Latentwärmespeicher mit PCM für die TGA

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• Die VDI-Richtlinie 2164 definiert erstmals grundsätzliche Planungs- und Ausführungshilfen, um (neue) PCM in der TGA einsetzen zu können.
• Sie beschreibt die für PCM-Energiespeichersysteme erforderlichen Geräte und Verfahren sowie deren Auslegung und Leistungsparameter.
• Auch die Grundlagen zur Quantifizierung der Reduktion des Energieaufwands werden dargestellt.

Latentwärmespeicher auf der Basis von PCM (Phase Change Materials, Phasenwechselmaterialien bzw. Latentwärmespeichermaterialien) werden seit langer Zeit in der Technischen Gebäudeausrüstung (TGA) vor allem als Eisspeicher genutzt. Es gibt jedoch eine Reihe anderer PCM für unterschiedliche Einsatzgebiete 1. Mehrere in den letzten Jahren entwickelte PCM-Verbundmaterialien und -Systeme auf der Basis von Paraffinen und Salzen findet inzwischen unter anderem in der TGA respektive bei der Beeinflussung des Raumklimas in verschiedenen Formen Anwendung. Das Grundprinzip von PCM – beim Phasenumwandlungseffekt wesentlich mehr (Schmelz-, Lösungs- oder Absorptions-)Wärme latent (quasi isotherm) zu speichern, als sie es aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität können – zeigt 2.

Mit dem Richtlinien-Entwurf VDI 2164 [1] will der VDI-Fachbereich Technische Gebäudeausrüstung grundsätzliche Planungs- und Ausführungshilfen für PCM-Energiespeichersysteme und -Komponenten in der TGA geben (Eisspeicher und Eisbrei werden nicht behandelt). Der Richtlinien-Entwurf beschreibt die erforderlichen Geräte und Verfahren sowie deren Auslegung und zeigt die Leistungsparameter auf. Auch die Grundlagen zur Quantifizierung der Reduktion des Energieaufwands werden dargestellt. Es werden notwendigerweise Begriffe infolge unterschiedlicher Anwendungsgrenzen und Systeme eingeführt, beispielsweise

• <b>PCM-O</b> (PCM-Objekt): aus einem oder mehreren Materialien (einschließlich PCM) bestehendes Objekt mit definierter Oberfläche, Form und Größe;
• <b>PCM-S</b> (PCM-System): auf Baustoffen, Geräten und Anlagen basierendes Wärmespeichersystem bestehend aus PCM-V und / oder PCM-O als Ergänzung zu oder in Kombination mit TGA-Komponenten;
• <b>PCM-V</b> (PCM-Verbundmaterial): Materialverbund, der einen nennenswerten PCM-Bestandteil enthält;
• <b>Aktives Latentwärmespeichersystem:</b> PCM-S mit zusätzlichen Regeleinrichtungen und gegebenenfalls technischen Hilfseinrichtungen, um den Wärmeübergang des Speichers an die Umgebung oder an geschlossene Systeme kontrollieren zu können;
• <b>Passives Latentwärmespeichersystem:</b> PCM-S ohne technische Hilfseinrichtungen zur Beeinflussung der Wärmeaufnahme oder -abgabe.
• <b>Zyklenstabilität:</b> minimale Anzahl von Zyklen, für die die zugehörigen Eigenschaften gewährleistet werden.

Es werden sehr ausführlich und gut nachvollziehbar Auslegungs- und Berechnungsgrundlagen sowie die Leistungsbestimmung von folgenden PCM-Speichersystemen behandelt:

• passive Flächenheiz- und -kühlsysteme (z. B. Baustoffe, Bauteile)
• aktive Flächenheiz- und -kühlsysteme (z. B. Kühldecken)
• dezentrale Lüftungssysteme für den Kühlbetrieb
• zentrale Lüftungssysteme für den Heiz- und Kühlbetrieb
• Energiespeicher (Medium Wasser)

Kritik am Entwurf zu VDI 2164

Kritisch ist an dem Richtlinien-Entwurf anzumerken:

• Die gewählten Formelzeichen und Indices sind nicht mit der im Mai 2015 erscheinenden VDI 4700 Blatt 3 [2] konform.
• Die für die Auslegung zugrunde zu legenden Gesamtwärmeübergangskoeffizienten _ges in Abhängigkeit der Ausrichtung sollten in Tabelle 1 (in [1]) überprüft werden. Sie sind zu hoch angesetzt, da der natürliche konvektive Anteil _konv bei den gegebenen Temperaturdifferenzen höchstens zwischen 1 und 2 W/(m² K) liegen kann. Zu hohe Werte ergeben zwangsläufig auch zu hohe theoretisch mögliche Leistungswerte.
• Da im Allgemeinen bei einem Zyklus (Be- und Entladezeit bzw. Be- und Entladeleistung) <span class="GVAbbildungszahl">3</span> von einer Periodendauer _P  24 h bei der Anwendung im Raumklimabereich ausgegangen werden kann, erscheint der in Tabelle 2 (in [1]) ausgewiesene Ausnutzungsgrad K_A in Abhängigkeit der Schichtdicke eines PCM-haltigen Baustoffes bzw. Bauteils als zu hoch angesetzt.

DIN EN 16 798-15

Der Richtlinien-Entwurf VDI 2164 korrespondiert mit der ebenfalls neuen DIN EN 16 798-15 [3] zur Bewertung der Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden. Dieser Normen-Entwurf legt ein Verfahren zur Berechnung der Gesamteffizienz unter Berücksichtigung von Speichersystemen fest, bei denen Wasser als PCM genutzt wird, um Kühlenergie für Lüftungsanlagen zu speichern. Er enthält ein allgemeines Verfahren, das auf die verschiedenen Technologien wasserbasierter Speichersysteme oder PCM-bezogener Regelsysteme anwendbar ist.

Das Berechnungsverfahren deckt den typischerweise stündlichen Zeitschritt ab, kann jedoch für den Energieverbrauch und Energieertrag an andere Zeitschritte angepasst werden. Für den monatlichen Zeitschritt ist ein vereinfachtes Verfahren dargestellt. Detailliert erläutert werden:

• Beschreibung der Verfahren mit Ausgabedaten und Flussdiagramm,
• Berechnungsverfahren (stündlich und monatlich) mit Ein- und Ausgabedaten,
• Qualitätskontrolle und
• Übereinstimmungsprüfung

Der normative Anhang A zu DIN EN 16 798-15 enthält ein Muster für Eingabedaten und Auswahlmöglichkeiten und der informative Anhang B Standard-Eingabedaten.

Literatur

[1] VDI 2164 (Entwurf) PCM-Energiespeichersysteme in der Gebäudetechnik. Berlin: Beuth Verlag, Februar 2015, Einsprüche bis 31. Juli 2015

[2] VDI 4700 Blatt 3 Begriffe der Bau- und Gebäudetechnik; Formelzeichen (Gebäudetechnik). Berlin: Beuth Verlag, Mai 2015

[3] DIN EN 16 798 Teil 15 (Entwurf): Energieeffizienz von Gebäuden – Teil 15: Modul M 4-7 – Berechnungsmethoden für den Energiebedarf von Kälteanlagen – Speicherung – Allgemeines. Berlin: Beuth Verlag, Januar 2015

Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH), Fakultät Maschinenbau / Verfahrenstechnik, Lehrgebiet TGA. Telefon (03 51) 4 62 27 89, trogisch@mw.htw-dresden.de, www.htw-dresden.de