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
| Dabei bedeutet: | |
| Q | Wärmemenge [kJ] |
| m | Masse des Speichermaterials [kg] |
| cp | spezifische Wärmekapazität [kJ/kg·K] |
| delta T | Temperaturänderung des Speichermaterials [K] |
| delta hs | spezifische Schmelzenthalpie des Speichermaterial |
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.
Gegenüberstellung vom Latentwärmeparaffin- und Wasser- Speichermaterialsystem
Erfolgt der Wärmeeintrag vom Wärmetransportmittel (z.B. Wasser) an das Latentwärmespeichermaterial im direkten Kontakt (dynamisches Speicherprinzip), so handelt es sich bei diesem Speichertyp um einem Hybridspeicher.
In Diagramm 1 wurde für einen solchen Speichertyp die Energiespeicherdichte von Paraffin/Wasser-Gemischen unterschiedlicher Zusammensetzung über die Temperaturdifferenz deltaT aufgetragen.
Diagramm 2 zeigt das Verhältnis der Energiespeicherdichte Latentwärmespeicher / Warmwasserspeicher in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz deltaT.
Beide Diagramme lassen folgende Schlüsse zu:
- Je höher der PCM-Anteil im Speicher, umso größer die Wärmespeicherkapazität und desto konstanter der Temperaturverlauf im Speicher während des Phasenwechsels.
- Je kleiner die Temperaturdifferenz, umso größer der Vorteil der latenten Wärmespeicherung, da der cp-Wert nur einen geringen Einfluss auf die Wärmespeicherkapazität hat.
- Der Anteil an Additiven im Speichermaterial sollte so gering wie möglich gehalten werden, um Speicherkapazitätsverluste zu minimieren.
- Kleine Temperaturdifferenzen und hohe PCM-Anteile ermöglichen sehr kompakte Speicher (bei anderen Wärmetransportmitteln als Wasser, z.B. Luft, würde der Vorteil des Latentwärmespeichers noch viel deutlicher ausfallen).
Schlussfolgerung
Der Einsatz von Latentwärmespeichern ist grundsätzlich nur dort sinnvoll, wo wenigstens 50 % des Speichervolumens mit Speichermaterial ausgefüllt sind und das Speichersystem eine max. Arbeitstemperaturdifferenz von 15-20 K betrieben wird. Derartige Anwendungsfälle sind z. B. in der solarunterstützten Heizungstechnik sowie der Wärmerückgewinnung bei Lüftungsanlagen gegeben.
Die oben stehenden Abbildungen machen ferner deutlich, dass Latentwärmespeicher in Brauchwassersystemen mit ihren hohen Temperaturdifferenzen (Aufheizung von 15 °C auf 65 °C) unvorteilhaft sind und keinen technisch / wirtschaftlich vertretbaren Vorteil gegenüber Wasser als Speichermaterial bieten.
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