Thermische Energiespeicher in der Gebäudetechnik: Sensible Speicher, Latente Speicher, Systemintegration (German Edition)

Vorwort
Danksagung
Inhaltsverzeichnis
1: Einleitung
	1.1	 Primärenergie – Nutzenergiebedarf
	1.2	 Wärmebedarf der Gebäude in Deutschland
	1.3	 Thermische Energiespeicherung
	1.4	 Energiebedarf und Angebot erneuerbarer Energie
	1.5	 Wärmeerzeugung in Kombination mit einem Speicher
	1.6	 Historische Entwicklung von thermischen Speichern
		1.6.1	 Wärmespeicherung
		1.6.2	 Kühlung und Eisspeicher
	1.7	 Thermische Speicher – System und Funktion
	1.8	 Thermische sensible Speicher im Gebäude und Quartier
		1.8.1	 Warmwasserspeicher
		1.8.2	 Feststoffwärmespeicher
		1.8.3	 Erdgebundene Wärmespeicher
		1.8.4	 Latente Wärmespeicher
		1.8.5	 Reaktionswärmespeicher
	Literatur
2: Physikalische Grundlagen thermischer Speicher
	2.1	 Sensible Wärmespeicher
		2.1.1	 Theoretischer Wärmeinhalt des Speichers
		2.1.2	 Realer Wärmeinhalt eines Speichers
		2.1.3	 Betriebsbedingter Wärmeinhalt eines Speichers
	2.2	 Wärmeverteilung innerhalb eines thermischen Speichers mit flüssigen Medien
		2.2.1	 Schichtenspeicher
		2.2.2	 Gemischter Speicher
		2.2.3	 Realer Speicher
	2.3	 Exergie, Anergie und Entropie
		2.3.1	 Exergie eines thermischen Speichers
		2.3.2	 Exergieverhältnis
		2.3.3	 Schichtungseffizienz
		2.3.4	 Zeitliche Temperaturentwicklung einer Temperaturtrennschicht
		2.3.5	 Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit
	Literatur
		Schichtung und Exergie
3: Wärmeübertragung
	3.1	 Wärmeleitung
		3.1.1	 Wärmeübergang an einer ebenen Behälterwand
		3.1.2	 Wärmeübergang im zylindrischen Rohr
		3.1.3	 Wärmewiderstand
		3.1.4	 Wärmeübergang im Speicher
	3.2	 Wärmeübertragungsleistung des Wärmeübertragers im Speicher
	3.3	 Wärmeübertrager
		3.3.1	 Rohrwärmeübertrager
		3.3.2	 Wellrohrwärmeübertrager
		3.3.3	 Plattenwärmeübertrager
	3.4	 Wärmeübergangskoeffizient
		3.4.1	 Innerer Wärmeübergangskoeffizient für zylindrische Rohrgeometrie
		3.4.2	 Äußerer Wärmeübergangskoeffizient für zylindrische Rohrgeometrie
	3.5	 Beladung eines thermischen Speichers mit sensibler Wärmenergie anhand eines Beispiels
	3.6	 Zeitlicher Verlauf der Wärmeübertragung
	3.7	 Speicherdynamik und spezifische Wärmeübertragungsleistung
	Literatur
4: Verluste beim thermischen Speicher
	4.1	 Ursachen für Wärmeverluste
	4.2	 Wärmeverlustberechnung
	4.3	 Zeitliche Temperaturentwicklung durch Verluste in einem Warmwasserspeicher
	4.4	 Normen zur Berechnung von Wärmeverlusten bei Trinkwarmwasserspeichern
	4.5	 Vakuumisolation
	Literatur
5: Einsatz von Warmwasserspeichern im Gebäude
	5.1	 Speichertypen und Beladeverfahren
	5.2	 Kombispeicher
		5.2.1	 Tank-in-Tank-Speicher
		5.2.2	 Warmwasserspeicher mit externem Wärmeübertrager
		5.2.3	 Warmwasserspeicher mit integriertem Wärmeübertrager
		5.2.4	 Warmwasserspeicher mit Wärmeübertrager zur Einbindung von Solarkollektoren
		5.2.5	 Beladung eines Schichtenspeichers und Temperaturverlauf im Medium
		5.2.6	 Warmwasserspeicher als Hydraulische Weiche
		5.2.7	 Nahwärmespeicher im Quartier
	5.3	 Systemeinbindung
	5.4	 Kriterien zur Auswahl eines Speichers
		5.4.1	 Anforderungen an den Speicher
		5.4.2	 Wirtschaftlichkeit
		5.4.3	 Betriebssicherheit, Sicherheitstechnische Anforderungen, Brandschutz
	5.5	 Einsatz eines thermischen Speichers – Planungsschritte
		5.5.1	 Technische Randbedingungen zur Auswahl eines Latentwärmespeichers
		5.5.2	 Latentwärmespeicher im VDI-Musterhaus – Heizfall
	Literatur
6: Latentwärmespeicher
	6.1	 Wärmeinhalt von Latentwärmespeichern
	6.2	 Physikalische, technische und wirtschaftliche Anforderungen
	Literatur
7: Werkstoffe – Phasenwechselmaterialien
	7.1	 Phasenwechsel
		7.1.1	 Chemisches Potenzial
		7.1.2	 Druck – Temperatur – Phasendiagramm
		7.1.3	 Stoffgemische
	7.2	 Anorganische Phasenwechselmaterialien
		7.2.1	 Wasser und Wassermolekül
		7.2.2	 Eis
	7.3	 Eutektische Salzlösungen
	7.4	 Salzhydrate
		7.4.1	 Unterkühlung und Keimbildung
		7.4.2	 Phasenwechsel – Phasentrennung
	7.5	 Natriumsulfat-Decahydrat
	7.6	 Calciumchlorid-Hexahydrat
	7.7	 Natriumacetat – Trihydrat (NA 58)
	7.8	 Salzhydrate im Niedertemperaturbereich
	7.9	 Salzhydrate als binäre Gemische
	7.10	 Zyklenstabilität und Reproduzierbarkeit des Phasenübergangs
	7.11	 Organische Phasenwechselmaterialien
		7.11.1	 Paraffine
		7.11.2	 Monomer strukturierte Polymere
		7.11.3	 Fettalkohole
		7.11.4	 Fettsäuren
		7.11.5	 Alditole
		7.11.6	 Polyether
	7.12	 Verkapselung von Phasenwechselmaterial
		7.12.1	 Makroverkapselung
		7.12.2	 Mikroverkapselung
		7.12.3	 Mesoverkapselung-Verkapselung von Salzhydraten
		7.12.4	 Einlagerung in Saugstrukturen
	7.13	 Granulat und Pulver
	7.14	 Phasenwechselmaterialien als Flüssiggemisch
		7.14.1	 Eisbrei
		7.14.2	 Organische Slurries
		7.14.3	 Salzhydrat Slurries
	Literatur
		Unterkühlung
		Verkapselung – Slurries
8: Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von Phasenwechselmaterialien
	8.1	 Leitfähigkeitserhöhung von PCM durch Graphit
	8.2	 Wärmeleitfähigkeitserhöhung durch Metalle
		8.2.1	 Metallfäden
		8.2.2	 Metallschäume
	Literatur
9: Material und Korrosion
	9.1	 Korrosion
		9.1.1	 Sauerstoffkorrosion
		9.1.2	 Passivierung – Schutzkorrosion
		9.1.3	 Korrosion durch Metallpaare und galvanische Elementbildung
		9.1.4	 Korrosionsrate
	9.2	 Korrosion in Latentwärmespeichern
	9.3	 Korrosionsschutz in Warmwassersspeichern
	9.4	 Kunststoffe für Behälter und Makroverkapselung
		9.4.1	 Kunststoffbehälter
		9.4.2	 Verträglichkeit von Kunststoff und PCM
		9.4.3	 Versprödung
	9.5	 Wasserdampfdurchlässigkeit von Makroverkapselungsmaterial
	Literatur
10: Messmethoden der Wärmekapazität – Schmelzenthalpie
	10.1	 Dynamische Differenzkalorimetrie
	10.2	 T-History Methode
	10.3	 3 -Schicht Kalorimeter
	Literatur
11: Thermische Speicher mit Phasenwechselmaterial
	11.1	 Wärmeinhalt
		11.1.1	 Wärmeinhalt eines Speichers mit Phasenwechselmaterial
		11.1.2	 Modellbetrachtung von Speichern
	11.2	 Bauarten von Latentwärmespeichern
		11.2.1	 Vollspeicher mit Rohr- und Rippenrohrwärmeübertrager
		11.2.2	 Direktkontaktspeicher und Makroverkapselung
		11.2.3	 Besonderheiten bei PCM-Speichern
	11.3	 Systeme mit Wärmeübergang an Luft in Einzelräumen
	11.4	 Theoretische Grundlagen der Wärmeübertragung im Phasenwechsel
		11.4.1	 Phasenumwandlung
		11.4.2	 Phasenumwandlung an der gekühlten ebenen Platte
		11.4.3	 Phasenumwandlung unter Verwendung einer Zylindergeometrie
		11.4.4	 Wachstum der erstarrten PCM-Masse in Wärmeübertragerzellen
		11.4.5	 Wärmeübertragung unter Verwendung von zylindrischen Makrokapseln
	11.5	 Wärmeübertragung in Kugelkapseln
		11.5.1	 Erstarrungszeiten und Phasenfrontgeschwindigkeit im Inneren von Kugeln
		11.5.2	 Berechnung der Entladezeiten
		11.5.3	 Temperaturmessungen innerhalb von Kugeln
		11.5.4	 Spezifische Übertragungsleistung unter Verwendung von Kugelkapseln
		11.5.5	 Energiemodulationen im Wärmestrom
	11.6	 Wasser und Salzlösungen in Kugeln
	11.7	 Salzlösungen
	11.8	 Granulat
		11.8.1	 Wärmeübergang in einem durchströmten Kugelhaufen
		11.8.2	 Wärmeübergang in einem durchströmten Kugelhaufen
	11.9	 Wärmeübertragung im Kompaktspeicher
		11.9.1	 Speicher mit Rohrwärmeübertrager
		11.9.2	 Rippen-Rohrwärmeübertrager
		11.9.3	 Rippen-Rohrwärmeübertrager mit Plattencharakteristik
		11.9.4	 Modular aufgebauter PCM-Kammerspeicher
		11.9.5	 Wärmeübertragung mit Kapillarrohrmatten
		11.9.6	 Wärmeübertragung in großen Wasserreservoiren
	Literatur
		Hybridspeicher
		Latentwärmespeicher – Wärmeübertragung
12: Beladungssystematik von thermischen Speichern
	12.1	 Analyse von Jahresdauerlinien
	12.2	 Einsatz eines Speichers mit einem BHKW im Grundlastbereich
	12.3	 Bedarfsspitzen und periodische Schwankungen
	12.4	 Betriebsstrategien
	12.5	 Betriebsmanagement für Kurzzeitspeicher mit Maschinen
	12.6	 Lastprognose und Beladungsstrategie
	12.7	 Betriebsmanagement für Langzeitspeicher
	12.8	 Wärmebedarfsschwankungen und Leistungsreduzierung
	12.9	 Jahresdauerlinien und Überschusswärme
	12.10	 Erneuerung der Wärmeversorgung im Schulzentrum
	12.11	 Speicherauslegung und Außentemperatur
	Literatur
13: Sensible thermische Speicher im Quartier
	13.1	 Großvolumige Warmwasserspeicher
		13.1.1	 Speicher als Stahl- oder Betonbehälter
		13.1.2	 Warmwasserspeicher in Segmentbauweise
		13.1.3	 Druckspeicher
		13.1.4	 Betonbehälter-Wärmespeicher
		13.1.5	 Erdbecken-Wärmespeicher
		13.1.6	 Erdbecken-Wärmespeicher mit Sand-Kiesfüllung
		13.1.7	 Erdsonden-Wärmespeicher
		13.1.8	 Aquifer-Wärmespeicher
	13.2	 Betrieb von Großwärmespeichern mit der Wärmeerzeugung
		13.2.1	 Saisonaler-Wärmespeicher im Quartier Ackermannbogen – München
		13.2.2	 Saisonaler Wärmespeicher im Quartier Crailsheim – Hirtenwiesen
		13.2.3	 Saisonaler Wärmespeicher im Quartier Eggenstein-Leopoldshafen
	13.3	 Sektorkopplung
	13.4	 Saisonaler thermischer Speicher im Hochhaus
	13.5	 Sensible Kältespeicher
		13.5.1	 Großvolumige Kaltwasserspeicher
		13.5.2	 Nah- und Fernkältenetze
		13.5.3	 Kaltwasserspeicher als integraler Bestandteil einer Sprinkleranlage
	13.6	 Effizienzsteigerung eines Kältenetzes durch Integration eines Speichers
		13.6.1	 Kältenetz und Kältebedarf
		13.6.2	 Kälteerzeugung mit Kompressionskältemaschinen
		13.6.3	 Der Betrieb des Netzes und seine Variationen
	13.7	 Speicherkosten
	Literatur
		Großwarmwasserspeicher, Netze, Lastmanagement
		Erdwärmesonden
		Kältespeicher
		Sprinkler Tank als Kältespeicher
14: Aufbau und Einsatz von Latentwärmespeichern
	14.1	 Stationärer Kompaktspeicher mit Wärmeübertrager
		14.1.1	 Wärmeträgerfluidsystem
		14.1.2	 Temperaturkurven Beladung und Ladezeitkurve
	14.2	 Hybrid-Wärmespeicher mit Wasser und PCM-Granulat
		14.2.1	 Theoretische Speicherfunktionsbeschreibung
		14.2.2	 Zeitabhängigkeit der Ladefunktion des Wassers im Speicher
		14.2.3	 Energiedichte und Stoffeigenschaften
		14.2.4	 Speicheraufbau
		14.2.5	 Hydraulisches System
		14.2.6	 Speicherverhalten
		14.2.7	 Wärmeübergang und Strömung
	14.3	 Mobile Latentwärmespeicher
		14.3.1	 Wirtschaftlichkeit mobiler Latentwärmespeicher
		14.3.2	 Wärmetransport mit Zeolithspeicher
	14.4	 Kältespeicher mit makroverkapseltem PCM
	14.5	 Kaltwasserspeicher mit makroverkapseltem PCM
	14.6	 Latente Kältespeicher und freie Kühlung
	14.7	 Erdvergrabene Eisspeicher
		14.7.1	 Wärmeübergang im Entzugswärmeübertrager
		14.7.2	 Phasenumwandlung für eine Zylindergeometrie
		14.7.3	 Wärmeenergie aus dem umgebenden Erdreich
	14.8	 Betonpfahl als Kaltwasserspeicher
	Literatur
		Mobile Speicher
15: Elektro-Speicherheizungen
	15.1	 Elektrospeicheröfen
	15.2	 Heizmatte
	15.3	 Heiz-Estrich als Wärmespeicher
	15.4	 Speicherheizungen in der Sektorkopplung
	Literatur
16: Gebäude als thermischer Energiespeicher
	16.1	 Gebäudebestand
	16.2	 Wärmespeicherung in der Gebäudehülle und den Innenwänden
		16.2.1	 Wärmeausbreitung in der Wand
		16.2.2	 Wärmeaufnahme durch konvektive Erhöhung der Raumtemperatur
		16.2.3	 Wärmemenge in der Zwischenwand
		16.2.4	 Wärmespeicherung in der Außenwand
		16.2.5	 Temperaturmodulationen
		16.2.6	 Nachtabsenkung
	16.3	 Bauteilaktivierung
		16.3.1	 Bauteilaktivierung und erneuerbare Energien
		16.3.2	 Bauteilaktivierung mittels netzseitiger Umweltenergie
	16.4	 Beton als Energiespeicher
		16.4.1	 Betonkernaktivierung
		16.4.2	 Dynamische Temperaturverteilung
		16.4.3	 Kühlung des Betonkerns
		16.4.4	 Wärmespeicherung im Betonfundament
		16.4.5	 Betonkernspeicherung in Decken
		16.4.6	 Saisonaler Wärmespeicher aus Spezialbeton
	16.5	 Betonkernaktivierung und Erdwärmespeicher im Solaraktivhaus
	16.6	 Bauteile mit Phasenwechselmaterial
		16.6.1	 Passive Anwendung – Gipskartonplatten mit PCM
		16.6.2	 Passive Kühlwände und Kühldecken
		16.6.3	 Aktive Anwendung – Bauelemente mit PCM
		16.6.4	 Lamellenkühldecke
		16.6.5	 Dezentrale Lüftungsgeräte mit PCM
	16.7	 PCM Anwendungen im Gebäude – Konditionierung der Zuluft
	Literatur
		Gebäudeausbau mit Phasenwechselmaterial
		Gebäude als Speicher und solarer Aktivierung
17: Autarkie mit integrierten Warmwasserspeichern im Gebäude
	17.1	 Gebäudekonzepte
	17.2	 Anlagentechnik
	17.3	 Planungsdaten von Sonnenhäusern
	17.4	 Der solarthermische Deckungsanteil
	17.5	 Tendenzen der Selbstversorgung
	17.6	 Monitoring
	Literatur