Alternative Messmethode zur thermischen Charakterisierung von PCM-Systemen

Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.

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Charakterisierung von PCM-SystemenA. Göbel, S. Vidi, H. Mehling, F. Klinker

Jahrestagung des Arbeitskreis Thermophysik17.03.2014

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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

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• Nutzung des Effektes auch in Gebäudeanwendungen möglich

© va-q-tec Quelle: Wikipedia

Motivation

Vier Ebenen in der PCM-Anwendung

Material Komponente / Bauteil

System Nutzer

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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

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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

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• 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

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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

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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

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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