DE19929861A1 - Laminate system useful for hot and cold storage systems, contains a phase change material absorbed in a porous carrier material, e.g. mechanically stable granulate, easily incorporated into building material and encapsulated in an envelope - Google Patents

Laminate system useful for hot and cold storage systems, contains a phase change material absorbed in a porous carrier material, e.g. mechanically stable granulate, easily incorporated into building material and encapsulated in an envelope

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Abstract

Surprisingly, phase change materials (PCM) can be largely absorbed in a porous carrier material, preferably light aggregate material, and can be held permanently in the carrier material when this is encapsulated in an envelope. Phase change materials (PCM) can be largely absorbed in a porous carrier material, preferably light aggregate material, and can be held permanently in the carrier material when this is contained in an envelope. A laminate system for hot or cold storage comprising one or more PCM in the pores of a porous carrier material is new. The carrier material is an open pore, foam- or sponge-like, or water absorbing, partially or completely filled mainly with mineral material, together with an organic or inorganic fused storage material. The laminate system has an envelope of organic or inorganic material, and the PCM is permanently enveloped. Independent claims are included for: (1) preparation of a laminate system in which the PCM is introduced in liquid form into the carrier material by vacuum impregnation, the carrier material is evacuated, and is combined with the liquid PCM in a container, so that the liquid PCM is absorbed into the carrier material; (2) an enveloping material comprising one or more of: a hydraulic binder, water glass, silicate, silicone, starch, resin, teflon, epoxy resin, or combinations of these.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Speicherung von Wärme oder Kälte nach Anspruch 1, das von einer Umhüllung eingeschlossen ist.The invention relates to a system for storing heat or cold according to claim 1, that is enclosed in an envelope.

Durch die zeitliche Entkopplung von Energieangebot und -nachfrage, ist die Technologie der Speicherung thermischer Energie sehr wichtig. Vor allem durch die Anwendung von periodisch zur Verfügung stehenden Energiequellen, wie z. B. der Sonnenenergie kann einerseits Energie eingespart werden, und andererseits ein wirtschaftlicher Vorteil erzielt werden.Due to the temporal decoupling of energy supply and demand, the technology is the Storage of thermal energy very important. Especially by using periodically available energy sources, such as B. the solar energy can saving energy on the one hand, and achieving an economic advantage on the other become.

Es ist bekannt, daß zur Speicherung von Wärme oder Kälte Phasenübergänge mit einer Wärmetönung teilweise auch zusammen mit chemischen Reaktionen verwandt werden können. In Frage kommen Materialien mit fest/fest, oder flüssig/fest Phasenübergängen. Sehr häufig werden Stoffe mit dem Phasenübergang fest/flüssig - meist als PCM (phase change material) bezeichnet - vorgeschlagen, so z. B. Wasser zur Kältspeicherung.It is known that phase transitions with a for storing heat or cold Heat tone can also be used in part together with chemical reactions can. Materials with solid / solid, or liquid / solid phase transitions come into question. Very substances with the phase transition often become solid / liquid - mostly as PCM (phase change material) - proposed, so z. B. Water for cold storage.

Die meisten Anwendungen für PCMs liegen im Temperaturbereich von -25 bis 150°C.Most applications for PCMs are in the temperature range from -25 to 150 ° C.

Bei diesen Energiespeichermöglichkeiten ergeben sich aber eine oder mehrere der folgenden technischen Schwierigkeiten, die überwunden werden müssen: Trennung von Komponenten, Agglomeration, geringe thermische Leitfähigkeit, Unterkühlung beim Phasenübergang, schlechte Integrationlösungen in Produktionsprozesse.With these energy storage options, however, one or more of the following arise technical difficulties that must be overcome: separation of components, Agglomeration, low thermal conductivity, hypothermia during phase transition, poor integration solutions in production processes.

Es ist bekannt, daß PCMs für fest-flüssig Phasenübergänge in Matrizen aus verschiedenen Materialien eingebracht werden können. So wurde z. B. vorgeschlagen, PCM als Speicher in eine nicht gehärtete Polymermatrix einzubauen (US 4 003 426). Wie in dem Patent angegeben, ist diese Methode aber nur bei solchen Speichermaterialien für thermische Energie brauchbar, die stabile Dispersionen mit den nicht gehärteten Polymeren ergeben, was lediglich für einige wenige Stoffe möglich ist. It is known that PCMs for solid-liquid phase transitions in matrices from different Materials can be introduced. So z. B. suggested using PCM as memory to incorporate an uncured polymer matrix (US 4,003,426). As in the patent specified, this method is only for such storage materials for thermal Energy usable, the stable dispersions with the uncured polymers give what is only possible for a few substances.  

Ebenso ist bekannt, PCM in expandierten Graphit einzuschließen (WO 98/04644). Solche Verbindungen garantieren allerdings keinen dauerhaften Einschluß der PCM und sind mechanisch weich. Des weiteren ist die Verarbeitung von Graphit bei Baumaterialien aufgrund der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften nicht unproblematisch, und die resultierenden Materialien weisen die typische schwarze Graphitfarbe auf, was häufig nicht erwünscht ist.It is also known to include PCM in expanded graphite (WO 98/04644). Such However, connections do not guarantee permanent inclusion of the PCM and are mechanically soft. Furthermore, the processing of graphite is due to building materials the different mechanical properties are not without problems, and the resulting materials have the typical black graphite color, which is often not is desired.

Wie man aus diesen Beispielen sieht, ist es schwierig, mit herkömmlichen Mitteln, für eine bestimmte Anwendung, insbesondere im Baubereich, ein geeignetes Speicherverbundmaterial bereitzustellen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 16.As can be seen from these examples, it is difficult, by conventional means, for one specific application, especially in the construction sector, a suitable storage composite material to provide. This object is achieved by the features of claims 1 to 16.

Es wurde überraschend festgestellt, daß in porösen Trägermaterialien, vorzugsweise granularen Leichtzuschlagstoffen PCM in hohem Umfang aufgenommen werden kann. Zudem können die PCM dauerhaft eingeschlossen werden, wenn man das Trägermaterial mit einer Umhüllung umgibt. So entstehende Granulate können mit den bestehenden Techniken auf einfache Weise in Baustoffe und andere Materialien integriert werden. Sie weisen gegenüber allen anderen bekannten Stoffen eine hohe mechanische Stabilität und deutliche verfahrenstechnische Vorteile auf. Überdies trägt die Matrix selbst zur Keimbildung bei der Phasenumwandlung und verhindert damit eine Unterkühlung des PCM.It has surprisingly been found that in porous support materials, preferably granular light aggregates PCM can be absorbed to a large extent. In addition, the PCM can be permanently enclosed if the carrier material is included surrounds an envelope. The resulting granules can be processed using existing techniques can be easily integrated into building materials and other materials. You point compared to all other known substances, high mechanical stability and clear procedural advantages. In addition, the matrix itself contributes to nucleation Phase change and thus prevents hypothermia of the PCM.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das hier beschriebene Speicherverbundmaterial preiswert, ökologisch und leicht herstellbar ist.Another advantage of the invention is that the one described here Storage composite material is inexpensive, ecological and easy to manufacture.

Um eine wirtschaftlich sinnvolle Wärme- bzw. Kältespeicherung sicherzustellen muß entsprechend viel PCM in das Trägermaterial eingebracht werden. Die Herstellungsverfahren für derartige Speicherverbundmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung stellen diese hohe Beladung mit PCM sicher. Es sind typische Beladungen von 40-80 Gewichtsprozent möglich.To ensure economically sensible heat or cold storage a corresponding amount of PCM can be introduced into the carrier material. The manufacturing process for such composite memory materials according to the present invention, these high load with PCM safe. Typical loads are 40-80 percent by weight possible.

Zur Beladung genügt bei offenporigen Materialien eine Lagerung in der flüssigen PCM-Phase um das Eindringen des PCM zu erreichen. Beschleunigt werden kann dies noch durch das Anlegen von erhöhten Temperaturen und/oder das Anlegen eines Vakuums an Trägermaterial und PCM. In jedem Fall dürfen sowohl Trägermaterial, als auch PCM nicht über den Verdampfungspunkt des PCM erhitzt werden, um dessen Verflüchtigung zu verhindern. For open-pore materials, storage in the liquid PCM phase is sufficient for loading to achieve the intrusion of the PCM. This can be accelerated by the Applying elevated temperatures and / or applying a vacuum to the carrier material and PCM. In any case, both the carrier material and the PCM must not exceed the Evaporation point of the PCM are heated to prevent its volatilization.  

Die Verbindung zwischen Trägermaterial und PCM muß dauerhaft gestaltet werden. Aus diesem Grund ist die Umhüllung des infiltrierten Granulats gemäß der vorliegenden Erfindung ein weiterer wichtiger Aspekt. Eine dauerhafte Integration des PCM kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden, beispielsweise durch eine nachträgliche Umhüllung der PCM-gefüllten Trägermaterialien mit einer Kunststoffschicht, wie Teflon. Ebenso sind hydraulische Bindemittel, Wasserglas, Harze, Silikate oder Silikone zu diesem Zweck möglich. Es kann vorkommen, daß sich bei der Umhüllung keine geschlossene Schicht ausbildet, sondern daß die Hüllmaterialien lediglich diejenigen Poren des Trägermaterials verstopfen aus denen das PCM ansonsten herausfließen würde. Dies ist eine technisch akzeptable Lösung. Weiterhin ist es möglich, daß auf eine gesonderte Umhüllung nach der PCM-Beladung von Granulaten verzichtet werden kann, und die Umhüllung des Speicherverbundsystems durch den Materialverbund gebildet wird, in das das Speicherverbundsystem eingebettet wird. Hierbei kann es teilweise zu einer Wechselwirkung des PCM-Materials mit der umgebenden Matrix, z. B. Gips, kommen. Es ist daher bei der Auswahl der Einbettmaterialien sicherzustellen, daß keine chemischen Reaktionen mit dem PCM stattfinden. Ein rein physikalisches Aufsaugen des PCM durch das das Granulat umgebende Material ist hingegen weitgehend unschädlich für die Wärme- bzw. Kältespeicherung und kann daher ebenfalls als dauerhafte Integrationsmethode angesehen werden.The connection between the carrier material and the PCM must be made permanent. Out for this reason the coating of the infiltrated granules is according to the present one Invention another important aspect. Permanent integration of the PCM can be achieved through Various measures can be achieved, for example by a subsequent one Covering the PCM-filled carrier materials with a plastic layer, such as Teflon. Hydraulic binders, water glass, resins, silicates or silicones are also included Purpose possible. It can happen that there is no closed layer during the wrapping trains, but that the shell materials only those pores of the carrier material block from which the PCM would otherwise flow out. This is a technical one acceptable solution. Furthermore, it is possible that after a separate wrapping PCM loading of granules can be dispensed with, and the wrapping of the Storage composite system is formed by the composite material in which the Storage system is embedded. This can sometimes lead to an interaction of the PCM material with the surrounding matrix, e.g. B. gypsum. It is therefore with the Selection of investment materials to ensure that no chemical reactions with the PCM take place. A purely physical suction of the PCM through the granules surrounding material, on the other hand, is largely harmless to the heat or Cold storage and can therefore also be viewed as a permanent integration method become.

Neben der Integration in Granulate, z. B. Leichtzuschlagstoffe, kann auch ein Einschluß der PCM in andere anorganisch nichtmetallische Materialien erfolgen, wie z. B. in Porenbeton, Ziegel, Keramiken. Hier kann bei der Befüllung und Umhüllung mit den gleichen Verfahren gearbeitet werden. Dabei können größere Einheiten mit einer Dimension bis zu mehreren IOcm erreicht werden. Es können beispielsweise Steine mit PCM getränkt und anschließend mit einem Bindemittel umhüllt werden.In addition to integration in granules, e.g. B. light aggregates, can also include the PCM in other inorganic non-metallic materials, such as. B. in aerated concrete, Bricks, ceramics. Here you can fill and wrap using the same procedure be worked. Larger units with one dimension up to several IOcm can be achieved. For example, stones can be impregnated with PCM and then be covered with a binder.

Als PCM selbst kommen alle Materialien in Frage, die im Temperaturbereich von -25°C bis 150°C einen Phasenübergang aufweisen. Für Baumaterialien ist dieser Phasenübergang vorzugsweise im Bereich von 10°C bis 30°C, für einzelne Anwendungen, z. B. in der Solarenergienutzung, kann sich der Temperaturbereich auch bis 100°C erstrecken.All materials in the temperature range from -25 ° C to are suitable as PCM itself 150 ° C have a phase transition. This is a phase transition for building materials preferably in the range of 10 ° C to 30 ° C, for individual applications, e.g. B. in the Use of solar energy, the temperature range can also extend up to 100 ° C.

Die Materialien, die für die Anwendungen in Frage kommen sind PCMs aus einem Gemisch, insbesondere aus einem eutektischen oder kongruent schmelzenden Gemisch einer oder mehrere der folgenden Komponenten:
The materials that are suitable for the applications are PCMs made from a mixture, in particular from a eutectic or congruently melting mixture of one or more of the following components:

PCM können des weiteren aus eutektischen oder kongruent schmelzenden Gemisch einer oder mehrerer der folgenden Komponenten bestehen: Paraffine, Fettsäuren, Oligomere, Glykole, Alkohole, Caprylsäure.PCM can also be made from a mixture of eutectic or congruent melting several of the following components exist: paraffins, fatty acids, oligomers, glycols, Alcohols, caprylic acid.

Chlathrate bildende Substanzen sind ebenfalls denkbar.Chlathrate-forming substances are also conceivable.

Beispielexample

Das folgende Beispiel zeigt einen Versuch mit Paraffin als PCM. Paraffin hat als Wärmespeichermittel viele Vorteile, wie insbesondere eine hohe Speicherdichte, jedoch auch Nachteile, wie das schwierige Handling bei der Einbringung und der Stabilität des Paraffin in Baumaterialien.The following example shows an experiment with paraffin as PCM. Paraffin has as Heat storage medium has many advantages, such as high storage density in particular Disadvantages, such as the difficult handling when inserting and the stability of the paraffin in Construction materials.

Wie im Folgenden aufgezeigt wird, kann dieser Nachteile durch die Erfindung vermieden bzw. entscheidend gemildert werden. As will be shown below, these disadvantages can be avoided by the invention or be mitigated decisively.  

Beispiel 1example 1

Es wurden Blähtongranulate mit einer Korngröße von 4-8 mm in 100°C heißem Paraffin über einen Zeitraum von 1 Stunde eingekocht und dadurch mit PCM befüllt. Die Beladung mit Paraffin wurde mit 70 Gewichts-% ermittelt.Expanded clay granules with a grain size of 4-8 mm in 100 ° C hot paraffin were over boiled for a period of 1 hour and thereby filled with PCM. The loading with Paraffin was found to be 70% by weight.

Nach der Erstarrung des Paraffin im Granulat wird Teflon als Umhüllung auf das Speicherverbundsystem aufgebracht und getrocknet.After the paraffin has solidified in the granulate, Teflon is used as a coating on the Storage system applied and dried.

Der Verbund wurde mehre Male im Wechsel über die Schmelztemperatur des PCM von 24°C erhitzt und wieder unter die Schmelztemperatur auf 7°C abgekühlt. Auch nach mehrmaligen vollständigen Schmelz- und Erstarrungsvorgängen konnte kein negativer Einfluß auf die Stabilität des Speicherverbundsystems festgestellt werden.The bond was alternated several times over the melting temperature of the PCM of 24 ° C heated and cooled again below the melting temperature to 7 ° C. Even after repeated complete melting and solidification processes could not have a negative impact on the Stability of the storage system can be determined.

Claims (16)

1. Speicherverbundsystem zur Wärme- oder Kältespeicherung, bestehend aus einem ein oder mehrere Phasenübergänge durchlaufenden Schmelzwärmespeichermaterial (PCM) in den Poren eines porösen Trägermaterials, dadurch gekennzeichnet, daß offenporige, schaum- oder schwammartige oder flüssigkeitsaufnehmende vorwiegend mineralische Trägermaterialien mit einem organischen oder anorganischen Schmelzspeichermaterial ganz oder teilweise gefüllt und das Speicherverbundmaterial mit organischen oder anorganischen Materialien umhüllt ist und daß die PCM dauerhaft eingeschlossen sind.1. Storage system for heat or cold storage, consisting of one or more phase transitions melting heat storage material (PCM) in the pores of a porous support material, characterized in that open-pore, foam or sponge-like or liquid-absorbing predominantly mineral support materials with an organic or inorganic melt storage material entirely or partially filled and the storage composite material is coated with organic or inorganic materials and that the PCM are permanently enclosed. 2. Speicherverbundsysteme nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermaterialien in Granulatform vorzugsweise mit Teilchengrößen von 0,5 mm bis 15 mm vorliegen.2. Storage system according to claim 1), characterized in that the Carrier materials in granular form, preferably with particle sizes from 0.5 mm to 15 mm available. 3. Speicherverbundsysteme nach den Ansprüchen 1) oder 2), dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien Leichtzuschlagstoffe, wie Blähtone, Bims, Blähschiefer, Perlite, Blähglas, Kesselsande, Flugaschen oder Hydrokultursubstrate sind.3. Storage system according to claims 1) or 2), characterized in that the Materials light aggregates, such as expanded clay, pumice, expanded slate, perlite, expanded glass, Boiler sands, fly ash or hydroponic substrates are. 4. Speicherverbundsysteme nach den Ansprüche 2) und/oder 3), dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung der mit PCM beaufschlagten Trägermaterialien mit einer dünnen Schicht um die Granulatkörner erfolgt.4. Storage system according to claims 2) and / or 3), characterized in that encapsulate the carrier materials loaded with PCM with a thin layer the granules are done. 5. Speicherverbundsysteme nach einem oder mehreren der Ansprüche 1) bis 4), dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung der mit PCM beaufschlagten Trägermaterialien durch das Material oder den Materialverbund gebildet wird, in das die granularen Speicherverbundsysteme eingebettet werden.5. Storage system according to one or more of claims 1) to 4), characterized characterized in that the coating of the carrier materials loaded with PCM by the Material or the composite material is formed, in which the granular Storage network systems are embedded. 6. Speicherverbundmaterial nach Anspruch 1), insbesondere in Zusammenhang mit einem Trägermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das PCM einen oder mehrere Phasenübergänge flüssig-fest, fest-flüssig und/oder fest-fest im Temperaturbereich von -25 Grad Celsius bis 150 Grad Celsius aufweist. 6. composite memory material according to claim 1), in particular in connection with a Support material according to one of the preceding claims, characterized in that the PCM one or more phase transitions liquid-solid, solid-liquid and / or solid-solid in the temperature range from -25 degrees Celsius to 150 degrees Celsius.   7. Speicherverbundmaterial nach Anspruch 6), dadurch gekennzeichnet, daß das PCM aus einem Gemisch, insbesondere aus einem eutektischen oder kongruent schmelzenden Gemisch einer oder mehrere der folgenden Komponenten besteht:
7. Storage composite material according to claim 6), characterized in that the PCM consists of a mixture, in particular a eutectic or congruently melting mixture, of one or more of the following components:
8. Speicherverbundmaterial nach Anspruch 6), dadurch gekennzeichnet, daß das PCM aus einem eutektischen oder kongruent schmelzenden Gemisch einer oder mehrerer der folgenden Komponenten besteht: Paraffine, Fettsäuren, Oligomere, Glykole, Alkohole, Caprylsäure.8. composite memory material according to claim 6), characterized in that the PCM a eutectic or congruently melting mixture of one or more of the following Components consist: paraffins, fatty acids, oligomers, glycols, alcohols, caprylic acid. 9. Speicherverbundmaterial nach Anspruch 6), dadurch gekennzeichnet, daß das PCM ein Chlathrate bildende Substanz ist.9. composite memory material according to claim 6), characterized in that the PCM Chlathrate-forming substance. 10. Verfahren zur Herstellung eines Speicherverbundmaterials nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das PCM in flüssiger Form durch Vakuumimprägnierung in ein Trägermaterial eingebracht wird, in dem das Trägermaterial evakuiert und in evakuiertem Zustand mit einem Behälter mit dem flüssigen PCM verbunden wird, so daß das flüssige PCM in das Trägermaterial gesaugt wird.10. A method for producing a composite memory material according to one of the preceding Claims, characterized in that the PCM in liquid form Vacuum impregnation is introduced into a carrier material in which the carrier material evacuated and in an evacuated state connected to a container with the liquid PCM is so that the liquid PCM is sucked into the carrier material. 11. Verfahren zur Herstellung eines Speicherverbundsystems nach Anspruch 1) bis 9) dadurch gekennzeichnet, daß das PCM und /oder das Trägermaterial vor, während oder nach der Imprägnierung über die Schmelztemperatur bis maximal zur Verdampfungstemperatur des PCM erwärmt wird.11. A method for producing a storage system according to claim 1) to 9) characterized in that the PCM and / or the carrier material before, during or after  the impregnation above the melting temperature up to the evaporation temperature of the PCM is heated. 12. Verfahren zur Herstellung eines Speicherverbundmaterials nach Anspruch 1) bis 9), dadurch gekennzeichnet, daß das PCM in flüssiger Form erhitzt und das Trägermaterial darin eingetaucht eine gewisse Zeit verbleibt, bis das flüssige PCM in das Trägermaterial eingedrungen ist.12. A method for producing a composite storage material according to claim 1) to 9), characterized in that the PCM is heated in liquid form and the carrier material therein immersed for a period of time until the liquid PCM remains in the carrier material has penetrated. 13. Verfahren nach Anspruch 10) und 12), dadurch gekennzeichnet daß das PCM während der Imprägnierung siedet.13. The method according to claim 10) and 12), characterized in that the PCM during the impregnation boils. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10) bis 13), dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige PCM und das darin eingetauchte Trägermaterial gemeinsam erhitzt werden.14. The method according to any one of claims 10) to 13), characterized in that the liquid PCM and the substrate immersed in it are heated together. 15. Hüllmaterial, nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer oder mehrer der folgenden Komponenten oder einer Verbindung besteht:
Hydraulische Bindemittel, Wasserglas, Silikat, Silikon, Stärke, Harze, Teflon, Epoxydharze und Kunststoffe.15. Envelope material according to claim 1), characterized in that it consists of one or more of the following components or a compound:
Hydraulic binders, water glass, silicate, silicone, starch, resins, Teflon, epoxy resins and plastics. 16. Verfahren zur Umhüllung des Speicherverbundmaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllmaterial durch Sprühen, Tauchen, Bedampfen, Bestreichen oder Benetzen aufgebracht wird.16. A method for encasing the composite storage material according to one of the preceding Claims, characterized in that the wrapping material by spraying, dipping, Steaming, brushing or wetting is applied.
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