Die Nutzung von chemischen oder Sorptionswärmepumpen ist bislang eine kaum verwendete Möglichkeit, fossile Energieträger durch Umweltwärme oder Niedertemperaturabwärme zu substituieren. Kernprobleme in der Anwendung sind momentan die Gewährleistung eines ausreichenden Wärme- und Stofftransportes sowie die Vermeidung von Agglomerationen der Arbeitsmedien. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung neuer Arbeitsstoffe für chemische Wärmepumpen auf Basis poröser Metallstrukturen, die mit Metallsalzen als reaktives Arbeitsmedium beladen werden. Das Teilprojekt am Fraunhofer IFAM Dresden beschäftigt sich vor allem mit der Auslegung, Auswahl und Herstellung der porösen metallischen Trägerstrukturen sowie der wärme- und strömungstechnischen Charakterisierung der Metall-Metallsalz-Verbünde. Die Metallstrukturen werden dabei pulver- bzw. schmelzmetallurgisch hergestellt. Die Trägerstrukturen werden charakterisiert und optimiert, sodass eine gezielte Nutzung der Metall-Metallsalz-Verbünde in Wärmepumpensystemen ermöglicht wird. Einen wesentlichen Bestandteil bilden dabei Simulationen zum Verständnis der auftretenden physikalischen Effekte. Nach Festlegung der Spezifikationen für die untersuchten Materialien (AP 1) durch alle Projektpartner werden Vorversuche an flachen Material- und Strukturproben durchgeführt, die das IFAM-DD herstellt und geometrisch sowie thermisch und strömungstechnisch charakterisiert (AP 2). Die Bestimmung der Sorptionsisothermen der einzelnen Hydratstufen der Salze (AP 3) dient als Basis für spätere Auslegungsrechnungen. Hauptarbeitspunkt des Projektes ist die Synthese und Charakterisierung der Trägerstrukturen (AP 4) sowie die Analyse der Verbünde (AP 6) von verschiedenen Metallen und Salzen. Diese Ergebnisse werden zur iterativen Optimierung der Metallsalzsynthese und der Trägerstrukturen verwendet. Abschließend wird das Zusammenspiel der Komponenten an einem Versuchsmuster demonstriert.
Ziel des Verbundvorhabens ist es den Einsatz von Phasenwechselmaterialen (PCM) in unterschiedlichen Anwendungen im Gebäudebereich beispielhaft zu demonstrieren. Gerade im Gebäudesektor kommt Referenzobjekten und der Demonstration innovativer Gebäudetechnik ein hoher Stellenwert zu, um die Markteinführung energieeffizienter Technologien zu beschleunigen. In einem begleitenden Monitoring sollen wissenschaftlich belastbare Messdaten erhoben werden. Anhand der vorliegenden Daten erfolgen eine Querauswertung und eine Systembewertung. Die Ergebnisse werden über Symposien mit Projektpartnern sowie Planern, Architekten und Investoren kommuniziert und diskutiert. Die Teilvorhaben werden durch verschiedene Forschungseinrichtungen begleitet und von Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) koordiniert. Im LVM Münster wird eine neu entwickelte PCM-Hybriddecke erstmalig großflächig in Seminarräumen eingesetzt. Die speicherbare Wärmemenge ist so bemessen, dass die meiste Zeit keine zusätzliche Kältetechnik benötigt wird, um die Räume auf behaglichem Temperaturniveau zu halten. Die Regeneration des PCMs erfolgt nachts über Kühltürme und ein Geothermiefeld. Ziel dieses Projektes ist nun die Performance unter realen Nutzungsbedingungen in einem Gebäude sowie die optimalen Betriebsparameter zu ermitteln. Arbeitsgegenstand des Teilvorhabens ist die Planung und Umsetzung des Monitorings und Begleitung der Messungen sowie Erarbeitung und Umsetzung optimierter Regelungsstrategien.
Ziel des Verbundvorhabens ist es den Einsatz von Phasenwechselmaterialen (PCM) in unterschiedlichen Anwendungen im Gebäudebereich beispielhaft zu demonstrieren. Gerade im Gebäudesektor kommt Referenzobjekten und der Demonstration innovativer Gebäudetechnik ein hoher Stellenwert zu, um die Markteinführung energieeffizienter Technologien zu beschleunigen. In einem begleitenden Monitoring sollen wissenschaftlich belastbare Messdaten erhoben werden. Anhand der vorliegenden Daten erfolgen eine Querauswertung und eine Systembewertung. Die Ergebnisse werden über Symposien mit Projektpartnern sowie Planern, Architekten und Investoren kommuniziert und diskutiert. Die Teilvorhaben werden durch verschiedene Forschungseinrichtungen begleitet und vom Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) koordiniert. Die Teilprojekte begleitet durch das Fraunhofer ISE sind: - Teilprojekt 5: Monitoring und modellbasierte Auswertung einer neu entwickelten aktiv regenerierten PCM Kühldecke im Neubau der LVM Münster - Teilprojekt 6: Monitoring und modellbasierte Auswertung des Neubaus zweier identischer Kindergartengebäude im BASF Family Activity Centers. Eines davon ausgestattet mit passiv regeneriertem Comfortboard™ der Fa. Knauf. - Teilprojekt 8: Demonstration der Thermobatterie als modularer Latentwärmespeicher verwendet zur Kurz- oder Langzeitwärmespeicherung unter Einsatz einer modellbasierten Auswertung der Monitoringdaten.
Ziel des Verbundvorhabens ist es den Einsatz von Phasenwechselmaterialen (PCM) in unterschiedlichen Anwendungen im Gebäudebereich beispielhaft zu demonstrieren. Gerade im Gebäudesektor kommt Referenzobjekten und der Demonstration innovativer Gebäudetechnik ein hoher Stellenwert zu, um die Markteinführung energieeffizienter Technologien zu beschleunigen. In einem begleitenden Monitoring sollen wissenschaftlich belastbare Messdaten erhoben werden. Anhand der vorliegenden Daten erfolgen eine Querauswertung und eine Systembewertung. Die Ergebnisse werden über Symposien mit Projektpartnern sowie Planern, Architekten und Investoren kommuniziert und diskutiert. Teilvorhaben 2: Entwicklung, Optimierung und Demonstration von PCM-Kompaktspeichergeräten in Büroräumen. Zu diesem Zweck soll in den Räumlichkeiten der Firma Rubitherm GmbH eine Demonstrationsanlage entstehen. Die Räumlichkeiten sollen mit Frischluft versorgt werden, welche während der warmen Sommertage durch das PCM gekühlt wird. Regeneriert werden die PCM-Elemente über die kalte Nachtluft. Insgesamt soll mit dem Projekt ein Referenzfall für den Einsatz von PCM-Kompaktspeichergeräten geschaffen werden. Es werden unter Anderem verschiedene Plattendicken und Speicherkonstruktionen hinsichtlich der Regenerierbarkeit, Leistung und Regelbarkeit untersucht. Die Teilvorhaben werden durch verschiedene Forschungseinrichtungen begleitet und von Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) koordiniert.
Gesamtziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Softwaretools, das Entscheidungsträgern eine wissenschaftlich fundierte Hilfestellung bietet, bei der Auswahl geeigneter thermischer Speichermethoden und -materialien, i. S. einer lebenszyklusorientierten, ganzheitlichen ökologischen Betrachtung. Im Rahmen des Vorhabens werden gängige und neuartige Speichermaterialien bzw. -konzepte zur Wärme- und Kältespeicherung für Gebäude aus ökologischer Sicht untersucht. Mit Hilfe der Methode der Ökobilanz wird eine Entscheidungsgrundlage für Fragestellungen bezüglich des Primärenergieeinsatzes geliefert. Dazu werden im Rahmen des Projektes sensible, latente, sorptive sowie thermochemische Wärmespeicherkonzepte und entsprechende Materialien betrachtet. Für jeden Wärmespeicher werden von den Projektpartnern verschiedene Einsatzszenarien definiert, um sowohl Anwendungsfelder so umfassend wie möglich abzubilden als auch größtmögliche Vergleichbarkeit der verschiedenen Konzepte zu gewährleisten. Neben dem Verhältnis von Primärenergieeinsatz (in Herstellung, Nutzung und Lebensende) der Wärmespeichermaterialien in Relation zu potenziellen energetischen Einsparungen durch deren Einsatz, interessiert ebenfalls der Einfluss von externem Equipment wie Wärmetauscher, Containment oder Reaktoren auf die ökologische Gesamtbilanz.
Die zentrale Aufgabe des Teilprojekts ist die Entwicklung eines frei verfügbaren Softwaretools zur ökologischen lebenszyklusbasierten Bewertung innovativer Konzepte zur thermischen Energiespeicherung in Gebäuden. Es soll Entscheidungsträgern eine wissenschaftlich fundierte Hilfestellung bei der Auswahl des, im Sinne einer ganzheitlichen ökologischen Betrachtung, geeignetsten thermischen Speicherkonzepts bieten. Mit Hilfe der Methode der Ökobilanz wird eine Entscheidungsgrundlage für Fragestellungen bezüglich des Primärenergieeinsatzes und der Klimarelevanz geliefert. Grundlage für das Softwaretool ist die Erarbeitung der Ökobilanzen (LCA) von Systemen zur Speicherung thermischer Energie in Gebäuden. Dabei werden sowohl die Speichermaterialien selbst und die zugehörigen Komponenten als auch ihre Einbettung in Gebäudeenergiekonzepte analysiert. Die Auswahl und Simulation der Systeme findet durch die Projektpartner statt. Sensible, latente, sorptive und thermochemische Speicherkonzepte für zentrale sowie gebäudeintegrierte Anwendung werden hierbei untersucht und energetische Kennzahlen durch Simulation auf Material- und Gebäudeebene ermittelt. Die im Softwaretool dargestellten Umweltprofile berücksichtigen Herstellung, Nutzung und Lebensende, also den gesamten Lebenszyklus der Wärmespeichermaterialien. Das ökologische Profil beinhaltet die Wirkungskategorie 'Treibhauspotential' (GWP) sowie den fossilen und regenerativen Primärenergiebedarf. Sie werden sowohl als Umweltprofil in Analogie der Darstellung von Umweltproduktdeklarationen als auch in Bezug auf die potentiellen Einsparungen in Form einer energetischen und ökologischen Amortisationsdauer in Zyklen angegeben. Zusätzlich werden Materialeigenschaften und eine technische Kurzbeschreibung des Systems dargestellt. Das Softwaretool ermöglicht es dem Anwender, Speichermaterialien, Speicherkomponenten und Speicherkonzepte zur thermischen Energiespeicherung in Gebäuden für verschiedene Gebäudetypen und Klimaregionen auf Basis fundierter ökologischer Analysen zu bewerten und zu vergleichen. Zusätzlich können eigene Materialien und Konzepte sowie Gebäude bewertet werden, sofern diese den Rahmenbedingungen des Projekts entsprechen.
Im Projekt KOLAN Phasenwechselfluiden (engl. Phase Change Slurry, PCS) auf Basis von emulgierten Paraffinen oder auf Paraffin basierenden Materialien als Kühlmedium im Gebäudebereich und für technisch-industrielle Anwendungen entwickelt. Es wird im Vergleich zum Medium Wasser die 4-5fache Speicherdichte bei einer Temperaturdifferenz von 6 K angestrebt. Dies soll zum einen durch die Verwendung von hochreinen Paraffinen mit höheren Schmelzenthalpien und zum anderen durch einen hohen Paraffinanteil im PCS erreicht werden. Durch die hohe Speicherdichte können Speichervolumina und Volumenströme in hydraulischen Systemen im Vergleich zu Wasser verringert werden. Die Emulsion soll etwa 5000 - 10000 thermischen und mechanischen Zyklen standhalten. Ein weiteres Ziel des Projektes KOLAN ist die Entwicklung einer Speicheranwendung unter Verwendung neuartiger 3D-Strukturen für makroverkapseltes PCM. Hierdurch soll die in dem vorangegangenen Forschungsvorhaben (FKZ 0327427A) erreichte Speicherdichte von 1,5 auf Werte von ca. 2,5 (Bezugstemperaturdifferenz: 10 K) gesteigert werden. Die bisher erreichten guten Entladeleistungen von 0,4 bis 0,45 W/Wh der Gesamtkapazität bei einer Entladezeit von 2 h sollen dabei möglichst beibehalten werden. Die Entladeleistung stellt ein Maß für die Güte des Wärmetransportes vom PCM in das Wärmeträgermedium oder umgekehrt dar. Das Hauptpotential der Weiterentwicklung liegt aber nicht nur in der angestrebten Kapazitätserhöhung um ca. 66 %, sondern vor allem in der Möglichkeit einer Kostenreduzierung durch die Verwendung von marktüblichen Speicherkonstruktionen. Anders als bei den bis dato verwendeten PCM-Speicherplatten können durch flexible 3D-Strukturen (z. B. Schüttungen) einfache druckstabile zylindrische Speichergeometrien gewählt werden. Ein zusätzliches Augenmerk der Weiterentwicklung liegt hier vornehmlich auf der hydraulischen Einbindung des PCM Materials in das Speicherkonzept zur Erzielung einer optimalen und effektiven Nutzung der Speicherkapazität sowie in der praxisgerechten Bestückung des Speichers mit dem PCM-Material.
Entwicklung von Phasenwechselemulsionen oder makroverkapselten Speicherstrukturen basierend auf Paraffin als PCM zur Speicherung von Kälte. Es wird eine Erhöhung der Speicherdichte gegenüber Wasser um den Faktor 4 bis 5 (Emulsion) bzw. 2,5 (3D-Strukturen) bei einer eine Viskosität von unter 20 mPas und eine Stabilität der Emulsionen von 5.000 bis 10.000 Zyklen angestrebt. Arbeiten bauen auf FKZ 0327427A/B auf. Festlegung Zielanwendungen, Analyse mittels Simulationen. Identifikation geeigneter PCM-Parameter für Anwendungen (z.B. Maschinenkühlung). Entwicklung von PCM-3D-Strukturen mit optimierten Wärmeübertragungseigenschaften bei möglichst geringen Druckverlusten. Entwicklung, Charakterisierung und Stabilitätsprüfung von Emulsionen. Test favorisierter Emulsionen in der Pilotanlage (Imtech-Labor), Bewertung Anlagengestaltung und -betrieb. Der Verbund wird von Imtech koordiniert. Arbeitsplanung: Koordination der sechs Arbeitspakete durch Imtech (AP I). AP II: Festlegung Zielanwendungen, Analyse mittels Simulationen. APIII: Identifikation geeigneter PCM-Parameter für Anwendungen (z.B. Maschinenkühlung). APIV: Entwicklung von PCM-3D-Strukturen mit optimierten Wärmeübertragungseigenschaften bei möglichst geringen Druckverlusten. APV: Entwicklung, Charakterisierung und Stabilitätsprüfung von Emulsionen. APVI: Test favorisierter Emulsionen in der Pilotanlage (Imtech-Labor), Bewertung Anlagengestaltung und -betrieb.
Die Bereitstellung von Raum- und Prozesswärme sowie Warmwasser stellt den größten Anwendungsbereich beim Endenergieverbrauch dar. Durch den Einsatz von Wärmepumpen kann ein Teil dieses Energiebedarfs durch Umweltwärme oder Niedertemperaturabwärme substituiert werden. Einen vielversprechenden Ansatz stellen thermisch angetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen auf der Basis reversibler chemischer Reaktionen oder Sorptionsprozesse dar. Zur dauerhaften Gewährleistung eines guten Wärme- und Stofftransportes müssen die Arbeitsstoffe auf poröse Trägerstrukturen aufgebracht werden. Bisher werden dafür vor allem Silicagel und Zeolithe verwendet, die aufgrund geringer Wärmeleitfähigkeiten die erreichbare Leistungsdichte solcher Systeme limitieren. Im Forschungsvorhaben sollen daher neue Arbeitsstoffe für chemische Wärmepumpen auf Basis poröser Metallstrukturen untersucht werden, die eine Verbesserung der Eigenschaften versprechen. Das Teilprojekt beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Herstellungstechnologie zur Verbindung der untersuchten Metall-/Metallsalz-Verbünde mit dem Wärmeübertrager. Im Projekt werden verschiedene Verfahren (Weiten der Rohre, Löten) zur Anbindung der Metallstrukturen an Rohre mit und ohne Lamellenbleche untersucht und analysiert. Im Ergebnis sollen Aussagen zur thermischen Leistungsfähigkeit des gesamten Wärmeübertragers sowie zur thermischen und mechanischen Stabilität des Aufbaus getroffen werden. Aufbauend auf den Ergebnissen soll ein Versuchsmuster eines Adsorber-Wärmeübertragers für eine Wärmepumpe konstruiert und gefertigt werden. In experimentellen Untersuchungen wird die Funktionalität des Versuchsmusters mit verschiedenen Temperaturen getestet. Aus den Ergebnissen werden wichtige Kenngrößen wie die spezifische Leistungsdichte und erreichbare Werte für den COP abgeleitet.
Die Bereitstellung von Raum- und Prozesswärme sowie Warmwasser stellt den größten Anwendungsbereich beim Endenergieverbrauch dar. Durch den Einsatz von Wärmepumpen kann ein Teil dieses Energiebedarfs durch Umweltwärme oder Niedertemperaturabwärme substituiert werden. Einen vielversprechenden Ansatz stellen thermisch angetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen auf der Basis reversibler chemischer Reaktionen oder Sorptionsprozesse dar. Zur dauerhaften Gewährleistung eines guten Wärme- und Stofftransportes müssen die Arbeitsstoffe auf poröse Trägerstrukturen aufgebracht werden. Bisher werden dafür vor allem Silicagel und Zeolithe verwendet, die aufgrund geringer Wärmeleitfähigkeiten die erreichbare Leistungsdichte solcher Systeme limitieren. Im Forschungsvorhaben sollen daher neue Arbeitsstoffe für chemische Wärmepumpen auf Basis poröser Metallstrukturen untersucht werden, die eine Verbesserung der Eigenschaften versprechen. Dieses Teilprojekt beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung dieser Metall-Metallsalz-Verbünde. Salze ermöglichen mit Wasserdampf, Ammoniak oder Alkoholen die Nutzung verschiedener Gas-Feststoff-Reaktionen, die sich für Anwendungen in Wärmepumpen, Kältemaschinen oder thermochemischen Speichern im Niedertemperaturbereich eignen. Das Ziel ist die Erzeugung von reaktiven Salzschichten auf porösen metallischen Schaum- oder Faserstrukturen. Hierzu sollen unterschiedliche Synthesepfade und deren Einfluss auf die Eigenschaften und Haftung der Salzschichten untersucht werden. Die hergestellten Verbundmaterialien werden anschließend experimentell charakterisiert, um Aussagen zu den Wärmeleiteigenschaften, zur Kinetik der Reaktions- bzw. Adsorptionsvorgänge und zur erreichbaren Leistungs- und Speicherdichte zu treffen. Anhand der Ergebnisse sollen Optimierungsmöglichkeiten abgeleitet und ein Simulationsmodell zur Auslegung von Adsorber-Wärmeübertragern auf Basis der neuen Verbundmaterialien erstellt werden.
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