prozentualen Beimischung von 3,5 bis 6,5 % in Abh\u00e4ngigkeit von Rohrdimension, Verlegeabstand, Estrichg\u00fcte und Estrichart. Diese theoretisch ermittelten Werte sind von dem gew\u00fcnschten Optimum weit entfernt. Aus diesem Grund wurden \u00dcberlegungen zur Herstellung von Ronden angestellt. Sie werden zwischen den Rohren und den Noppen auf der Platte befestigt. Bis zu 75 St\u00fcck k\u00f6nnen auf 1 m\u00b2 integriert werden. Durch diese Ronden k\u00f6nnte die prozentuale Beimischung auf 4 bis 8,5 % in Abh\u00e4ngigkeit von Rohrdimension, Verlegeabstand, Estrichg\u00fcte und Estrichart erh\u00f6ht werden. In Kombination von Noppenf\u00fcllung und Ronden k\u00f6nnen im Fu\u00dfboden bis zu 409 Wh\/m\u00b2 gespeichert werden. Die Rondenvariante wurde aus ausf\u00fchrungstechnischen Gr\u00fcnden jedoch verworfen und weiterentwickelt zur Latentspeicherplatte mit Rohrf\u00fchrung.
\nDurch den Einsatz von Metallschaum konnte der Nachteil der schlechten W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit des Latentspeichermaterials behoben werden. Die Messungen ergaben, dass der Aluminiumschaum besser geeignet ist als der Grafitschaum. Der gr\u00f6\u00dfte Schwachpunkt der Konstruktion ist die w\u00e4rmetechnische Anbindung des Rohres an die Platte. Durch die messtechnischen Ergebnisse konnte auch nachgewiesen werden, dass nicht alle Hohlr\u00e4ume mit Latentspeichermaterial ausgef\u00fcllt waren.
\nF\u00fcr den Abk\u00fchl- und Aufheizvorgang wurden die entsprechenden Funktionen ermittelt. Der Vergleich der unterschiedlichen Latentmaterialien ergab, dass die Paraffine der Firma Rubitherm die besten Ergebnisse liefern. Pro Platte wurde eine Speicherkapazit\u00e4t von bis zu 100 Wh ermittelt. In einer zweiten Versuchsreihe wurde die Anbindung des Rohres, der Plattenaufbau und das Latentspeichermaterial ver\u00e4ndert. Die Schwachstelle Anbindung konnte beseitigt werden. Mit Paraffin, das zum Einf\u00fcllen in den Metallschaum fl\u00fcssig ist, kann eine wesentlich h\u00f6here Beladung erreicht werden. Durch die Kombination von zwei Platten mit unterschiedlichem Latentspeichermaterial ist die Nutzung f\u00fcr Heizen und K\u00fchlen realisierbar. Mit den Platten sind Speicherkapazit\u00e4ten bis zu 570 Wh\/m\u00b2 erzielbar.
\nDie Simulationsrechnungen f\u00fcr den Testraum ergaben f\u00fcr die beste Kombination in einem Leichtbauobjekt hervorragende Raumtemperaturen (6220 Stunden zwischen 21- 24 \u00b0C)
\nDie Simulation mit dem Programm W\u00e4rmespeicher mit mediendurchstr\u00f6mten Festk\u00f6rpern f\u00fchrte zu einer guten \u00dcbereinstimmung. Dieses Programm kann f\u00fcr die Auslegung weiterer Varianten benutzt werden.
\nDie notwendigen Stoffdaten sind jedoch in weiterf\u00fchrenden Messungen in einer h\u00f6heren Genauigkeit zu
\nermitteln.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Es ist vorgesehen, die Ergebnisse in Publikationen und Fachvortr\u00e4gen bei den Anwenderzielgruppen Geb\u00e4udefachplaner und Geb\u00e4udeinvestoren zu verbreiten.
\nParallel werden Kostensimulationen beginnend bei Feldprojekten erarbeitet.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden viele Wegabschnitte beschritten, um das gesteckte Ziel zu erreichen. Mehrere Wege f\u00fchrten zu unbefriedigende L\u00f6sungen, wie die urspr\u00fcnglich geplante Beimi-schung des Latentmaterials zum Estrich. Erst die intensive Besch\u00e4ftigung mit dem Fu\u00dfbodenaufbau und den maximal erreichbaren Volumenanteilen f\u00fchrte zu der L\u00f6sung des Einbringens mit Hilfe von Speicherplatten. Auch die anf\u00e4nglich auf diesem Weg angedachte Rondenl\u00f6sung war keine L\u00f6sung f\u00fcr den Praxiseinsatz. Jedoch die kontinuierliche Weiterentwicklung dieses Weges f\u00fchrte zu einer praktikablen und \u00f6konomisch vertretbaren L\u00f6sung. Die Entwicklung einer Speicherplatte, bestehend aus einer Blechh\u00fclle mit Sicken f\u00fcr die Heizungsrohre, gef\u00fcllte mit Metallschaum und Latentspeichermaterial, erwies sich als erfolgversprechend.
\nDas verwendete Simulationsprogramm untersucht eine Speicherplatte von diesem Aufbau. Mit den gewonnenen Messungen erfolgte die Validierung des Simulationsprogrammes.
\nDie Zielstellungen des Forschungsvorhabens nach Abschluss der Arbeiten werden wie folgt einge-sch\u00e4tzt:<\/p>\n
Zielstellung\t Einsch\u00e4tzung
\nHohe Tragf\u00e4higkeit\t Erf\u00fcllt
\n \tH\u00f6her als Estrichtragf\u00e4higkeit
\nLange Speicherf\u00e4higkeit\t Erf\u00fcllt
\n \tAuf- u. Entladungsprozess bis zu 8 Stunden
\n \tSteuerbar durch Materialwahl
\nGleichm\u00e4\u00dfige Temperaturverteilung\t Erf\u00fcllt
\n \tInnerhalb der Speicherplatte nur geringe Unterschiede durch Metallschaum
\nHohe energetische Effizienz\t Erf\u00fcllt
\n \tEine Platte erreicht bei einer Abmessung von 0,5 m x 0,5 m 0,02 m eine Speicherf\u00e4higkeit bis zu 70 % der im Estrich gespeicherten Energie f\u00fcr 1m\u00b2
\nToxikologische Unbedenklichkeit\t Erf\u00fcllt
\n \tDurch Hersteller best\u00e4tigt
\nPhasenwechsel zwischen 16-19 \u00b0C\t Erf\u00fcllt
\n \tDie Temperaturspreizung ist bei Kombinationen der Platten im Bereich von 17 – 24 \u00b0C erreichbar
\n \tEs sind auch alle anderen Kombinatio-nen denkbar. Z. B. ein Latentspeichermaterial f\u00fcr K\u00fchlen und ein weiteres f\u00fcr den Heizfall
\nVollst\u00e4ndige Einbettung des Speichermediums\t Erf\u00fcllt
\n \tDurch die Konstruktive L\u00f6sung ist Speicherplatte komplett im Estrich eingebettet
\nEffiziente W\u00e4rme- und K\u00e4lte\u00fcbertragung\t Erf\u00fcllt
\n \tDie Totzeiten bis zum Beginn des Phasenwandels konnten im Rahmen der Forschung deutlich verk\u00fcrzt werden.
\n \tDurch die Kombination der Platten in Dicke und Inhalt k\u00f6nnen unterschiedliche Lastspitzen abgedeckt werden <\/p>\n
Durch die geschickte Kombination von unterschiedlichen Materialien in Kombination mit einer anders gearteten Heiz- und K\u00fchltechnik kann ein System entwickelt werden, welches Lastspitzen aktiv d\u00e4mpft.
\nIm Ergebnis konnten wesentlich h\u00f6here spezifische Speicherkapazit\u00e4ten als bei marktverf\u00fcgbaren Produkten erzielt werden.
\nBei einer Anordnung von 4 Platten auf einen 1 m\u00b2 Fu\u00dfbodenfl\u00e4che kann die vierfache Energie gespeichert werden gegen\u00fcber dem normalen Estrich. Mit diesem System k\u00f6nnen bei einem 20 m\u00b2 gro\u00dfen Raum mehr als 11 kWh gespeichert werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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