WO2012156343A1 - Verfahren zur bestimmung einer in einem latentwärmespeicher mit einem phasenwechselmaterial gespeicherten wärmeenergie und verfahren zur regelung einer heizung/klimaanlage - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer in einem latentwärmespeicher mit einem phasenwechselmaterial gespeicherten wärmeenergie und verfahren zur regelung einer heizung/klimaanlage Download PDF

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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a stored in a latent heat storage with a Phasen promptmatenal heat energy, according to the preamble of claim 1.
  • the invention comprises a method for controlling a heating and / or an air conditioning system, wherein a method for determining a stored in a latent heat storage with a phase change material heat energy is performed, according to claim 8.
  • phase change materials Various latent heat storage with phase change materials (PCM) are known from the prior art. These can store thermal energy with low loss and with many repeat cycles over long periods of time. For this purpose, a material absorbs heat and can then release it again.
  • the main storage medium used is so-called phase change material (PCM), in particular special salts or paraffins whose latent enthalpy of fusion and enthalpy of dissolution is substantially greater than their specific heat capacity without phase transformation effect.
  • the enthalpy describes a physical quantity in which binding forces between molecules or atoms are overcome without increasing their kinetic energy and thus their temperature.
  • Latent heat storage uses this enthalpy by exploiting the reversible thermodynamic state change of the PCM.
  • the phase transition is used solid (solidification-melting).
  • the PCM When charging the PCM, it is melted. It absorbs a lot of heat energy (enthalpy of fusion). Since this process is reversible, the PCM gives off exactly this amount of heat during solidification (solution enthalpy) again.
  • phase change materials are bistable and the solidification does not start independently, but the heat energy can be retrieved by a trigger action targeted at the desired time.
  • latent heat storage examples are heat pad, cooling batteries or paraffin-filled storage elements in the tanks of solar thermal systems.
  • the Releasing the heat release from said heat pad is done regularly by pressing a metal plate in the heat pad, whereby a crystallization is triggered.
  • the cushion heats up to about 58 ° C and the release of latent heat can extend over a longer time.
  • Such heat pads are often carried for days by users and activated only when needed.
  • Other advantages of this latent heat storage are a relatively high storable heat energy per mass, as well as the festelt by the enthalpy of fusion of the storage medium bare temperature range in the heat transfer.
  • the problem here is that there is no information about the heat energy stored in the PCM, as a result of which the heating or the air conditioning system can not be regulated correctly.
  • the determination of the heat energy stored in the PCM would be a great advantage to increase the energy efficiency of a building.
  • CN 101 839 873 A provides a test device with a heat generator, an electronic balance, a climatic chamber, a temperature sensor, a paperless recorder and a computer.
  • a heat generator a heat generator
  • the temperature sensor measures the temperature of the water and the weight of the electronic balance. From this information, the total heat energy of the hot water is calculated.
  • the PCM is introduced into the hot water. The stored heat energy in the PCM is then determined by the heat energy remaining in the water, which results from its temperature and mass.
  • CN 101 813 651 A also relates to a method for determining a stored heat energy of a building material.
  • the device required for this purpose comprises a thermally insulated vessel, a climatic chamber, temperature sensors, a potentiometer and a computer.
  • the temperature sensors are placed in the thermally insulated vessel and the climatic cabinet to determine the temperature of the building material, the climatic chamber and the inner and outer walls of the vessel.
  • the computer controls the heating power of a heating element via the potentiometer.
  • the temperature signals of the temperature sensors are displayed and recorded by the computer. This then evaluates the heat storage capacity of the building material based on the temperature data of the heating and a subsequent cooling.
  • JP 1 1064297 A describes a method for the automatic measurement and control of a heating device, through the conduction of which a PCM slurry is passed.
  • concentration and the stored heat energy of the pulp are continuously determined.
  • an ultrasonic measuring device is used, which is arranged in the middle of the line.
  • the characteristic of the PCM slurry depends on its temperature and its sound wave transmission speed. If a certain characteristic exists, it is possible to deduce the stored heat quantity.
  • the object of the invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art, and to provide a simple and inexpensive method, by means of a stored in a phase change material (PCM) heat energy can be determined continuously and in a mounting situation, with components used for this simple should be interchangeable and durable.
  • the method should be suitable for increasing the efficiency of a heating and / or air conditioning system.
  • the invention relates to a method for determining a heat energy stored in a latent heat storage with a phase change material, in which an evaluation unit determines the state of matter or portions of an aggregate phase of the phase change material by means of a radar signal of a radar sensor, as well as the specific state of matter or its proportions and a stored amount value of the phase change material the stored heat energy determined.
  • the state of aggregation of a phase change material provides information about whether latent heat is stored in it or not.
  • the absolute stored heat energy depends on the amount of phase change material. This quantity could be determined, for example, from information from a building material manufacturer or by measuring / weighing and stored in the evaluation unit. It is usually sufficient to do this once.
  • the quantitative values are suitable, for example. the volume or, in particular, the mass of the PCM. The latter is better because the mass is independent of temperature and density.
  • the latent stored heat energy of the PCM can be many times higher than the heat energy stored due to the specific heat capacity, it is possible to dispense with an additional temperature measurement on the PCM. It is only important to select a representative position for the determination of the state of aggregation in order to be able to conclude on the total heat energy. In particular, for a building and a storage of PCM in its building components, shady and sunny expositions have to be considered.
  • the invention further provides that the evaluation unit determines the state of matter or the proportions of the states of aggregation of the phase change material by means of a radar signal of a radar sensor.
  • Such a radar signal consisting of electromagnetic waves
  • the change depends on the physical state of the PCM, since the dielectric constant of the PCM depends on its state of aggregation.
  • the change affects both the transmission and the reflection of the electromagnetic waves.
  • a receiving unit of the radar sensor can therefore be arranged both on the same side of the PCM as its transmitting unit or on the opposite side.
  • the changed electromagnetic radiation is subsequently registered by the radar sensor and evaluated by the evaluation unit. For this purpose, for example, a correlation in the evaluation unit can be stored, which describes a relationship between a resulting signal and the physical state of the PCM.
  • the essential electrical properties of the PCM are dependent on the frequency of the radar signal. It is therefore possible to irradiate the PCM by means of electromagnetic waves of different wavelengths in order to achieve an accurate and reliable result of the state of matter or its proportions. This can be sequenced or simultaneous.
  • the radar sensor transmits ultra-wideband electromagnetic waves (UWB) as a radar signal.
  • UWB ultra-wideband electromagnetic waves
  • UWB signals can be inexpensively generated and radar sensors required for this can be purchased at low cost. They allow a precise measurement even with a spacing of the radar sensor to the PCM. It is particularly advantageous if the signal is additionally transmitted pulsed. Accordingly, the power consumption is low. Suitable for pulsing would be a pulse generator. A resulting lower heating of the radar sensor also extends its life. Furthermore, the radar sensor could send high-frequency electromagnetic waves as a radar signal.
  • Alternative variants of the method according to the invention determine with the evaluation unit by means of a capacitive measuring method, or by means of an optical measuring method, or by means of a measurement of the electrical conductivity, the state of matter or the proportions of the states of aggregation of the phase change material.
  • the PCM is positioned between two plates of a plate condenser. Changing the physical state of the PCM changes the capacity of the plate capacitor. As a result, a correlation between the state of aggregation and the change in capacity can be established and stored in the evaluation unit. By means of this correlation can be deduced later from the capacity change to the physical state of the PCMs.
  • Such a method is particularly suitable for defined latent heat storage, e.g. for arranged in a storage container PCM.
  • An optical measuring method uses the permeability of the PCM for light.
  • an optical sensor must be positioned so that the wavelength of light used can reach the PCM and the PCM must not be impermeable to light, at least in one state of aggregation. Such a method may then be used e.g. be used in a storage tank or a flow line.
  • a determination of the state of matter by means of the measurement of the electrical conductivity can then be made if the PCM is accessible for at least two measuring tips, e.g. in a storage container. By applying an electrical voltage can then be deduced about the electrical resistance to the state of matter, since the electrical conductivity of the PCM is dependent on this.
  • the method according to the invention is particularly preferably used when the latent heat accumulator is arranged in or on a building component.
  • the stored heat energy can be determined in the PCM in the building component.
  • the radar sensor preferably rests on the building component. However, he could also be spaced from the building component be positioned. Building components within the meaning of this document should at least include building walls, ceilings, floors and building roofs.
  • the inventive method also allows a determination of the heat energy stored in the PCM when the latent heat storage has a plurality of microcapsules in which phase change material is contained. Due to the small size of the capsules and the lack of homogeneity of the PCM, conventional methods were not suitable for determining the state of matter or its components in the installation situation. However, such microcapsules are increasingly in plasterboard, wall paint, wall plaster, prefabricated wall elements. Stones, concrete and screed introduced. For example, plasterboard with 5-10% PCM content is available. The determination of the stored heat energy in these microcapsules therefore has an increasing importance in building technology. Above all, the use of a radar sensor is very flexible with regard to the position of the microcapsules and can overcome the existing problems.
  • the latent heat storage on a storage container for the phase change material may e.g. incorporated as a tube embedded in a building wall or, for example, be a freestanding storage container.
  • the volume of such can be relatively large, e.g. similar to a buffer tank in building technology. It could even be used as a cache.
  • the phase change material is incorporated in microcapsules, flowability of the microcapsule slurry thus obtained can be maintained even if the state of aggregation of the PCM is solidified. Consequently, the PCM could be transported from a heat source to a heat sink to effect heat transfer between these two locations. So the PCM could e.g.
  • the invention also relates to a method for controlling a heater and / or an air conditioner, in which a method for determining a heat energy stored in a latent heat storage with a phase change material is performed, wherein an evaluation unit determines the state of matter or portions of the states of aggregation of the phase change material, and with the certain state of aggregation or whose shares and a stored quantity value of the phase change material determines the stored heat energy, and wherein the evaluation unit transmits the determined stored heat energy to a control unit with which the heating and / or the air conditioning are regulated.
  • control unit changes an amount of heat to be supplied or discharged via the heating and / or the air conditioning as a function of the heat energy stored in the phase change material. It is thus possible, in particular, to tune the heat energy to be supplied or removed altogether and to regulate it exactly to a desired setpoint temperature, e.g. to a set temperature in a building or vehicle.
  • Phasen grillmatenal is bistable, may additionally be provided that the control unit is connected to a trigger device by means of which a heat output of the phase change material is triggered, the heat output is triggered by the control unit when heat energy is stored in the phase change material and should be delivered.
  • the triggering device is suitable for generating a crystallization seed, which initiates the solidification process of the PCMs.
  • Such deliberately terminable heat output considerably increases the flexibility and efficiency of heating and / or air conditioning.
  • the heat output of the PCM may be relocated to periods of time when other heat sources, e.g. a solar collector, can not provide heat energy.
  • a latent heat accumulator could be used in a motor vehicle with an internal combustion engine to optimize a cold start process, or generally the passenger compartment of a motor vehicle can be heated faster.
  • Fig. 1 arranged in a building wall PCM and an evaluation unit with a
  • Radar sensor is determined. 1 shows a building component 31 in which a phase change material (PCM) 2 is arranged.
  • the PCM 2 can be used as latent heat storage 1.
  • the PCM 2 may have a solid state of matter T or a liquid state of matter F or a mixture of both.
  • a radar sensor 10 arranged on or in the building component 31, the state of matter T, F or its components can be determined.
  • a transmitting unit 11 of the radar sensor 10 sends an electromagnetic wave S generated by a generator 13 in the direction of the PCM 2.
  • the electromagnetic wave changed and reflected by the PCM 2 is received as a resultant signal R from a receiving unit 12 of the radar sensor 10.
  • Transmitting unit 1 1 and receiving unit 12 are arranged on the same side of the building component 31.
  • the received resultant signal R is then evaluated by an evaluation unit 20 to determine the stored amount of heat in the PCM 2.
  • the evaluation unit 20 is for this purpose also connected to the pulse generator 13 in order to obtain information regarding the transmitted radar signal S, or to control this itself.
  • FIG. 2 shows a building 30 in whose building wall 32 a phase change material (PCM) 2 is arranged.
  • the PCM 2 can be used as latent heat storage 1.
  • the PCM 2 may have a solid state of matter T or a liquid state of matter F or a mixture of both.
  • a transmitting unit 11 of the radar sensor 10 sends an electromagnetic wave generated by a generator 13 in the direction of the PCM 2.
  • the electromagnetic wave changed and reflected by the PCM 2 is received as a resultant signal by a receiving unit 12 of the radar sensor 10.
  • Transmitting unit 11 and receiving unit 12 are arranged on the same side of the building wall 32.
  • this is the outer side of the building 30, which is a rather rare position in practice, since PCM 2 is mainly used in interior design. Accordingly, the radar sensor 30 would then preferably be arranged on the inside of the building wall 32.
  • the resulting signal received by the receiving unit 12 is subsequently evaluated by an evaluation unit 20 in order to determine the stored heat quantity in the PCM 2.
  • the evaluation unit 20 is for this purpose also connected to the generator 13 in order to obtain information regarding the emission and the frequency of the transmitted radar signal S, or to control this itself.
  • the result of the determined heat energy stored by the PCM 2 is finally transmitted by the evaluation unit 20 to a control unit 40, with which a heater 41 and an air conditioner 42 are regulated.
  • the control unit 40 can now change the amount of heat to be supplied or discharged to the building 30 via the heater 41 and / or the air conditioner 42 as a function of the heat energy stored in the PCM 2. It is thus possible in particular to tune the heat energy to be supplied or discharged overall and to regulate the temperature of the building interior precisely to a desired setpoint temperature.
  • the PCM 2 is bistable and the control unit 40 is connected to a tripping device 50, by means of which a heat output of the PCM 2 can be triggered.
  • the heat output is triggered by the control unit 40 when heat energy is stored in the PCM 2 and is to be delivered. For the desired times 40 different criteria can be stored in the control unit.
  • PCM phase change material

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer in einem Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial gespeicherten Wärmeenergie, sowie ein Verfahren zur Regelung einer Heizung und/oder einer Klimaanlage, bei dem ein solches Verfahren durchgeführt wird. Gekennzeichnet ist das erfindungsgemässe Verfahren dadurch, dass eine Auswerteeinheit mittels eines Radarsignals eines Radarsensors den Aggregatzustand oder Anteile einer Aggregatphase des Phasenwechselmaterials bestimmt, sowie mit dem bestimmten Aggregatzustand oder dessen Anteilen und einem hinterlegten Mengenwert des Phasenwechselmaterials die gespeicherte Wärmeenergie ermittelt. Ausserdem ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit die ermittelte gespeicherte Wärmeenergie an eine Regeleinheit übermittelt, mit der die Heizung und/oder die Klimaanlage geregelt werden.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zur Bestimmung einer in einem Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmatenal gespeicherten Wärmeenergie und Verfahren zur Regelung einer Heizung/Klimaanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer in einem Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmatenal gespeicherten Wärmeenergie, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Regelung einer Heizung und/oder einer Klimaanlage, wobei ein Verfahren zur Bestimmung einer in einem Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial gespeicherten Wärmeenergie durchgeführt wird, nach Patentanspruch 8.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Latentwärmespeicher mit Phasenwechselmaterialien (PCM) bekannt. Diese können thermische Energie verlustarm und mit vielen Wiederholzyklen über lange Zeiträume speichern. Hierfür nimmt ein Material Wärme auf und kann sie anschließend wieder abgeben. Als Hauptspeichermedium kommen so genannte Phase Change Materials (PCM) zum Einsatz, insbesondere spezielle Salze oder Paraffine, deren latente Schmelzenthalpie und Lösungsenthalpie wesentlich größer ist, als deren spezifische Wärmekapazität ohne Phasenumwandlungseffekt. Die Enthalpie beschreibt eine physikalische Größe, bei der Bindungskräfte zwischen Molekülen bzw. Atomen überwunden werden, ohne deren kinetische Energie und damit deren Temperatur zu erhöhen.
Latentwärmespeicher nutzen diese Enthalpie, indem sie die reversible thermodynamische Zustandsänderung des PCMs ausnutzen. Insbesondere wird der Phasenübergang festflüssig (Erstarren-Schmelzen) genutzt. Beim Aufladen des PCMs wird dieses geschmolzen. Dabei nimmt es sehr viel Wärmeenergie (Schmelzenthalpie) auf. Da dieser Vorgang reversibel ist, gibt das PCM genau diese Wärmemenge beim Erstarren (Lösungsenthalpie) wieder ab. Besonders interessant hierbei ist, dass bestimmte Phasenwechselmaterialien bistabil sind und die Erstarrung nicht selbstständig startet, sondern die Wärmeenergie durch eine Auslösehandlung gezielt zum gewünschten Zeitpunkt abgerufen werden kann.
Bekannte Beispiele für derartige Latentwärmespeicher sind Wärmekissen, Kühlakkus oder mit Paraffin gefüllte Speicherelemente in den Tanks von solarthermischen Anlagen. Die Auslösung der Wärmeabgabe von den genannten Wärmekissen erfolgt regelmäßig durch das Drücken eines Metallplättchens im Wärmekissen, wodurch eine Kristallisation ausgelöst wird. Das Kissen erwärmt sich dabei auf ca. 58 °C und die Freigabe der latenten Wärme kann sich über eine längere Zeit erstrecken. Solche Wärmekissen werden oft tagelang von Nutzern mitgeführt und erst bei Bedarf aktiviert. Weitere Vorteile dieser Latentwärmespeicher sind eine relativ hohe speicherbare Wärmeenergie pro Masse, sowie der durch die Schmelzenthalpie des eingesetzten Speichermediums festleg bare Temperaturbereich bei der Wärmeabgabe.
Diese Vorteile versucht zunehmend auch die Heizungs- und Baustoffindustrie durch den Einsatz wärmepuffernder Baustoffe zu nutzen, um Gebäude energieeffizient zu machen. Hierfür wird PCM z.B. in einer Gebäudewand oder anderen Gebäudebauteilen eingelagert, wo es sich tagsüber durch Sonneneinstrahlung oder erhöhte Umgebungstemperatur erwärmt und die so eingespeicherte Energie nachts wieder abgibt. Nachts können so Wärmemengen reduziert werden, die zur Beheizung des Gebäudes von einer Heizung erzeugt werden. Tagsüber kann dagegen Kühlenergie eingespart werden, die zur Kühlung des Gebäudes aufgewandt werden muss.
Problematisch hierbei ist jedoch, dass keine Informationen über die im PCM gespeicherte Wärmeenergie vorliegen, wodurch die Heizung oder die Klimaanlage nicht korrekt geregelt werden können. Gerade für den Einsatz in Kombination mit einer derartigen Gebäudetechnik zur Beheizung und/oder Klimatisierung wäre die Bestimmung der im PCM gespeicherten Wärmeenergie ein großer Vorteil, um die Energieeffizienz eines Gebäudes zu steigern.
Zur Bestimmung der Wärmeenergie in einem PCM sind mehrere Verfahren bekannt. Hierzu sieht CN 101 839 873 A eine Testvorrichtung mit einem Wärmeerzeuger, einer elektronischen Waage, einem Klimaschrank, einem Temperaturfühler, einem papierlosen Rekorder und einem Computer vor. Dabei wird zunächst Wasser in den Klimaschrank eingebracht, der ein thermisch isoliertes System darstellt. Nach einer Erwärmung des Wassers durch den Wärmeerzeuger wird mit dem Temperaturfühler die Temperatur des Wassers sowie mit der elektronischen Waage dessen Gewicht gemessen. Aus diesen Angaben berechnet sich die gesamte Wärmeenergie des heißen Wassers. Anschließend wird das PCM in das heiße Wasser eingebracht. Die gespeicherte Wärmeenergie im PCM bestimmt sich dann über die im Wasser verbleibende Wärmeenergie, die sich aus dessen Temperatur und Masse ergibt. Auch CN 101 813 651 A betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer gespeicherten Wärmeenergie eines Baumaterials. Die hierfür notwendige Vorrichtung umfasst ein wärmeisoliertes Gefäß, einen Klimaschrank, Temperatursensoren, ein Potentiometer und einen Computer. Die Temperatursensoren sind im wärmeisolierten Gefäß und dem Klimaschrank angeordnet, um die Temperatur des Baumaterials, der Klimakammer und der inneren und äußeren Wand des Gefäßes zu bestimmen. Der Computer steuert über das Potentiometer eine Heizleistung eines Heizstabs. Die Temperatursignale der Temperatursensoren werden vom Computer angezeigt und aufgezeichnet. Dieser wertet anschließend die Wärmespeicherkapazität des Baumaterials anhand der Temperaturdaten der Erwärmung und einer anschließenden Abkühlung aus.
Nachteilig ist an den zuvor beschriebenen Verfahren, dass beide nur in einem Labor, insbesondere aufgrund der benötigten Klimaschränke, eingesetzt werden können. Keines der Verfahren ist in der Lage, die gespeicherte Wärmeenergie in einem Baumaterial vor Ort und in der Einbausituation zu bestimmen.
JP 1 1 064 297 A beschreibt ein Verfahren zur automatischen Messung und Kontrolle einer Heizeinrichtung, durch deren Leitung ein PCM-Brei geleitet wird. Dabei wird kontinuierlich die Konzentration und die gespeicherte Wärmeenergie des Breis bestimmt. Hierfür wird ein Ultraschallmessgerät eingesetzt, das in der Mitte der Leitung angeordnet ist. Die Charakteristik des PCM-Breis ist abhängig von dessen Temperatur und dessen Schallwellenübertragungsgeschwindigkeit. Bei dem Vorliegen einer bestimmten Charakteristik, kann auf die gespeicherte Wärmemenge zurückgeschlossen werden.
Die Notwendigkeit von Temperatursensoren und eines Ultraschallsensors machen das Verfahren jedoch teuer und unpraktikabel. Zudem müssen die Sensoren unmittelbar im Kontakt zum PCM stehen, da sie ansonsten keine verwertbaren Ergebnisse liefern. Sofern das PCM in einem Baustoff eingelagert wäre, müssten demzufolge auch die Sensoren in diesen Baustoff eingelagert werden, was ebenfalls teuer ist und eine Austauschbarkeit der Sensoren nahezu unmöglich macht. Bei Gebäudestandszeiten von mehreren Jahrzehnten kommt jedoch gerade in der Gebäudetechnik der Austauschbarkeit der Sensoren eine entscheidende Bedeutung zu.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, und ein einfaches und kostengünstiges Verfahren bereitzustellen, mittels dem eine in einem Phasenwechselmaterial (PCM) gespeicherte Wärmeenergie kontinuierlich und in einer Einbausituation bestimmbar ist, wobei hierfür verwendete Bauteile einfach austauschbar und langlebig sein sollten. Zudem sollte das Verfahren geeignet dazu sein, die Effizienz einer Heizung und/oder Klimaanlage steigern zu können.
Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer in einem Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial gespeicherten Wärmeenergie, bei dem eine Auswerteeinheit mittels eines Radarsignals eines Radarsensors den Aggregatzustand oder Anteile einer Aggregatphase des Phasenwechselmaterials bestimmt, sowie mit dem bestimmten Aggregatzustand oder dessen Anteilen und einem hinterlegten Mengenwert des Phasenwechselmaterials die gespeicherte Wärmeenergie ermittelt.
Der Aggregatzustand eines Phasenwechselmaterials gibt Auskunft darüber, ob latente Wärme in diesem gespeichert ist oder nicht. Die absolute gespeicherte Wärmeenergie hängt dabei von der Menge des Phasenwechselmaterials ab. Diese Menge könnte beispielsweise aus Angaben eines Baustoffherstellers oder durch Messen / Wiegen bestimmt und in der Auswerteeinheit hinterlegt werden. Meist ist es ausreichend, dies einmalig durchzuführen. Als Mengenwerte eignet sich z.B. das Volumen oder insbesondere die Masse des PCMs. Letzterer eignet sich besser, da die Masse unabhängig von der Temperatur und Dichte ist.
Weil die latente gespeicherte Wärmeenergie des PCMs um ein Vielfaches höher sein kann als die Wärmeenergie, die aufgrund der spezifischen Wärmekapazität gespeichert ist, kann darauf verzichtet werden, eine zusätzliche Temperaturmessung am PCM vorzunehmen. Wichtig ist nur, eine repräsentative Position für die Bestimmung des Aggregatzustandes auszuwählen, um auf die gesamte Wärmeenergie rückschließen zu können. Insbesondere sind beispielsweise bei einem Gebäude und einer Einlagerung von PCM in dessen Gebäudebauteilen, schattige und sonnige Expositionen zu berücksichtigen.
Es ergibt sich ein einfaches und kostengünstiges Verfahren, mit dem die in dem PCM gespeicherte Wärmeenergie kontinuierlich und in einer Einbausituation bestimmbar ist. Die zur Bestimmung notwendigen Bauteile sind einfach austauschbar und langlebig. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nunmehr die Effizienz einer Heizung und/oder Klimaanlage gesteigert werden. Die Erfindung sieht ferner vor, dass die Auswerteeinheit mittels eines Radarsignals eines Radarsensors den Aggregatzustand oder die Anteile der Aggregatzustände des Phasenwechselmaterials bestimmt.
Ein solches Radarsignal, bestehend aus elektromagnetischen Wellen, wird in Richtung des PCMs gesendet und durch das PCM verändert. Dabei ist die Veränderung abhängig vom Aggregatzustand des PCMs, da die Dielektrizitätszahl des PCMs abhängig von dessen Aggregatzustand ist. Die Veränderung betrifft dabei sowohl die Durchstrahlung als auch die Reflexion der elektromagnetischen Wellen. Eine Empfangseinheit des Radarsensors kann deshalb sowohl auf der gleichen Seite des PCMs angeordnet sein wie dessen Sendeeinheit oder aber auf der gegenüberliegenden Seite. Die veränderte elektromagnetische Strahlung wird anschließend vom Radarsensor registriert und von der Auswerteeinheit ausgewertet. Hierfür ist beispielsweise eine Korrelation in der Auswerteeinheit hinterlegbar, die einen Zusammenhang zwischen einem resultierenden Signal und dem Aggregatzustand des PCMs beschreibt.
Zusätzlich sind die wesentlichen elektrischen Eigenschaften des PCMs, vor allem die dielektrische Leitfähigkeit und die magnetische Durchdringbarkeit, abhängig von der Frequenz des Radarsignals. Es besteht somit die Möglichkeit, das PCM mittels elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Wellenlänge zu bestrahlen, um ein genaues und zuverlässiges Ergebnis des Aggregatzustands oder dessen Anteilen zu erzielen. Dies kann sequenziert oder simultan erfolgen.
Insbesondere bei einer Einlagerung von PCM in einem Gebäudebauteil, kann es aufgrund der Trägheit der Temperaturschwankungen ausreichend sein, die Bestimmung in einer Taktung vorzunehmen. Die Taktlänge kann durchaus mehrere Minuten betragen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Radarsensor als Radarsignal ultrabreitbandige elektromagnetische Wellen (UWB) sendet.
UWB Signale sind aufgrund eines geringen Stromaufwands kostengünstig generierbar und hierfür notwendige Radarsensoren sind preiswert erwerbbar. Dabei erlauben sie eine präzise Messung auch bei einer Beabstandung des Radarsensors zum PCM. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Signal zusätzlich gepulst gesendet wird. Dementsprechend ist der Stromaufwand gering. Geeignet für das Pulsen wäre ein Pulsgenerator. Eine hierdurch resultierende geringere Erwärmung des Radarsensors verlängert auch dessen Lebensdauer. Weiterhin könnte der Radarsensor als Radarsignal hochfrequente elektromagnetische Wellen senden.
Alternative Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmen mit der Auswerteeinheit mittels eines kapazitiven Messverfahrens, oder mittels eines optischen Messverfahrens, oder mittels einer Messung der elektrischen Leitfähigkeit den Aggregatzustand oder die Anteile der Aggregatzustände des Phasenwechselmaterials.
Bei einem kapazitiven Messverfahren ist das PCM zwischen zwei Platten eines Plattenkondesators positioniert. Durch die Änderung des Aggregatzustandes des PCM verändert sich die Kapazität des Plattenkondensators. Dadurch kann eine Korrelation zwischen dem Aggregatzustand und der Kapazitätsänderung aufgestellt und in der Auswerteeinheit hinterlegt werden. Mittels dieser Korrelation kann später von der Kapazitätsänderung auf den Aggregatzustand des PCMs zurückgeschlossen werden. Ein solches Verfahren eignet sich insbesondere für definiert ausgebildete Latentwärmespeicher, z.B. für in einem Speicherbehälter angeordnetes PCM.
Ein optisches Messverfahren nutzt die Permeabilität des PCMs für Licht. Hierfür muss ein optischer Sensor so positioniert sein, dass die verwendete Lichtwellenlänge zum PCM gelangen kann und das PCM darf wenigstens in einem Aggregatzustand nicht unpermeabel für das Licht sein. Ein solches Verfahren kann dann z.B. in einem Speicherbehälter oder einer Durchflussleitung eingesetzt werden.
Auf eine Bestimmung des Aggregatzustands mittels der Messung der elektrischen Leitfähigkeit kann dann zurückgegriffen werden, wenn das PCM für wenigstens zwei Messspitzen zugänglich ist, z.B. in einem Speicherbehältnis. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung kann dann über den elektrischen Widerstand auf den Aggregatzustand zurückgeschlossen werden, da die elektrische Leitfähigkeit des PCMs abhängig von diesem ist.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren dann eingesetzt, wenn der Latentwärmespeicher in oder an einem Gebäudebauteil angeordnet ist. Somit kann kontinuierlich oder regelmäßig die gespeicherte Wärmeenergie im PCM in dem Gebäudebauteil ermittelt werden. Hierdurch erhält man wichtige Erkenntnisse über den Klimahaushalt des Gebäudes und kann diese Erkenntnisse gezielt dazu einsetzen, eine Heizung oder Klimaanlage effizient zu betreiben. Bevorzugt liegt der Radarsensor hierfür auf dem Gebäudebauteil auf. Er könnte jedoch auch beabstandet zum Gebäudebauteil positioniert sein. Gebäudebauteile im Sinne dieser Schrift sollen wenigstens Gebäudewände, Decken, Böden und Gebäudedächer umfassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt auch eine Bestimmung der im PCM gespeicherten Wärmeenergie, wenn der Latentwärmespeicher eine Vielzahl an Mikrokapseln aufweist, in denen Phasenwechselmaterial enthalten ist. Aufgrund der kleinen Größe der Kapseln und der fehlenden Homogenität des PCMs waren herkömmliche Methoden nicht dazu geeignet, den Aggregatzustand oder dessen Anteile in der Einbausituation zu bestimmen. Derartige Mikrokapseln werden jedoch vermehrt in Rigipsplatten, Wandfarbe, Wandputz, vorgefertigten Wandelementen. Steinen, Beton und Estrich eingebracht. So sind beispielsweise Gipskartonplatten mit 5-10 % PCM-Anteil erhältlich. Die Bestimmung der gespeicherten Wärmeenergie in diesen Mikrokapseln hat in der Gebäudetechnik deshalb eine zunehmende Bedeutung. Vor allem ein Einsatz eines Radarsensors ist sehr flexibel hinsichtlich der Position der Mikrokapseln und kann die bisher bestehenden Probleme überwinden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Latentwärmespeicher einen Speicherbehälter für das Phasenwechselmaterial auf. Ein solcher Speicherbehälter kann z.B. als Röhre eingelagert in einer Gebäudewand ausgebildet oder aber z.B. ein freistehender Speicherbehälter sein. Das Volumen eines solchen kann dabei relativ groß sein, z.B. ähnlich dem eines Pufferspeichers in der Gebäudetechnik. Er könnte sogar als Pufferspeicher eingesetzt werden. Wenn das Phasenwechselmaterial zudem in Mikrokapseln eingelagert ist, kann selbst bei einem erstarrten Aggregatzustand des PCMs eine Fließfähigkeit des so bestehenden Mikrokapsel-Breis aufrecht erhalten werden. Folglich könnte das PCM von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke transportiert werden, um einen Wärmetransport zwischen diesen zwei Orten vorzunehmen. So könnte das PCM z.B. in einer Heizung erstarren und anschließend über einen Rücklauf zurück zum Speicherbehälter oder einer Wärmequelle transportiert werden. Hierbei ist die Kenntnis des Aggregatzustands besonders wichtig, da eine einfache Temperaturmessung wie z.B. bei einer Heizung mit Wasserkreislauf nicht ausreichend ist, um die gespeicherte Wärmeenergie des Mikrokapsel-Breis zu bestimmen.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Regelung einer Heizung und/oder einer Klimaanlage, bei dem ein Verfahren zur Bestimmung einer in einem Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial gespeicherten Wärmeenergie durchgeführt wird, wobei eine Auswerteeinheit den Aggregatzustand oder Anteile der Aggregatzustände des Phasenwechselmaterials bestimmt, sowie mit dem bestimmten Aggregatzustand oder dessen Anteilen und einem hinterlegten Mengenwert des Phasenwechselmaterials die gespeicherte Wärmeenergie ermittelt, und wobei die Auswerteeinheit die ermittelte gespeicherte Wärmeenergie an eine Regeleinheit übermittelt, mit der die Heizung und/oder die Klimaanlage geregelt werden.
Dies hilft entscheidend, vorausschauend auf Temperaturschwankungen reagieren zu können, und die Effizienz der Heizung und/oder der Klimaanlage zu verbessern.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Regeleinheit eine über die Heizung und/oder die Klimaanlage zuzuführende oder abzuführende Wärmemenge in Abhängigkeit der im Phasenwechselmatenal gespeicherten Wärmeenergie verändert. Es ist so insbesondere möglich, die zuzuführende oder abzuführende Wärmenergie insgesamt aufeinander abzustimmen und exakt auf eine gewünschte Solltemperatur zu regeln, z.B. auf eine Solltemperatur in einem Gebäude oder einem Fahrzeug.
Sofern das Phasenwechselmatenal bistabil ist, kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Regeleinheit mit einer Auslösevorrichtung verbunden ist, mittels der eine Wärmeabgabe des Phasenwechselmaterials auslösbar ist, wobei die Wärmeabgabe von der Regeleinheit ausgelöst wird, wenn Wärmenergie im Phasenwechselmaterial gespeichert ist und abgegeben werden soll.
Die Auslösungsvorrichtung ist zur Generierung eines Kristallisationskeims geeignet, der den Erstarrungsvorgang des PCMs einleitet. Eine solche gezielt terminierbare Wärmeabgabe erhöht die Flexibilität und Effizienz einer Beheizung und/oder Klimatisierung erheblich. So kann die Wärmeabgabe des PCMs beispielsweise in Zeiträume verlegt werden, in denen andere Wärmequellen, z.B. ein Solarkollektor, keine Wärmeenergie bereitstellen können. Außerdem könnte auch ein Latentwärmespeicher in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor dazu eingesetzt werden, einen Kaltstartvorgang zu optimieren, oder generell der Fahrgastinnenraum eines Kraftfahrzeugs schneller erwärmt werden.
Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in:
Fig. 1 in einer Gebäudewand angeordnetes PCM und eine Auswerteeinheit mit einem
Radarsensor zur Bestimmung des Aggregatzustands des PCMs; und
Fig. 2 ein Gebäude mit Heizung und Klimaanlage, sowie in der Gebäudewand angeordnetes PCM, dessen Aggregatzustand mit einer Auswerteeinheit mit einem
Radarsensor ermittelt wird. Fig. 1 zeigt ein Gebäudebauteil 31 , in dem ein Phasenwechselmaterial (PCM) 2 angeordnet ist. Das PCM 2 ist als Latentwärmespeicher 1 nutzbar. Dabei kann das PCM 2 einen festen Aggregatzustand T oder einen flüssigen Aggregatzustand F oder aber eine Mischung aus beidem aufweisen. Mittels eines an oder in dem Gebäudebauteil 31 angeordneten Radarsensors 10 ist der Aggregatzustand T, F oder dessen Anteile bestimmbar. Hierfür sendet eine Sendeeinheit 11 des Radarsensors 10 eine von einem Generator 13 erzeugte elektromagnetische Welle S in Richtung des PCMs 2. Die durch das PCM 2 veränderte und reflektierte elektromagnetische Welle wird als resultierendes Signal R von einer Empfangseinheit 12 des Radarsensors 10 empfangen. Sendeeinheit 1 1 und Empfangseinheit 12 sind dabei auf der gleichen Seite des Gebäudebauteils 31 angeordnet. Das empfangene resultierende Signal R wird anschließend von einer Auswerteeinheit 20 ausgewertet, um die gespeicherte Wärmemenge im PCM 2 zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 20 ist hierfür auch mit dem Pulsgenerator 13 verbunden, um Informationen hinsichtlich des gesendeten Radarsignals S zu erhalten, oder dieses selbst zu steuern.
Fig. 2 stellt ein Gebäude 30 dar, in dessen Gebäudewand 32 ein Phasenwechselmaterial (PCM) 2 angeordnet ist. Das PCM 2 ist als Latentwärmespeicher 1 nutzbar. Dabei kann das PCM 2 einen festen Aggregatzustand T oder einen flüssigen Aggregatzustand F oder aber eine Mischung aus beidem aufweisen. Mittels eines auf der Gebäudewand 32 aufliegenden Radarsensors 10 ist der Aggregatzustand T, F oder dessen Anteile bestimmbar. Hierfür sendet eine Sendeeinheit 11 des Radarsensors 10 eine von einem Generator 13 erzeugte elektromagnetische Welle in Richtung des PCMs 2. Die durch das PCM 2 veränderte und reflektierte elektromagnetische Welle wird als resultierendes Signal von einer Empfangseinheit 12 des Radarsensors 10 empfangen. Sendeeinheit 11 und Empfangseinheit 12 sind dabei auf der gleichen Seite der Gebäudewand 32 angeordnet. Insbesondere ist dies die äußere Seite des Gebäudes 30, was für die Praxis eine eher seltene Position ist, da PCM 2 vor allem im Innenausbau zum Einsatz kommt. Dementsprechend würde dann der Radarsensor 30 bevorzugt an der Innenseite der Gebäudewand 32 angeordnet. Das von der Empfangseinheit 12 empfangene resultierende Signal wird anschließend von einer Auswerteeinheit 20 ausgewertet, um die gespeicherte Wärmemenge im PCM 2 zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 20 ist hierfür auch mit dem Generator 13 verbunden, um Informationen hinsichtlich Emittierung und der Frequenz des gesendeten Radarsignals S zu erhalten, oder dieses selbst zu steuern.
Das Ergebnis der ermittelten vom PCM 2 gespeicherten Wärmeenergie wird schließlich von der Auswerteeinheit 20 an eine Regeleinheit 40 übermittelt, mit der eine Heizung 41 und eine Klimaanlage 42 geregelt werden. Die Regeleinheit 40 kann nunmehr eine dem Gebäude 30 über die Heizung 41 und/oder die Klimaanlage 42 zuzuführende oder abzuführende Wärmemenge in Abhängigkeit der im PCM 2 gespeicherten Wärmeenergie verändern. Es ist so insbesondere möglich, die zuzuführende oder abzuführende Wärmenergie insgesamt aufeinander abzustimmen und die Temperatur des Gebäudeinneren exakt auf eine gewünschte Solltemperatur zu regeln.
Gemäß der Darstellung ist das PCM 2 bistabil und die Regeleinheit 40 mit einer Auslösevorrichtung 50 verbunden, mittels der eine Wärmeabgabe des PCMs 2 auslösbar ist. Die Wärmeabgabe wird von der Regeleinheit 40 ausgelöst, wenn Wärmenergie im PCM 2 gespeichert ist und abgegeben werden soll. Für die Sollzeitpunkte sind in der Regeleinheit 40 verschiedene Kriterien hinterlegbar.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Latentwärmespeicher
2 Phasenwechselmaterial (PCM)
10 Radarsensor
11 Sendeeinheit
12 Empfangseinheit
13 Pulsgenerator
20 Auswerteeinheit
30 Gebäude
31 Gebäudebauteil
32 Gebäudewand
40 Regeleinheit
41 Heizanlage
42 Klimatisierung
50 Auslösevorrichtung
R resultierendes Signal
S Radarsignal
T, F Aggregatzustand
T fester Aggregatzustand
F flüssiger Aggregatzustand

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Bestimmung einer in einem Latentwärmespeicher (1 ) mit einem Phasenwechselmaterial (2) gespeicherten Wärmeenergie, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (20) mittels eines Radarsignals (S) eines Radarsensors (10) den Aggregatzustand (T, F) oder Anteile einer Aggregatphase (T, F) des Phasenwechselmatenals (2) bestimmt, sowie mit dem bestimmten Aggregatzustand (T, F) oder dessen Anteilen und einem hinterlegten Mengenwert des Phasenwechselmatenals (2) die gespeicherte Wärmeenergie ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Radarsensor (10) als Radarsignal (S) hochfrequente elektromagnetische Wellen sendet und/oder empfängt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20) mittels eines kapazitiven Messverfahrens oder mittels eines optischen Messverfahrens, oder mittels einer Messung der elektrischen Leitfähigkeit den Aggregatzustand (T, F) oder die Anteile der Aggregatzustände (T, F) des Phasenwechselmatenals (2) bestimmt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (1 ) in oder an einem Gebäudebauteil (31 ) angeordnet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (1 ) in oder an einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (1 ) eine Vielzahl an Mikrokapseln aufweist, in denen Phasenwechselmaterial (2) enthalten ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (1 ) einen Speicherbehälter für das Phasenwechselmaterial (2) aufweist.
8. Verfahren zur Regelung einer Heizung (41 ) und/oder einer Klimaanlage (42), dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren zur Bestimmung einer in einem Latentwärmespeicher
(1 ) mit einem Phasenwechselmaterial (2) gespeicherten Wärmeenergie nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird, wobei die Auswerteeinheit (20) die ermittelte gespeicherte Wärmeenergie an eine Regeleinheit (40) übermittelt, mit der die Heizung (41 ) und/oder die Klimaanlage (42) geregelt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (40) eine über die Heizung (41 ) und/oder die Klimaanlage (42) zuzuführende oder abzuführende Wärmemenge in Abhängigkeit der im Phasenwechselmaterial (2) gespeicherten Wärmeenergie verändert.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (40) mit einer Auslösevorrichtung (50) verbunden ist, mittels der eine Wärmeabgabe des Phasenwechselmaterials (2) auslösbar ist, wobei die Wärmeabgabe von der Regeleinheit (40) ausgelöst wird, wenn Wärmenergie im Phasenwechselmaterial
(2) gespeichert ist und abgegeben werden soll.
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