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Alternative Messmethode zur thermischen Charakterisierung von PCM-Systemen
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
© ZAE Bayern 1
Charakterisierung von PCM-SystemenA. Göbel, S. Vidi, H. Mehling, F. Klinker
Jahrestagung des Arbeitskreis Thermophysik17.03.2014
© ZAE Bayern
MotivationLatentwärmespeicher
• PCM = Phase Change Material („Phasenwechselmaterial“)
• Prinzip: Speicherung von latenter Wärme während des Phasenüberganges
• Verschiedene Materialien zeigen Effekt → unterschiedliche Phasenübergangstemperaturen &
Anwendungsbereiche
• Nutzung des Effektes auch in Gebäudeanwendungen möglich
© ZAE Bayern 2
• Nutzung des Effektes auch in Gebäudeanwendungen möglich
© va-q-tec Quelle: Wikipedia
Motivation
Vier Ebenen in der PCM-Anwendung
Material Komponente / Bauteil
System Nutzer
© ZAE Bayern 3
Auf jeder Ebene: Bestimmung der thermischen Eigenschaften
→ Wärmespeicherfähigkeit & dynamisches Verhalten
MotivationStand der Technik
Kalorimetrische Messverfahren für sehr kleine Probenmengen ↔ Testräume für komplette Systeme
→ Lücke in der Messtechnik!
Keine Charakterisierungsmethoden für Probenvolumina im Bereich einiger 100 ml bis mehrerer Liter!
Große Proben aber nötig, da
© ZAE Bayern 4
Große Proben aber nötig, da
• Unterkühlung abhängig von Probenmenge
• Inhomogene Proben
• z.T. vorgegebene Probengeometrie
© va-q-tec © PCM products © Global E-Systems © Knauf
MotivationProjekt „PCM Metro“
• Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
• Förderkennzeichen: 03ESP230A
• Projektlaufzeit: 01.07.2013 bis 30.06.2016
© ZAE Bayern 5
• Projektlaufzeit: 01.07.2013 bis 30.06.2016
• Ziel: Entwicklung von Messmethodik zur Charakterisierung von PCM-
Wärmespeicherkomponenten („PCM Metro“)
• Einer der Ansätze: Verwendung eines Heat Flow Meters
Kalorimetrische Messungen mit dem Heat Flow MeterPrinzip
Netzsch HFM 436/3/1E Lambda
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Üblicherweise: Verwendung des Wärmeflussmessgerätes zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Isolationswerkstoffen → stationäre Messung
T
qd
∆
⋅=
&λ
© Netzsch © Netzsch
Kalorimetrische Messungen mit dem Heat Flow MeterPrinzip
Ansatz zur Durchführung von kalorimetrischen Messungen
WFS 1T1
Probe
Isolierung
© ZAE Bayern 7
WFS 2T2
Unterschied zu üblichen Messungen: T1 = T2,
dann Temperatursprung
Gesamte von der Probe aufgenommene Wärmemenge:
( )∫ +=2
1
21
t
t
ges dtqqq &&
Kalorimetrische Messungen mit dem Heat Flow MeterErste Testmessungen an Material mit bekannter Wärmekapazität
Testmessung an Edelstahl 1.0332
26
27
28
29
Tem
pera
tur
T in
°C
Umgebung Probenunterseite Probenoberseite
© ZAE Bayern 8
0 5 10 15 20 25 3018
19
20
21
22
23
24
25
Tem
pera
tur
T in
°C
Zeit t in h
Messung mit HFM:
Kalorimetrische Messungen mit dem Heat Flow MeterErste Testmessungen an Material mit bekannter Wärmekapazität
( )Kkg
Jcp
⋅±= 22437
Korrektur 1: Korrektur lateraler Wärmeströme
Korrektur 2: Korrektur lateraler Wärmeströme + Korrektur der Wärmekapazität des Gerätes
4.0
4.5
5.0
5.5
Wie gemessen Korrektur 1 Korrektur 2
Auf
geno
mm
ene
bzw
. abg
egeb
ene
Wär
me
in k
J/kg
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Messung mit DSC:
Sehr gute Übereinstimmung
(Abweichung < 2%)
( )Kkg
Jcp
⋅±= 22445
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Auf
geno
mm
ene
bzw
. abg
egeb
ene
Wär
me
in k
J/kg
Messdauer t in h
Kalorimetrische Messungen mit dem Heat Flow MeterErste Testmessungen an PCM – Energain Board
Ausgewählte Probe: DuPont Energain Board
Mischung aus Ethylen-basiertem Polymer (40%) und Paraffin (60%), umgeben von 130µm dicker Aluminiumfolie
Flächengewicht 4.5 kg/m², Dicke 5.26 mm
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Verschiedene Datenblätter liefern widersprüchliche Angaben:
Gesamte Wärmespeicherfähigkeit (0°C-30°C) circa 140 kJ/kg
vs.
Gesamte Wärmespeicherfähigkeit (14°C-30°C) >170 kJ/kg
© DuPont
Kalorimetrische Messungen mit dem Heat Flow MeterErste Testmessungen an PCM – Energain Board
Kalorimetrische Messungen in Heat Flow Meter – DuPont Energain Board (2 Platten übereinander)
Gute Übereinstimmung
zwischen verschiedenen -20
0
20
Auf
geno
mm
ene
bzw
. abg
egeb
ene
Wär
me
in k
J/kg
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zwischen verschiedenen
Messmethoden!
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
-140
-120
-100
-80
-60
-40
T-History Heizen T-History Kühlen DSC Heizen DSC Kühlen HFM Heizen HFM Kühlen
Auf
geno
mm
ene
bzw
. abg
egeb
ene
Wär
me
in k
J/kg
norm
iert
auf
30°
C
Temperatur T in °C
Kalorimetrische Messungen mit dem Heat Flow MeterErste Testmessungen an PCM - Comfortboard
Ausgewählte Probe: Knauf Comfortboard
Gipsplatte mit mikroverkapseltem PCM
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Dichte: 821 kg/m³, Dicke: 12.2 mm
Angaben aus Datenblatt:
• Gesamte latente Wärmekapazität (10-30°C): ca. 200 kJ/m² ≈ 20 kJ/kg
• Spezifische Wärmekapazität: ca. 13 kJ/(m²·K) ≈ 1.3 kJ/(kg·K)
© Knauf
Kalorimetrische Messungen mit dem Heat Flow MeterErste Testmessungen an PCM - Comfortboard
Kalorimetrische Messungen an Knauf Comfortboard
-10
0
10
Auf
geno
mm
ene
bzw
. abg
egeb
ene
Wär
me
in k
J/kg
norm
iert
auf
30°
C
Zwischen 12°C und 32°C:
Datenblatt: Qges ≈ 46 kJ/kg
Messung: Q ≈ 48 kJ/kg
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10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34-60
-50
-40
-30
-20
T-History Heizen T-History Kühlen HFM Heizen HFM Kühlen
Auf
geno
mm
ene
bzw
. abg
egeb
ene
Wär
me
in k
J/kg
norm
iert
auf
30°
C
Temperatur T in °C
Messung: Qges ≈ 48 kJ/kg
Sehr gute Übereinstimmung
Dynamische Messungen mit dem Heat Flow MeterPrinzip
• Beide Platten auf unterschiedlichen und zeitlich veränderlichen Temperaturen
• Eine Seite entspricht der Innenwand, eine Seite entspricht der Außenwand
• Verschiedene Schichtungen aus PCM und Isolationswerkstoffen → Nachbildung reeller
Wandaufbauten nachzubilden
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WFS 1
WFS 2
T1
T2
Probe
1q&
2q&
Zusammenfassung und Ausblick
• Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität von Edelstahl mit sehr gutem Ergebnis
• Erste kalorimetrische Messungen an Proben mit PCM erfolgreich durchgeführt
• Optimierungsbedarf hinsichtlich lateraler Isolierung
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• Gerät eigentlich für andere Zwecke vorgesehen → einige Schwierigkeiten mit der Software
• Bislang noch keine dynamischen Messungen möglich
• Nächster Schritt: Charakterisierung weiterer Proben, Optimierung des Verfahrens