Latentwärmetauscher

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
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Sie Grundlage für Latentwärmespeicher sind Phasenwechselmaterialien ([phase change material] PCM - Latentwärmematerial), die zur Wärme- und Kältespeicherung und zur Begrenzung von Temperaturspitzen (Überhitzungsschutz) eingesetzt werden. Durch die Nutzung des Phasenwechsels (fest-flüssig oder flüssig-fest) verfügt das Material über ein hohes Speichervolumen, da die Wärmekapazität um ein vielfaches höher ist als herkömmliche Materialien bzw. Medien.


Wärmekapazität verschiedener Materialien
Quelle: Rubitherm Technologies GmbH

Die PCM's werden aus Salzen (z.B. Glaubersalz, Natriumacetat) oder organischen Verbindungen (z.B. Paraffine, Fettsäuren) hergestellt.

Die thermische Energie kann bei einer festgelegten Temperatur zeitversetzt entnommen werden. Dadurch ergeben sich viele verschiedene Einsatzmöglichkeiten:

Berechnungstool - PCM express - Valentin Software GmbH
Latentwärmespeicher haben die Eigenschaft, zusätzlich zur sensiblen Wärme (fühlbare Wärme) auch latente Wärme (aufgenommene oder abgegebene Wärme) zu speichern (und abzugeben), die durch die Wärmekapazität im Phasenwechsel des Speichermaterials (Wasser, wässrige Salzlösung, Parafin, Salzhydrat) bestimmt wird.
• Wasser ist der bekannteste Stoff für Latentwärmespeicherung, bei dem der Phasenwechsel von fest auf flüssig bei 0°C erfolgt. Mit der Wärme, die notwendig ist um 1 kg Eis zu schmelzen, kann anschließend die gleiche Menge Wasser auf 80 °C erhitzt werden.
• Paraffin schmilzt z. B. bei 55 °C. Die "Wärmeparaffine" (Bereich von 20 - 90 °C) haben eine spezifische Wärmekapazität von ca. 2,1 kJ/(kg·K) und Wasser von 4,185 kJ/(kg·K). Trotzdem kann das Parafin, wenn die latente Phase eintritt, deutlich mehr Wärme speichern und das in einem nutzbaren Temperaturniveau.
Bei den Salzhydrate ist der Phasenwechsel ein chemischer Vorgang, also kein rein physikalischer Vorgang. Obwohl die Schmelztemperaturen von Salzhydraten etwa im gleichen Bereich wie die der Paraffine liegen, ist die Wärme, die aufgenommen und wieder abgegeben werden kann, deutlich größer.

Wässrigen Salzlösungen (Lithium- oder Calciumchlorid) werden in Adsorptions- bzw. Absorptionsspeicher eingesetzt. Bei der Klimatisierung von Gebäuden wird die Zuluft mit konzentrierter Salzlösung entfeuchtet. Die trockene Luft wird im Zuluftsystem gezielt wieder befeuchtet und kühlt durch die Verdunstungskälte ab. Die bei dem Prozess verdünnte Salzlösung kann durch Wärmezufuhr – beispielsweise aus Solaranlagen – wieder aufkonzentriert und kann beliebig lange gelagert werden.
Die Beladung des Speichers findet eigenaktiv statt. Die Entladung des Speichermaterials kann durch die natürliche Luftbewegung, durch eine mechanische Lüftung oder durch regenerative oder konventionelle Kühlkonzepte erfolgen.
Wirkungsweise der Latentwärmespeicherung
Quelle: BASF SE
Quelle:

 

Latentwärmespeicher - eine neue Art der Wärmespeicherung? - Wüstenbaum
Wärmetransport - EnergieAgentur.NRW GmbH

PCM - Warmluftspeicher

Zunehmend werde Energiespeicher (Latentspeicher) aus PCM Materialien hergestellt. In diesem wird die thermische Energie verborgen, verlustarm und mit vielen Wiederhohlzyklen über lange Zeit gespeichert.
PCM Materialien haben festgelegte Temperaturgrenze an denen Sie schmelzen. Die Nutzung eines Phasenübergangs ist für die Energiespeicherung dabei wesentlich effektiver als das bloße Erwärmen eines Mediums. Die Zustandsänderung der Speichermaterials für die Energiespeicherung sollte im Bereich zwischen 25 - 35 °C liegen.

Quelle: Trubadu.de

Der Speicher wird im Wohnraum (beheizte Gebäudehülle) betrieben, um unnötige Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten. Wenn wir uns nun unsere Wohnraumtemperatur ansehen, liegt diese zwischen 18 und 22 °C. Wenn der Speicher entladen wird, kühlt das geschmolzene PCM ab und gibt die Wärme an die durch den Speicher strömende Luft ab. Hierzu ist eine Temperaturdifferenz von einigen Grad (Kelvin) erforderlich. Wenn nun die Wohnraumtemperatur auf ca. 17 °C absinkt, so soll diese abgekühlte Raumluft automatisch durch den Speicher transportiert und wieder auf ca. 22 °C erwärmt werden.

Hierbei behält der Speicher solange seine Temperatur von z. B. 27 °C (gewählte Schmelztemperatur des PCM Materials) bis alle gespeicherte Energie an die Luft abgegeben das PCM wieder vollständig erstarrt ist – der Speicher ist entladen.
Eine elektronische Regelung sorgt dafür, dass der Speicherlüfter erst dann seinen Betrieb startet, wenn die Raumtemperatur unter eine voreingestellte Temperaturgrenze sinkt. Zur Ladezyklenoptimierung werden leise und leistungsfähige Walzenlüfter und eine elektronische Steuerung aus dem Solarbereich verbaut.
Bei diesen geringen Wärmeunterschieden von 5 - 7 K spielt auch die Eigenabkühlung des PCM keine wesentliche Rolle, zumal die Energie nicht verloren geht, sondern auch zur Raumerwärmung mit beiträgt. Die Eigenabkühlung ist aber so gering, dass am nächsten Morgen der Speicher noch immer eine Kapazität von ca. 80% hat, wenn die gespeicherte Wärme nicht abgerufen wurde. Quelle: Trubadu.de

Abpufferung der Raumtemperaturspitzen
Quelle: ZAE Bayern
Der Vorteil des PCM's liegt in der Nutzung der latenten Wärme während des Phasenwechsels. Aber es wird auch sensible (fühlbare) Wärme gespeichert. Hier liegt auch der Grund, dass sie in unterschiedlichen Baumaterialien (Gipsplatten und -putze, Porenbetonsteine, Kühldeckenelemente, Estriche, Holzwerkstoffe, Spachtelmassen) eingesetzt werden. Auch in Glasscheiben kann das Material eingebracht werden. > mehr
Bauanleitung PCM Warmluftspeicher - Trubadu.de / Dipl. Ing . Stefan Brandt
PCM in der Gebäudetechnik - Dipl.-Ing. (FH) Thomas Haussmann - ISE
Wärmespeicher auf Salzbasis - Dr. Heiner Marx, K-UTEC AG Salt Technologies
Temperaturmanagement – in seiner leichtesten Form - Dipl. Ing. (FH) Marco F. Schmidt, BASF AG, Ludwigshafen
CSM Platte & PCM Kompaktspeicher - Rubitherm Technologies GmbH

Darstellung im h,x-Diagramm  - Institut für Luft- und Kältetechnik gGmbH
Raumtemperatur nicht über 26° C - und noch einmal 26 ° C
das "Bielefelder Urteil" wurde neu entschieden, das ändert aber nichts an der zulässigen Raumteperatur
das neue Videoportal von HaustechnikDialog mit vielen interessanten Informationen und Anleitungen aus der Haustechnik
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