Projekt 23836/01

Entwicklung eines innovativen Aktiv-Kühl- und Heizbodens unter Ausnutzung des Latentspeicherprinzips

Projektträger

IBB Modul-Air KG
Industriepark Nord 76
53567 Buchholz
Telefon: 0 26 83 94 39 60

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Durch die Entwicklung eines innovativen Aktiv-Kühl- und Heizbodens mit Latentspeichermaterialien zur Verbesserung der thermischen Selbstregelung von Gebäuden sollten technologische, ökologische und ökonomische Nachteile bisheriger - energieaufwendiger - Systeme (Klimaanlagen, Eisspeicher) aufgehoben und eine Lösung erzielt werden, die sowohl in der Baupraxis als auch vom Nutzer akzeptiert wird. Vor diesem Hintergrund sollte eine modellhafte Lösung entwickelt werden, die im Neubereich als auch im Sanierungssektor eine weite Verbreitung erfahren soll.
Die hierdurch erwirkte Kühlung (sowie Wärmebereitstellung in der Übergangszeit) soll folgende umweltwirksame Ziele erfüllen:
Reduzierung des Energieaufwandes zur Klimatisierung durch Stärkung der Selbstregulierung
Reduzierung von Belastungsspitzen und Vermeidung von Netzüberlastungen durch Stromeinsparung
Beschränkung der knappen Ressource fossile Brennstoffe
Verringerung des CO2-Ausstoßes
Verbesserung der Energiebilanz: Ressourcenschonung und hoher energetischer Wirkungsgrad
Verbesserung bisher grundsätzlich bekannter Latentspeichermaterialien, die allerdings vorwiegend zum Heizen entwickelt wurden


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAls Latentspeichermaterial stehen unterschiedliche Stoffe zur Verfügung. In einer theoretischen Betrachtung zu den möglichen Latentmaterialien wurden die Vorzugsmaterialien ausgewählt. Auf dieser Grundlage wurde eine erste Simulationsrechnung über das optimale Mischungsverhältnis von Estrich und Latentspeichermaterial realisiert. Dabei wurde die Einbringung des Latentspeichermateriales während des Herstellungsprozesses in den Estrich favorisiert und experimentell durchgeführt. Die ersten Untersuchungen mit Beimischungen lieferten jedoch keine zufriedenstellenden Ergebnisse bei den anschließenden Festigkeitsprüfungen. Die theoretische Betrachtungen zur Integration des Latentspeichermateriales wurde in eine andere Richtung gelenkt - das Latentspeichermaterial in Bestandteile der Fußbodenheizung (Noppenplatte) zu integrieren. Diese Überlegungen mussten jedoch auch verworfen werden. Die theoretisch erreichbaren Massen blieben deutlich hinter dem ermittelten Optimum zurück. Dieser Weg wurde in einem weiteren Arbeitsschritt modifiziert und eine Latentspeicherplatte mit integrierten Rohrführungen, 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 Wärmespeicher mit mediendurchströmten Festkörpern validiert. Es erfolgten in den einzelnen Bearbeitungsphasen Simulationsrechnungen mit dem Rechenprogramm PCM express Version 1.0 für den Einsatz in einem Testraum.


Ergebnisse und Diskussion

Die durchgeführte Analyse der Latentspeichermaterialien ergab, dass Paraffine und ihre abgewandelten Formen (Mikroverkapselung) am besten geeignet sind. Das optimale Mischungsverhältnis wurde mit 12 % im Estrich ermittelt. Die in der ersten Versuchsreihe durchgeführte Beimischung (Dispersionslösung) führte zu dem Ergebnis, dass der Estrich nur noch 32 % der gewünschten Druckfestigkeit besitzt. Selbst bei
niedrigeren Mischungsverhältnissen nimmt die Druckfestigkeit stark ab. Im Gegenzug steigt die
Aushärtungszeit rapide an.
Die angestrebte Integration des Materials (Mikroverkapselung auf Grund der Verarbeitung gewählt) in die vorhandenen Noppenplatten führt zu einer prozentualen Beimischung von 3,5 bis 6,5 % in Abhängigkeit von Rohrdimension, Verlegeabstand, Estrichgüte und Estrichart. Diese theoretisch ermittelten Werte sind von dem gewünschten Optimum weit entfernt. Aus diesem Grund wurden Überlegungen zur Herstellung von Ronden angestellt. Sie werden zwischen den Rohren und den Noppen auf der Platte befestigt. Bis zu 75 Stück können auf 1 m² integriert werden. Durch diese Ronden könnte die prozentuale Beimischung auf 4 bis 8,5 % in Abhängigkeit von Rohrdimension, Verlegeabstand, Estrichgüte und Estrichart erhöht werden. In Kombination von Noppenfüllung und Ronden können im Fußboden bis zu 409 Wh/m² gespeichert werden. Die Rondenvariante wurde aus ausführungstechnischen Gründen jedoch verworfen und weiterentwickelt zur Latentspeicherplatte mit Rohrführung.
Durch den Einsatz von Metallschaum konnte der Nachteil der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Latentspeichermaterials behoben werden. Die Messungen ergaben, dass der Aluminiumschaum besser geeignet ist als der Grafitschaum. Der größte Schwachpunkt der Konstruktion ist die wärmetechnische Anbindung des Rohres an die Platte. Durch die messtechnischen Ergebnisse konnte auch nachgewiesen werden, dass nicht alle Hohlräume mit Latentspeichermaterial ausgefüllt waren.
Für den Abkühl- 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 Speicherkapazität von bis zu 100 Wh ermittelt. In einer zweiten Versuchsreihe wurde die Anbindung des Rohres, der Plattenaufbau und das Latentspeichermaterial verändert. Die Schwachstelle Anbindung konnte beseitigt werden. Mit Paraffin, das zum Einfüllen in den Metallschaum flüssig ist, kann eine wesentlich höhere Beladung erreicht werden. Durch die Kombination von zwei Platten mit unterschiedlichem Latentspeichermaterial ist die Nutzung für Heizen und Kühlen realisierbar. Mit den Platten sind Speicherkapazitäten bis zu 570 Wh/m² erzielbar.
Die Simulationsrechnungen für den Testraum ergaben für die beste Kombination in einem Leichtbauobjekt hervorragende Raumtemperaturen (6220 Stunden zwischen 21- 24 °C)
Die Simulation mit dem Programm Wärmespeicher mit mediendurchströmten Festkörpern führte zu einer guten Übereinstimmung. Dieses Programm kann für die Auslegung weiterer Varianten benutzt werden.
Die notwendigen Stoffdaten sind jedoch in weiterführenden Messungen in einer höheren Genauigkeit zu
ermitteln.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es ist vorgesehen, die Ergebnisse in Publikationen und Fachvorträgen bei den Anwenderzielgruppen Gebäudefachplaner und Gebäudeinvestoren zu verbreiten.
Parallel werden Kostensimulationen beginnend bei Feldprojekten erarbeitet.


Fazit

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden viele Wegabschnitte beschritten, um das gesteckte Ziel zu erreichen. Mehrere Wege führten zu unbefriedigende Lösungen, wie die ursprünglich geplante Beimi-schung des Latentmaterials zum Estrich. Erst die intensive Beschäftigung mit dem Fußbodenaufbau und den maximal erreichbaren Volumenanteilen führte zu der Lösung des Einbringens mit Hilfe von Speicherplatten. Auch die anfänglich auf diesem Weg angedachte Rondenlösung war keine Lösung für den Praxiseinsatz. Jedoch die kontinuierliche Weiterentwicklung dieses Weges führte zu einer praktikablen und ökonomisch vertretbaren Lösung. Die Entwicklung einer Speicherplatte, bestehend aus einer Blechhülle mit Sicken für die Heizungsrohre, gefüllte mit Metallschaum und Latentspeichermaterial, erwies sich als erfolgversprechend.
Das verwendete Simulationsprogramm untersucht eine Speicherplatte von diesem Aufbau. Mit den gewonnenen Messungen erfolgte die Validierung des Simulationsprogrammes.
Die Zielstellungen des Forschungsvorhabens nach Abschluss der Arbeiten werden wie folgt einge-schätzt:

Zielstellung Einschätzung
Hohe Tragfähigkeit Erfüllt
Höher als Estrichtragfähigkeit
Lange Speicherfähigkeit Erfüllt
Auf- u. Entladungsprozess bis zu 8 Stunden
Steuerbar durch Materialwahl
Gleichmäßige Temperaturverteilung Erfüllt
Innerhalb der Speicherplatte nur geringe Unterschiede durch Metallschaum
Hohe energetische Effizienz Erfüllt
Eine Platte erreicht bei einer Abmessung von 0,5 m x 0,5 m 0,02 m eine Speicherfähigkeit bis zu 70 % der im Estrich gespeicherten Energie für 1m²
Toxikologische Unbedenklichkeit Erfüllt
Durch Hersteller bestätigt
Phasenwechsel zwischen 16-19 °C Erfüllt
Die Temperaturspreizung ist bei Kombinationen der Platten im Bereich von 17 - 24 °C erreichbar
Es sind auch alle anderen Kombinatio-nen denkbar. Z. B. ein Latentspeichermaterial für Kühlen und ein weiteres für den Heizfall
Vollständige Einbettung des Speichermediums Erfüllt
Durch die Konstruktive Lösung ist Speicherplatte komplett im Estrich eingebettet
Effiziente Wärme- und Kälteübertragung Erfüllt
Die Totzeiten bis zum Beginn des Phasenwandels konnten im Rahmen der Forschung deutlich verkürzt werden.
Durch die Kombination der Platten in Dicke und Inhalt können unterschiedliche Lastspitzen abgedeckt werden

Durch die geschickte Kombination von unterschiedlichen Materialien in Kombination mit einer anders gearteten Heiz- und Kühltechnik kann ein System entwickelt werden, welches Lastspitzen aktiv dämpft.
Im Ergebnis konnten wesentlich höhere spezifische Speicherkapazitäten als bei marktverfügbaren Produkten erzielt werden.
Bei einer Anordnung von 4 Platten auf einen 1 m² Fußbodenfläche kann die vierfache Energie gespeichert werden gegenüber dem normalen Estrich. Mit diesem System können bei einem 20 m² großen Raum mehr als 11 kWh gespeichert werden.