DE10019931C1 - Aktives thermisches Bauelement - Google Patents
Aktives thermisches BauelementInfo
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Abstract
Beschrieben wird ein aktives thermisches Bauelement, das wenigstens einen Oberflächenbereich vorsieht, über den das Bauelement durch thermische Kopplung mit einem Stoffstrom erwärmbar oder abkühlbar ist und der Materialbereiche aufweist, in denen wenigstens ein Phasenwechselmaterial vorgesehen ist. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauelement als Wandflächenteil in Form eines Hypokaustenelements ausgebildet ist und eine innere Kanalstruktur einschließt, durch die der Stoffstrom führbar ist, dass die innere Kanalstruktur durch die Materialbereiche begrenzt ist, in denen das Phasenwechselmaterial in gekapselter Form enthalten ist, sodass ein wenigstens nahezu unmittelbarer Kontakt zwischen dem Stoffstrom und dem Phasenwechselmaterial stattfindet, und dass das Wandflächenteil zwei Oberflächen aufweist, von denen die eine Oberfläche der freien Umgebung zugewandt ist und die andere Oberfläche mit einer Trägerstruktur verbunden ist.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein aktives thermisches Bauelement, das wenigstens
einen Oberflächenbereich vorsieht, über den das Bauelement durch thermische
Kopplung mit einem Stoffstrom erwärmbar oder abkühlbar ist und der
Materialbereiche aufweist, in denen wenigstens ein Phasenwechselmaterial
vorgesehen ist.
Bauelemente der vorstehend genannten Gattung dienen dem Wärmetransport sowie
der Wärmespeicherung und verfügen selbst aufgrund ihrer Eigenmasse über eine
bestimmte Wärmekapazität, durch die die Bauelemente Wärme aufnehmen und
wieder an ihre Umgebung abgeben können. Die Wärmeaufnahme erfolgt
typischerweise über eine Oberfläche des Bauelementes auf die bspw.
Strahlungswärme einwirkt oder über die ein unmittelbarer thermischer Kontakt mit
einem Stoffstrom hergestellt wird. Nach Beendigung der Wärmeaufnahme wird die
aufgenommene Wärme wieder an die Umgebung des Bauelementes abgegeben.
Bereits konventionell ausgebildetes Mauerwerk von Gebäuden vermag sich durch
entsprechend intensive Sonneneinstrahlung tagsüber aufzuwärmen, wohingegen es
nach Sonnenuntergang im Mauerwerk gespeicherte Wärme sukzessive abgibt. Auch
im Falle an sich bekannter Solarkollektoren wird die Kollektorfläche durch die
Sonnenstrahlung erhitzt, wobei die dabei gesammelte Wärmeenergie vom Kollektor
durch entsprechende Wärmekopplung auf einen Stoffstrom, zumeist ein
Wasserstrom übertragen wird, der den Kollektor durch ein entsprechendes
Kanalsystem durchfließt. Allen bekannten thermischen Bauelementen ist gemein,
dass Wärmeenergie unmittelbar nach Beendigung der Energiezufuhr sofort
abgegeben wird.
Nun sind seit geraumer Zeit Latentspeichermassen oder auch
Phasenwechselmaterialien bekannt, die bei einer vorgegebenen Temperatur
während eines Aufheiz- oder Abkühlvorganges eine Änderung ihres
Aggregatzustandes erfahren und dabei erhebliche Wärmemengen aufnehmen oder
abgeben.
In der DE 33 02 324 A1 ist eine Wärmespeicheranordnung für Gebäude beschrieben,
die ein Wärmespeicherelement vorsieht, in dessen Inneren eine
Latentspeichermasse vorgesehen ist. Das Wärmespeicherelement wird von
Rohrleitungen durchsetzt, durch die ein Wärmetransportmedium zu Zwecken des
Wärmetausches geleitet wird
Ebenso ist in der US 4,572,864 ein Wandbaustein beschrieben, der ein
Kammernsystem vorsieht, in dem ebenfalls Phasenwechselmaterial zur
Latentwärmespeicherung vorgesehen ist. Das Phasenwechselmaterial ist jedoch
vollständig durch die Kammerwände eingeschlossen und tritt nicht unmittelbar in
Kontakt mit einem Wärmestrom, der durch benachbarte Kammern geführt ist.
Schließlich geht aus der JP 62-45680 A gekapseltes Phasenwechselmaterial hervor,
das in einem Werkstoff verteilt angeordnet ist und als Wärmespeichermaterial
Verwendung findet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aktiv thermische Bauelemente unter
Einsatz eines Phasenwechselmaterials derart zu verbessern, dass die
Wärmespeicherung optimiert und ein direkter Wärmeübergang zwischen den am
Wärmeaustausch beteiligten Stoffströmen und dem Phasenwechselmaterial möglich
wird. Die hierbei zu treffenden Maßnahmen sollen die Kosten des Bauelementes
nicht wesentlich beeinträchtigen.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1
angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein aktives thermisches Bauelement, das wenigstens einen
Oberflächenbereich vorsieht, über den das Bauelement durch thermische Kopplung
mit einem Stoffstrom erwärmbar oder abkühlbar ist und der Materialbereiche
aufweist, in denen wenigstens ein Phasenwechselmaterial vorgesehen ist,
derart ausgebildet, dass das Bauelement als Wandflächenteil in Form eines
Hypokaustenelements ausgebildet ist und eine innere Kanalstruktur einschließt,
durch die der Stoffstrom führbar ist, dass die innere Kanalstruktur durch die
Materialbereiche begrenzt ist, in denen das Phasenwechselmaterial in gekapselter
Form enthalten ist, sodass ein wenigstens nahezu unmittelbarer Kontakt zwischen
dem Stoffstrom und dem Phasenwechselmaterial stattfindet, und dass das
Wandflächenteil zwei Oberflächen aufweist, von denen die eine Oberfläche der freien
Umgebung zugewandt ist und die andere Oberfläche mit einer Trägerstruktur
verbunden ist.
Als Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials - PCM) werden, wie
vorstehend bereits kurz erläutert, Materialien bezeichnet, die in Abhängigkeit von der
Temperatur einen Phasenwechsel erfahren, also bei einer bestimmten Temperatur
bzw. innerhalb eines definierten Temperaturbereiches z. B. schmelzen. Die
Besonderheit derartiger Materialien liegt darin, dass das isotherme Zuführen der
Phasenwechselenthalpie, also jener Energie, die den Phasenwechsel verursacht, in
umgekehrten Fall, z. B. des Erstarrens, in gleicher Weise wieder freigesetzt wird.
Bekannte Vertreter derartiger Phasenwechselmaterialien, im folgenden PCM
bezeichnet, sind beispielsweise Paraffine und zählen zum Stand der Technik.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden PCM gekapselt, d. h. vorzugsweise
von einer Polymerhülle umgeben, so dass sie beim Phasenübergang innerhalb eines
definierten, durch die Polymerhülle vorgegebenen Volumens verbleiben. Derartige
bekannte gekapselte PCM's weisen typischerweise einen Kapseldurchmesser von
wenigen µm auf, so dass mikroverkapseltes PCM die Konsistenz von Pulver
aufweist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee basiert auf der gezielten Kombination an
sich bekannter PCM's mit einem thermischen Bauelement, wodurch ein aktives Heiz-
sowie auch Kühlelement geschaffen wird, um die Speicherfähigkeit des
Bauelementes durch die Gegenwart wenigstens eines Phasenwechselmaterials zu
optimieren. Insbesondere zeichnen sich derartige Bauelemente dadurch aus, dass
zur Wärmespeicherung keine Überwärmung des Bauelementes erfolgen muss,
zumal die Vorteile von Phasenwechselmaterialien darin liegen, dass sie die isotherm
zugeführte Wärme durch den Schmelzprozess in der Lage sind zu speichern und
zeitverzögert im Wege des Erstarrungsprozesses als latente Wärme an die
Umgebung wieder abzugeben.
Die Schmelztemperatur der PCMs, die insbesondere für Wärmespeicherungzwecke
dienen sollen, soll vorzugsweise im Bereich zwischen 0° und 100°C liegen,
vorzugsweise jedoch im Raumtemperaturbereich und etwas darüber also zwischen
15° und 40°C.
An einem konkreten Ausführungsbeispiel, eines sogenannten
Hypokaustenelementes, soll der besondere Vorteil der Kombination aus einem
durchströmten Bauelement mit einem Phasenwechselmaterial dargestellt werden.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die
Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 schematische Darstellung eines mit mikrogekapseltem PCM versehenes
Wandelement.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Wandausschnitt, der ein Mauerwerk 1
vorsieht, an dem ein als Hypokaustenelement ausgebildetes Wandelement 2
aufgebracht ist. Das Wandelement 2 weist ein geschlossenes Kanalsystem 3 auf,
durch das gezielt ein Stoffstrom hindurchgeleitet wird. Wie bei einer klassischen
römischen Hypokaustenheizung wird ein warmer Luftstrom durch das Kanalsystem 3
in der in Fig. 1 angegebenen Weise hindurchgeleitet. Das im Falle einer Zufuhr
warmer Luft durch das Kanalsystem 3 abgebildete Wandelement wirkt als
Flächenwandheizelement und ist innig mit dem Mauerwerk 1 verbunden. Das
Wandelement besteht vorzugsweise aus einer Gießkeramik, in der eine Vielzahl von
mikrogekapselten PCM's 4 eingebracht sind. Die mikrogekapselten PCM's 4 sind
insbesondere an der Oberfläche der Strömungskanäle 3 in eine gut wärmeleitende
Matrix eingebracht und vermögen durch den direkten Kontakt mit dem warmen
Luftstrom die Wärme der Luft aufzunehmen. (Siehe insbesondere die
Detaildarstellung der Fig. 1).
Da es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um eine Wandflächenheizung handelt,
die in Art einer Strahlungsheizung wirkt, sind nur geringe Vorlauftemperaturen im
Bereich zwischen 20° und 30°C notwendig, so dass auch eine Kombination mit
Solarkollektoren möglich ist. Bei der Wahl der verwendeten
Phasenwechselmaterialien ist darauf zu achten, dass der Schmelztemperaturbereich
im Bereich der vorstehend genannten Vorlauftemperaturen liegt, um den
gewünschten Wärmespeichereffekt zu erzielen.
Die niedrigen Vorlauftemperaturen sind vor allem im Hinblick auf den Verlauf der
Wirkungsgradkennlinie eines üblichen Solarkollektors von Bedeutung, da der
Wirkungsgrad derartiger Kollektoren mit zunehmender Temperatur abnimmt. Die
Wirkungsgradabnahme ist bei luftbetriebenen Solarkollektoren stärker ausgeprägt als
bei Wasserkollektoren.
Durch die erfindungsgemäße Kombination aus Phasenwechselmaterialien mit einem
Wandelement, wie es in Fig. 1 ausgeführt ist, ergeben sich für den Einsatz von
Solarluftkollektoren zur Gebäudeheizung insbesondere in Niedrigenergie- bzw.
Passivhäusern völlig neue Perspektiven, da Luft aufgrund ihrer niedrigen
Wärmekapazität schlecht als Speichermedium einsetzbar ist. Durch die Verwendung
von PCM wird daher einer der Nachteile von Solar-Luft-Kollektorsystemen
umgangen. Die Wärmespeicherung findet hier "vor Ort" statt, nämlich unmittelbar in
der direkt zu erwärmenden Wand, wodurch zusätzliche Wärmetauscher zwischen
Speicher und Heizkreis entfallen. Bei Durchströmung des Heizelementes mit warmer
Luft wird dieses erwärmt, wodurch die Schmelztemperatur des mikrogekapselten
PCM's erreicht wird und isotherm Wärme gespeichert werden kann. Die
Mikrokapselung des PCM's, beispielsweise von Paraffin, dient insbesondere der
Vermeidung des Abfließens von Paraffin im geschmolzenen Zustand. Gekapselt
kann das PCM, unabhängig von seiner momentanen Phase, in herkömmliche
Baumaterialien integriert werden. Im Gegensatz zu konventionellen thermischen
Speichersystemen, bei denen die gespeicherte Wärme durch die Wärmekapazität
des Speichermediums sowie einen für die Erwärmung des Speichermediums
erforderlichen Temperaturhub bestimmt ist, bedarf es bei der Verwendung von
PCM's keiner erhöhter Temperatur, um eine bestimmte Wärmemenge in den PCM's
zu speichern; eine Eigenschaft, die dem oben erwähnten Wirkungsgradverlauf von
Solarkollektoren entgegenkommt.
Wird der Warmluftstrom durch das Kanalsystem 3 unterbrochen, oder erlischt die
Wärmezufuhr aufgrund der untergegangenen Sonne am Abend, die tagsüber die
Oberfläche des Wandelementes erwärmt hat, gibt das erfindungsgemäß
ausgebildete Wandelement 2 die gespeicherte Energie isotherm, also bei einer
konstanten Temperatur wieder an die Umgebung, und hier insbesondere an das
Mauerwerk ab.
Die in das Wandelement 2 eingearbeiteten mikrogekapselten
Phasenwechselmaterialien sind grundsätzlich im gesamten Volumen des
Wandelementes 2 homogen verteilt. In bestimmten Anwendungsfällen reicht es
jedoch aus, dass insbesondere an den, dem Stoffstrom unmittelbar zugewandten
Kanaloberflächen die PCM's angebracht sind. Siehe hierzu Detaildarstellung gemäß
Fig. 1.
Da konventionelle Keramikwerkstoffe bei ihrer Herstellung gebrannt werden müssen,
die Hülle des mikroverkapselten PCM aber aus Polymeren mit deutlich niedrigeren
Grenztemperaturen besteht, kann ein in Fig. 1 ausgebildetes Wandelement nicht aus
derartigen Keramikwerkstoffen hergestellt werden. Vielmehr bieten sich für die
Materialwahl für das Wandelement Gießkeramiken an, die bei Raumtemperatur
aushärten, aber dennoch hohen Temperaturen widerstehen und in die sich auch
mikroverkapselte PCM's einrühren lassen.
Grundsätzlich sind jedoch auch alternative erstarrungsfähige Materialien wie Beton,
Kunstharze oder ähnliche Materialien in Verbindung mit den mikroverkapselten
PCM's einsetzbar. Selbstverständlich können auch die mikroverkapselten PCM's
durch andere bekannte PCM's ersetzt werden, sofern es möglich ist, diese in eine
Matrix einzuarbeiten oder homogen verteilt in eine der vorstehend genannten
erstarrungsfähigen Massen einzubinden.
Das in Fig. 1 dargestellte, als Hypokaustenelement ausgebildete Wandelement, kann
modular ausgebildet sein und in Art eines Baukastensystems zum Errichten
großflächiger Wandflächen verwendet werden. So ist beispielsweise ein System
vorstellbar, das aus durchströmbaren Einzelwandteilen besteht, die sich zu einer
kompletten vorgesetzten oder selbsttragenden Wand, gegebenenfalls mit integrierter
Wärmedämmung, aufmauern lassen. Dieses modulare Konzept führt zu einer hohen
Flexibilität, weil sich eine Wandflächenheizung individuell dimensionieren läßt. Auch
sind derartige Wandelemente in Kombination mit Kachelöfen denkbar.
Ferner ist es auch möglich, das vorstehend beschriebene Bauteil als Kühlelement
einzusetzen, wobei sich die Wirkungsweise eines derartigen Flächenelementes
umkehrt. Temperaturspitzen innerhalb eines Raumes, beispielsweise in den
Sommermonaten, können durch Einsatz derartiger Wandelemente vermieden
werden, in dem zunächst die Wand isotherm aufgeheizt wird. Diese Wärme kann
dann später über das Kanalsystem abgeführt werden, so dass die Wände regeneriert
werden und wieder neue Überschusswärme aufnehmen können.
1
Mauerwerk
2
Wandelement, Hypokaustenelement
3
Kanalsystem
4
Mikrogekapselte PCM
Claims (8)
1. Aktives thermisches Bauelement, das wenigstens einen Oberflächenbereich
vorsieht, über den das Bauelement durch thermische Kopplung mit einem Stoffstrom
erwärmbar oder abkühlbar ist und der Materialbereiche aufweist, in denen
wenigstens ein Phasenwechselmaterial vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement als Wandflächenteil in Form eines Hypokaustenelements ausgebildet ist und eine innere Kanalstruktur einschließt, durch die der Stoffstrom führbar ist,
dass die innere Kanalstruktur durch die Materialbereiche begrenzt ist, in denen das Phasenwechselmaterial in gekapselter Form enthalten ist, sodass ein wenigstens nahezu unmittelbarer Kontakt zwischen dem Stoffstrom und dem Phasenwechselmaterial stattfindet,
und dass das Wandflächenteil zwei Oberflächen aufweist, von denen die eine Oberfläche der freien Umgebung zugewandt ist und die andere Oberfläche mit einer Trägerstruktur verbunden ist.
dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement als Wandflächenteil in Form eines Hypokaustenelements ausgebildet ist und eine innere Kanalstruktur einschließt, durch die der Stoffstrom führbar ist,
dass die innere Kanalstruktur durch die Materialbereiche begrenzt ist, in denen das Phasenwechselmaterial in gekapselter Form enthalten ist, sodass ein wenigstens nahezu unmittelbarer Kontakt zwischen dem Stoffstrom und dem Phasenwechselmaterial stattfindet,
und dass das Wandflächenteil zwei Oberflächen aufweist, von denen die eine Oberfläche der freien Umgebung zugewandt ist und die andere Oberfläche mit einer Trägerstruktur verbunden ist.
2. Aktives thermisches Bauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass als Phasenwechselmaterial Paraffin verwendbar ist.
3. Aktives thermisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial in einer Polymerhülle
gekapselt ist.
4. Aktives thermisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffstrom eine Flüssigkeit, vorzugsweise
Wasser oder ein Wassergemisch, oder ein Gas, vorzugsweise Luft, ist.
5. Aktives thermisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Hypokaustenelement aus einer Gießkeramik
oder einem alternativen erstarrungsfähigen Material, wie Beton, Kunststoffharz o. ä.,
gefertigt ist.
6. Aktives thermisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial in dem
Hypokaustenelement in einer gut wärmeleitfähigen Matrix eingebettet ist.
7. Aktives thermisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur ein Mauerwerk oder ein
Solarkollektor ist.
8. Aktives thermisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wandflächenteil modular ausgebildet ist, so
dass eine Vielzahl einzelner Wandflächenteile in Art eines Baukastensystems zu
einer großflächigen Wandverschalung oder zu einer selbsttragenden Wand
zusammensetzbar ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R084 | Declaration of willingness to licence | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |