PCM Speicher für Heizung und Warmwasserbereitung

 Allgemeines

 Stoffe, die in einem Temperaturbereich des menschlichen Umfeldes einen Phasenübergang durchlaufen eignen sich in  hervorragender Weise zum Speichern von Energie. Das bekannteste Medium ist Wasser, das bei einer Temperatur von  0°C vom flüssigen in einen festen Aggregatzustand übergeht (Eis). Dieser Phasenübergang erfolgt unter Wärmeentzug  und ist dadurch reversierbar, dass dem Eis die ?Schmelzwärme? wieder zugeführt wird. Da die Schmelzwärme ein  Vielfaches dessen beträgt, was zur Erwärmung von Wasser erforderlich ist, stellt der Phasenwechsel einen  Wärmespeichervorgang dar. Dieser physikalische Prozess des Speicherns verläuft bei nahezu konstanter Temperatur.  Nun ist die Temperatur von 0°C zum Einspeichern von Wärme nicht geeignet

 PCM ( Phase Change Materials)

 Sind Stoffe, die den Umwandlungsprozess (fest/ flüssig) bei höheren Temperaturen durchlaufen. Es handelt sich dabei  vorrangig um Paraffine und Salzhydrate. Durch die chemische Zusammensetzung der verwendeten Stoffe kann der  Schmelzpunkt, bzw. der Punkt des Phasenübergangs in bestimmten Grenzen gewählt werden.

 Bei der PCM- Technik wird die Eigenschaft von Salzhydraten derart genutzt, dass der Phasenübergang " fest-  flüssig" ( mit Wärmeaufnahme ) und " flüssig -fest" ( mit Wärmeabgabe ) durch Veränderung der verwendeten  Substanzen in einem begrenzten Spektrum auf Wunschtemperaturen eingestellt werden kann.

• In unserem Fall sind dies 58 Grad C
• Als PCM ? Material wird Natriumacetat verwendet
• Bei diesem Phasenübergang wird viel Energie ( Faktor 5 im Vergleich zu Wasser ) aufgenommen bzw. abgegeben, während die Temperatur des Materials konstant bleibt.
• Natriumacetat ist ein absolut umweltverträgliches Medium. So ist es beim herstellen von Salatsaucen vorhanden wenn die Zutaten Kochsalz ( Natriumchlorid )und Essig ( Acetat) zusammengebracht werden.

 Speicherelemente

 Da Natriumacetat genau wie alle PCM- Materialien die negative Eigenschaft einer sehr schlechten Wärmeleitfähigkeit  besitzt, musste auf konstruktiven Weg eine Möglichkeit geschaffen werden die ? Trägheit? des Materials auszugleichen.  Im Falle unseres Speichers haben wir uns für eine in Wasser eingelagerte Kugel aus Natriumacetat entschieden.

 Darüber hinaus ist die übertragene Wärme abhängig vom Temperaturunterschied zwischen dem Kugelmaterial an der  Oberfläche und der Wassertemperatur. Bei geringerem Temperaturabstand sinkt die Wärmeübertragungsleistung und  steigt direkt proportional mit Vergrößerung des Temperaturunterschieds

 Speicherkapazität

 Üblicherweise liegt die nutzbare Wärme eines Schichtenspeichers oder Pufferspeichers meistens im Bereich zwischen  40° C und 80° C. Unterhalb 40 ° C kann die eingespeicherte Wärme nur bedingt genutzt werden. Temperaturen über  80 ° C werden im Regelfall bei hoher Sonneneinstrahlung durch Solaranlagen erreicht, wodurch die solare  Rücklauftemperatur steigt und dadurch der Wirkungsgrad der Anlage sinkt.

 Das Speichermodul besteht aus :

• Einen Wärmetauscher für den Solarkreis.
• Einen Wärmetauscher für die WW- Bereitung ( optional )
• Einen Wärmetauscher für die Statische Heizung

 Leistungsangaben

• Speicherkapazität bezogen auf einen Temperaturbereich von 80° C bis 40° C und einem Speicherinhalt von 850 in welchen 800 Kugeln Natriumacetat eingelagert sind 60 kWh
• Leistung Wärmetauscher Heizung 25 kW
• Leistung Wärmetauscher Solar 25 kW
• Brauchwasserdauerleistung bei 45° C 14 l / min

 Vorteile Latentspeicherung

• geringer Platzbedarf
• hohe Speicherkapazität
• gleichmäßig hohe Wärmeabgabe während der Entladung
• völlige Entladung des Wärmevorrats
• keine zusätzliche Regelung nötig
• Erhöhung des Wirkungsgrades bei Solaranlagen durch Begrenzung der Rücklauftemperatur auf 58°C
• in bestehende Anlagen ohne großen Aufwand im Nebenschluss integrierbar
• Einsparung von bis zu 40 % der Gesamtheizkosten
• Reduzierung der Brennerstarts bei Öl- und Gaskesseln bis zu 70 %.  Dadurch Reduzierung der Umweltbelastungen um gut 50%

 Wärmeerzeuger

• Solarkollektoranlagen
• konventionelle Öl oder Gaskessel
• Holzkessel
• Abwärme von Kälteanlagen ( der Verflüssiger wird direkt in den Speicher eingebaut, der Solarwärmetauscher entfällt )
• BHKW
• Brennstoffzellen
• Abwärme aus thermischen Prozessen

 Verbraucher

• WW- Bereitung ( integriert über Durchlauferhitzer )
• Raumheizung
• Prozesswärme

 Mit Sonnenwärme heizen

 Die Sonne liefet so viel Energie auf unsere Erdoberfläche, dass mit einigen Quadratmetern thermischer Solarkollektoren  der Jahreswärmebedarf gedeckt werden kann.

 Das Problem liegt darin , dass die Sonnenwärme vorwiegend in der Zeit von März bis Oktober genutzt werden kann, die  Wärme jedoch hauptsächlich im Zeitraum von November bis Februar zur Gebäudeheizung benötigt wird. Die effiziente  Nutzung von Sonnenenergie ist also lediglich ein Speicherproblem !

 In Deutschland liefert die Sonne etwa 1.000 kWh/qm im Jahr. Unser Beispiel betrifft einen 4 Personen Haushalt mit einer  Wohnfläche von 150 m² und einem Jahresheizwärmebedarf von 70 kWh pro m² Wohnfläche nach der heute gültigen  Energie-Einspar-Verordnung von 2002..

 Bei diesem Szenario werden im Jahr 10.500 kWh für die Gebäudeheizung sowie 3.600 kWh für die Warmwasser  Warmwasserbereitung benötigt, also insgesamt 14.100 kWh.

 Rein rechnerisch währe also bei einer Einstrahlung von 1000kWh/m² im Jahr eine Fläche von rund 14 qm erforderlich.  Leider vergeht nun aber von der Verfügbarkeit bis zum Bedarf ein halbes Jahr. Deshalb muss die Wärme gespeichert und  der zwischenzeitliche Wärmeverlust hinzu gerechnet werden.

 Berücksichtigt man noch den Wirkungsgrad von thermischen Solarkollektoren, so ist etwa die dreifache Fläche also ca.  40 qm zur Deckung des Wärmebedarfs ausreichend.

 Allgemein werden dafür über 1.500 Liter Öl verbrannt und die Umwelt mit jährlich rund 4 Tonnen CO2 belastet Die  Einsparmöglichkeit ist stark von der klimatischen Lage des Objektes und natürlich vom Wetter abhängig. Deshalb  können tatsächliche Werte von der Tabelle erheblich abweichen. Es geht hier aber darum die grundsätzliche  Abhängigkeit von der Solarfläche, der Speichergröße und der Heizungseinbindung aufzuzeigen.

 Soviel Energie kann man mit einer Solaranlage einsparen

 Die Energieeinsparung beträgt bei 24 qm Solarkollektoren fast das 4-fache gegenüber nur einer Brauchwasseranlage mit  6 qm Solarfläche. Bitte beachten Sie die erhebliche Entlastung unserer Umwelt, durch die entsprechende CO2- Reduktion, die ebenfalls der Höhe der Einsparung entspricht

 Mit dem neuen Gono- Therm Energiespeicher lassen sich Speicherkapazitäten von 10. 000 l Wasser mit einem  Speichervolumen von nur 5000 l unter Einsatz unserer Latentspeicherelemente realisieren. Das bedeutet Sie können mit  2 mal 3 Stück Latentspeicher a 850l den theoretischen Jahresenergiebedarf eines Niedrigenergiehauses decken.

 Latentwärmespeicher in der Heizungs-, Klima-,
 Lüftungs- und Sanitärtechnik

 Eine technische Beurteilung dieses Einsatzgebietes

 Der Wunsch vieler, energiesparend zu heizen und regenerative Energien zu nutzen, setzt oft eine große  Wärmespeicherkapazität voraus, um gute Resultate zu erzielen. Durch den Einsatz eines geeigneten  Latentwärmespeichermaterials können künftig kompakte Speicher mit großen Kapazitäten für viele Anwendungszwecke  in der Heizungs- und Lüftungsindustrie realisiert werden. Die entscheidende Frage jedoch ist, welche Einsatzgebiete im  Vergleich zu bekannten Wasserspeichern wirklich vertretbar sind. Der Ansatz einer technischen Bewertung soll mit  diesem Beitrag gegeben werden.

 Vorteile der latenten Wärmespeicherung

 In den meisten Wärmespeichern - wie z. B. dem klassischen Warmwasserspeicher - wird nur die sogenannte sensible  Wärme genutzt, d. h. die durch eine Temperaturänderung fühlbare Wärme. Die Wärmekapazität eines solchen Speichers  kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden:

 Q = m · cp · deltaT

 In einem Latentwärmespeicher steht neben der sensiblen Wärme aber auch die latente Wärme (Schmelzenthalpie) des  Speichermaterials zur Verfügung, die beim Aufschmelzen zugeführt werden muss und beim Erstarren wieder freigesetzt  wird.

 Q = (m · cp · deltaT)WASSER + (m · cp · deltaT)PCM +(m · delta hs )PCM

 In dieser Gradengleichung ist die Temperaturdifferenz deltaT die Variable, der cp-Wert der Steigungsfaktor und die  Schmelzenthalpie delta hs der Achsenabschnitt auf der Ordinate. Es gilt: je kleiner die Temperaturdifferenz, umso  größer der Vorteil des Latentwärmespeichers gegenüber einem Warmwasserspeicher.