DE10019931C1

DE10019931C1 - Aktives thermisches Bauelement

Info

Publication number: DE10019931C1
Application number: DE10019931A
Authority: DE
Inventors: Michael Hermann; Peter Schossig; Carsten Hindenburg; Hans-Martin Henning
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2001-11-08
Anticipated expiration: 2020-04-21

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

Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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.

Darstellung der Erfindung

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.

Kurze Beschreibung der Erfindung

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.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

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.

Bezugszeichenliste

1

Mauerwerk

2

Wandelement, Hypokaustenelement

3

Kanalsystem

4

Mikrogekapselte PCM

Claims

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.

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.