BINE: Wärmeverteilung mit PCM-Slurries planen

Mit Paraffin-Wasser-Gemischen heizen und kühlen

Für den Wärmeträger Wasser in Fernwärmenetzen und gebäudetechnischen Anlagen gibt es eine Alternative: Fluide aus einem Paraffin-Wasser-Gemisch. Diese bieten in einem engen Temperaturbereich theoretisch höhere Wärmekapazitäten als Wasser. Bislang fehlen aber Berechnungen und Erfahrungen für einen Einsatz in der Praxis. Das BINE-Projektinfo „Wärmeverteilung mit Slurries planen“ (18/2015) präsentiert Ergebnisse von grundlegenden Messungen und Simulationen mit den neuen Wärmeträgern. Damit lassen sich die Gemische jetzt besser charakterisieren und mögliche Einsatzgebiete werden deutlicher.

[note Paraffin-Wasser-Dispersionen können Wärme oder Kälte mit einer hohen Energiedichte transportieren. PCM-Fluide lassen sich durch eine veränderte Zusammensetzung speziell auf die Anforderungen des jeweiligen Einsatzbereichs anpassen. Damit bieten sich ihnen Anwendungsmöglichkeiten in einem Temperaturbereich zwischen minus 20 und plus 110 °C. Foto © RWTH Aachen: E.ON Energieforschungszentrum]

In Heizungen und in Kühlsystemen zirkuliert für den Wärmetransport meist Wasser. Für spezielle Anwendungen könnten Dispersionen aus Paraffin und Wasser diese Aufgabe effizienter erfüllen. Die sogenannten Slurries erreichen in einem engen Temperaturbereich hohe Wärmekapazitäten. Wissenschaftler der RWTH Aachen bilden das komplexe Verhalten der Fluide in hydraulischen Netzen nach. Mit neuen Simulationsmodellen untersuchen sie die Einsatzmöglichkeiten – von der Fußbodenheizung im Einfamilienhaus bis hin zum Fernwärmenetz.

Die Forscher haben den Einsatz der PCM-Fluide (Phase Changing Materials) für ein Fernwärmenetz, ein Einfamilienhaus mit Fußbodenheizung, eine Kühldecke sowie eine thermische Solaranlage und eine Wärmepumpenheizung simuliert, berechnet und die Fluide experimentell erprobt. In die Bewertungen flossen nicht nur die höheren Wärmekapazitäten gegenüber Wasser ein. Auch Faktoren wie die Auswirkungen auf die Pumpenleistung, die Vor- und Rücklauftemperaturen, die Wärmeverluste und die exergetische Effizienz spielten eine Rolle. Die Untersuchungen zeigten, unter welchen Randbedingungen PCM-Fluide an ihre Grenzen stoßen und wo sie Perspektiven bieten. Als aussichtsreiche Anwendungsgebiete erwiesen sich Anwendungen in einer Kühldecke sowie in einem Fernwärmenetz. PCM nutzen die latente Wärme, die frei wird, wenn ein Material den Aggregatszustand (z. B. fest ? flüssig) wechselt.

Wenn Paraffin über den Schmelzpunkt hinaus erwärmt wird, nimmt es für die Verflüssigung Wärme auf und gibt sie beim Erstarren wieder ab. Diese latente Wärmespeicherung nutzen Dispersionen aus fein verteiltem Paraffin in Wasser. In einem engen Temperaturbereich um den Schmelzpunkt übertreffen die Slurries dadurch die Wärmekapazität von Wasser um mehr als das doppelte. Theoretisch eignen sich Paraffine, je nach chemischer Zusammensetzung, für Tiefkühltemperaturen von minus 20 bis hin zu etwa 110°C. Bisher werden die Fluide kaum für den Wärmetransport genutzt. So sind bisher auch nur wenige langzeitstabile Produkte verfügbar und weitgehend fehlen auch Erfahrungen und Berechnungsmethoden für den praktischen Einsatz. In experimentellen und theoretischen Forschungsarbeiten haben Forscher der RWTH Aachen und des Fraunhofer Instituts für Umwelt-, Sicherheits und Energietechnik (UMSICHT) die Grundlagen für den praktischen Einsatz deutlich verbessert. Mit neuen Versuchsapparaturen und Methoden lassen sich die Dispersionen jetzt besser charakterisieren. Auch bei der Herstellung temperaturstabiler Fluide erzielten die Wissenschaftler Fortschritte. Die hier vorgestellten Simulationen der Aachener Forscher beantworteten die Frage, bei welchen konkreten Energiesystemen sich ein Einsatz lohnen könnte. Als aussichtsreiche Kandidaten erwiesen sich Kühlanwendungen und insbesondere Fernwärmesysteme.

Wärmenetze

Als aussichtsreich erwiesen sich die Einsatzmöglichkeiten der Paraffin-Wasser-Dispersion in Fernwärmenetzen. Dies zeigte sich exemplarisch am Fernwärmenetz des Campus Melaten, das die Forscher in Simulationen nachbildeten. Der Campus der RWTH Aachen umfasst etwa 193.000 m2 Gebäudefläche. Ein Heizwerk im Norden des Campus versorgt die Gebäude mit Wärme. Es beliefert darüber hinaus weitere Verbraucher, wie zum Beispiel Laborbereiche und die Wäscherei des Universitätsklinikums. Mehrere Gaskessel leisten je nach Last bis zu 90 MW. Das sechs Kilometer lange Fernwärmenetz bindet die Abnehmer über zwei verschiedene hydraulische Kreise an das Heizkraftwerk an. Pumpen erzeugen einen maximalen Volumenstrom von 1.000 m3/h Wasser. Die Simulationen erfassen nur das Teilnetz, das die Raumheizungen und die Labore versorgt. Die Temperaturen in diesem Kreis betragen zwischen 90 und 130°C. Der zweite, nicht simulierte Kreis liefert mit einer konstanten Vorlauftemperatur Wärme an das Uniklinikum Aachen. In der Simulation ist der Wärmeverbrauch von jedem Gebäude, abhängig von Umgebungstemperatur, Gebäudetyp und Gebäudegröße, als Tabelle erfasst. Den hydraulischen Kreis des Fernwärmenetzes modellierten die Wissenschaftler mit Übergabestationen, sodass die Wärme- und Druckverluste im Netzwerk berechnet werden können. Das komplette System wird durch eine Druckdifferenz an den Enden des Netzwerkes geregelt. Der absolute Druckverlust des Systems wird mithilfe von Pumpen bei konstant 2 bar gehalten. Mit diesen Vorgaben simulierten die Forscher das Netzwerk sowohl für die Paraffin-Wasser-Dispersion als auch für Wasser. Gegenüber dem realen Fernwärmenetz reduzierten sie aber den Temperaturbereich, da sonst die maximal mögliche Phasenwechseltemperatur des Paraffins überschritten würde. Als Schmelzpunkt für die Paraffin-Wasser-Dispersion wählten sie eine Temperatur von 70°C.

In diesem Forschungsprojekt haben das E.ON-Energieforschungszentrum der RWTH Aachen und das Institut Fraunhofer UMSICHT kooperiert.

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