Wärmekapazität und Latentspeicher

Die Latentwärmespeicher (LWS) besitzen  eine große Speicherkapazität auf kleinem Raum und bieten somit deutliche Vorteile gegenüber Wasserspeichern. Sie nutzen neben der sensiblen (fühlbaren) Wärme auch die latente Wärme (z.B. Schmelzwärme). Das Wärmeträgermaterial Paraffin wird auch Phase-Change-Material (PCM) genannt, weil es beim Erwärmen vom festen Zustand in den flüssigen Zustand umgewandelt wird, und dabei deutlich mehr Energie aufnehmen und auch wieder abgeben kann als Wasser. In der folgenden Grafik zeigt verschiedene  Stoffe und deren Fähigkeit Wärme zu speichern. Dabei kommt die überragende Dominanz des Paraffins gegenüber Wasser deutlich zum Vorschein.
Der Vorteil dieses Speicherprozesses liegt in der Fähigkeit des PCM, dass es beim Schmelzen enorm viel Wärme (Schmelzwärme) aufnehmen kann, ohne dass sich dabei die Temperatur erhöht. Bei der Wärmeentnahme verläuft der Prozess in umgekehrter Reihenfolge und die Wärme wird langsam aus dem PCM entnommen.
Die Grafik (rechts) zeigt den Verlauf der Temperatur während dieser  Prozesse.

Latentwärmespeicher in der Heizungs-,  Klima-, Lüftungs- und Sanitärtechnik Der Wunsch, energiesparend zu heizen und regenerative Energien zu nutzen, setzt oft eine große Wärmespeicherkapazität voraus, um gute Resultate zu erzielen. Durch den Einsatz eines geeigneten Latentwärmespeichermaterials können künftig kompakte Speicher mit großen Kapazitäten für viele Anwendungszwecke in der Heizungs- und Lüftungsindustrie realisiert werden. Die entscheidende Frage jedoch ist, welche Einsatzgebiete im Vergleich zu bekannten Wasserspeichern wirklich vertretbar  sind. Der Ansatz einer technischen Bewertung soll mit diesem Beitrag gegeben werden. Vorteile der latenten Wärmespeicherung In den meisten Wärmespeichern - wie z. B. dem  klassischen Warmwasserspeicher - wird nur die sogenannte sensible Wärme  genutzt, d. h. die durch eine Temperaturänderung fühlbare Wärme.  Die Wärmekapazität eines solchen Speichers kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden: Q = m · cp · deltaT In einem reinen Latentwärmespeicher steht neben der sensiblen Wärme aber auch die latente Wärme (Schmelzenthalpie) des Speichermaterials zur Verfügung, die beim Aufschmelzen zugeführt  werden muss und beim Erstarren wieder freigesetzt wird. Q = (m · cp · deltaT)PCM + (m ·  delta hs )PCM In einem Latentwärmespeicher mit einem Wasser/PCM Gemisch steht neben der sensiblen Wärme aber auch die latente Wärme (Schmelzenthalpie) des Speichermaterials zur Verfügung, die beim Aufschmelzen zugeführt werden muss und beim Erstarren wieder freigesetzt wird. Q = (m · cp · deltaT)WASSER + (m · cp · deltaT)PCM +(m ·  delta hs )PCM

Dabei bedeutet: Q Wärmemenge [kJ] m Masse des Speichermaterials [kg] cp spezifische Wärmekapazität  [kJ/kg·K] delta T Temperaturänderung des Speichermaterials [K] delta hs spezifische Schmelzenthalpie des Speichermaterials

Die nachfolgende Grafik verdeutlicht das Verhältnis der Speicherkapazität von Wasser und Paraffin (PCM) und zeigt die  verbesserte Wärmekapazität von Latentspeichern gegenüber reinen Wasserspeichern

In dieser Geradengleichung ist die Temperaturdifferenz deltaT die Variable, der cp-Wert der Steigungsfaktor und die Schmelzenthalpie delta hs der Achsenabschnitt auf der Ordinate. Es gilt: Je kleiner die Temperaturdifferenz, um so größer der Vorteil des Latentwärmespeichers gegenüber einem Warmwasserspeicher.