VDI 2164-2016 PCM energy storage systems in building services.pdf

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1、ICS 27.010, 91.140.01 VDI-RICHTLINIEN Dezember 2016 December 2016 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE PCM-Energiespeichersysteme in der Gebudetechnik PCM energy storage systems in building services VDI 2164 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. T

2、he German version of this standard shall be taken as authori- tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Bauen und Gebudetechnik (GBG) Fachbereich Technische Gebudeausrstung VDI-Handbuch Wrme-/Heiztechnik VDI-Handbuch Raumlufttechnik Vervielfltigung a

3、uch fr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permitted Frhere Ausgabe: 02.15 Entwurf, deutsch Former edition: 02/15 Draft, in German only Zu beziehen durch / Available at Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Verein

4、Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 2 2 Normative Verweise 3 3 Begriffe 4 4 Formelzeichen und Indizes 6 5 Grundlagen 8 5.1 Ausfhrungsformen von Phasenwechselmaterialien . 8 5.2 Verfahren zur Bestimmung von Eigensc

5、haften durch Messung oder Berechnung 15 5.3 Brandschutz . 19 5.4 Passive und aktive Latentwrmespeichersysteme (mit/ohne Hilfsenergie) 19 6 Auslegung von PCM- Energiespeichersystemen 20 6.1 Passive Flchenheiz- und - khlsysteme . 20 6.2 Aktive Flchenheiz- und -khlsysteme 29 6.3 Dezentrale Lftungssyste

6、me fr den Khlbetrieb 36 6.4 Zentrale Lftungssysteme fr den Heiz- und Khlbetrieb 47 6.5 Energiespeicher in hydraulischen Systemen 55 7 Leistungsbestimmung von PCM- Energiespeichersysteme 61 7.1 Passive Flchenheiz- und -khlsysteme 61 7.2 Aktive Flchenheiz- und -khlsysteme 61 7.3 Dezentrale Lftungssyst

7、eme fr den Khlbetrieb 62 7.4 Zentrale Lftungssysteme fr den Heiz- und Khlbetrieb 65 7.5 Energiespeicher in hydraulischen Systemen 67 Schrifttum 70 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 2 2 Normative references . 3 3 Terms and definitions 4 4 Symbols and indices 6 5 Fundamentals . 8 5.1 Desig

8、n types of phase change materials. 8 5.2 Methods for determining properties through measurement or calculation 15 5.3 Fire protection 19 5.4 Passive and active latent heat storage systems (with/without auxiliary energy) . 19 6 Designing of PCM energy storage systems . 20 6.1 Passive panel heating an

9、d cooling systems 20 6.2 Active panel heating and cooling systems 29 6.3 Local ventilation systems for cooling operation 36 6.4 Central ventilation systems for heating and cooling operation 47 6.5 Energy storage units in hydraulic systems 55 7 Capacity determination of PCM energy storage systems . 6

10、1 7.1 Passive panel heating and cooling systems 61 7.2 Active panel heating and cooling systems 61 7.3 Local ventilation systems for cooling operation 62 7.4 Central ventilation systems for heating and cooling operation 65 7.5 Energy storage units in hydraulic systems 67 Bibliography 70B974908A824A6

11、748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29 BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04 2 VDI 2164 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be- achtung der Vorgaben un

12、d Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn- dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der L

13、izenzbe- dingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this standard has been developed in strict accordance with the requirements and r

14、ecom- mendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint- ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this standard without infringement of copyright is p

15、ermitted subject to the licensing con- ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. Einleitung PCM-Energiespeichersysteme, die Phasenwechsel- materialien beinhalten, sind vor allem als Eisspei- cher auf

16、 Wasserbasis ein seit langer Zeit in der tech- nischen Gebudeausrstung (TGA) bekanntes und oft eingesetztes Mittel. Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials PCM) haben die Einsatzberei- che in der TGA dabei so weit erweitert, dass voll- kommen neue S

17、ysteme und Komponenten zur Ener- gieeinsparung und Effizienzsteigerung entstehen. ber ein Drittel des Energieverbrauchs in Deutsch- land fllt im Gebudesektor an. Die grte Mglich- keit zur Senkung des Primrenergieverbrauchs liegt daher in der Steigerung der Energieeffizienz in der Gebudetechnik sowie

18、 bei Beheizung, Khlung und Belftung der Gebude. Neben gesetzlichen Vorga- ben, z. B. EnEV, werden diese Ziele durch Einfh- rung weiterer Gesetze, wie das EEWrmeG, fr die Nutzung regenerativer Energien verfolgt. Je mehr unsere Energieversorgung auf regenerative Energiequellen aufbaut, umso hufiger fa

19、llen Ener- giebedarf und Energieerzeugung zeitlich nicht zu- sammen. Gebude mssen deshalb verstrkt selbst in der Lage sein, Energien temporr zu speichern. In dieser Richtlinie werden erstmals die Grundlagen definiert, um Phasenwechselspeichermaterialien in Systemen der technischen Gebudeausrstung ei

20、nset- zen zu knnen. Aufbauend auf diesen Grundlagen werden PCM-Speichersysteme beschrieben sowie de- ren Planungs- und Berechnungsverfahren aufgezeigt. Introduction PCM energy storage systems, which contain phase change materials, have been known and in wide- spread use in building services for a lo

21、ng time, par- ticularly in the form of water-based ice storage sys- tems. Current developments in the field of phase change materials (PCMs) have extended the appli- cations in the building services to such an extent that completely new systems and components for saving energy and increasing efficie

22、ncy are obtained. The building sector accounts for more than a third of energy consumption in Germany. Hence, the largest potential for lowering the primary-energy consumption lies in increasing the energy efficiency in building engineering and in the heating, cooling and ventilation of the building

23、s. In addition to legal provisions, e.g. EnEV, these goals are pursued by introducing further laws pertaining to the use of re- newable energies, such as the EEWrmeG. The more our energy supplies rely on renewable en- ergy sources, the more often the times of energy de- mand and energy generation do

24、 not coincide. Hence, buildings are increasingly required to be capable of providing temporary energy storage by themselves. This standard is the first to define the fundamentals underlying the use of PCM storage materials in building services systems. Based on these funda- mentals, PCM storage syst

25、ems are described and procedures for planning and calculating PCM stor- age systems are presented. 1 Anwendungsbereich In dieser Richtlinie werden Grundbegriffe und De- finitionen fr PCM-Energiespeichersysteme in der Gebudetechnik vermittelt und die fr diese Sys- teme erforderlichen Gerte und Verfah

26、ren sowie de-1 Scope This standard conveys fundamental terms and defi- nitions for PCM energy storage systems in the building services and describes the devices and pro- cedures required for these systems as well as their B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19

27、CFC1FB2DEE1C29 BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 VDI 2164 3 ren Auslegung und Leistungsparameter beschrie- ben. Grundlagen zur Quantifizierung der Reduktion des Energieaufwands und damit der CO 2-Emission wer- den beschr

28、ieben. Im Rahmen dieser Richtlinie werden Definitionen sowie Auslegungs- und Berechnungsgrundlagen fr folgende PCM-Energiespeichersysteme behandelt: passive Flchenheiz- und -khlsysteme (z. B. Baustoffe, Bauteile) aktive Flchenheiz- und -khlsysteme (z. B. Khldecken) dezentrale Lftungssysteme fr den K

29、hlbetrieb zentrale Lftungssysteme fr den Heiz- und Khlbetrieb Energiespeicher Eisspeicher und Slurries werden nicht in dieser Richtlinie behandelt. design and the performance parameters. Basic principles of quantifying the reduction of en- ergy consumption and, thus, of CO 2-emissions are described.

30、 This standard deals with definitions and basic design and calculation principles for the following PCM en- ergy storage systems: passive panel heating and cooling systems (e.g. building materials, building components) active panel heating and cooling systems (e.g. chilled ceilings) local ventilatio

31、n systems for cooling operation central ventilation systems for heating and cool- ing operation energy storage systems Ice storage systems and slurries are not addressed by this standard. 2 Normative Verweise Die folgenden zitierten Dokumente sind fr die An- wendung dieser Richtlinie erforderlich: D

32、IN EN 14240:2004-04 Lftung von Gebuden; Khldecken; Prfung und Bewertung; Deutsche Fassung EN 14240:2004 DIN EN 16798-1:2015-07 Gesamtenergieeffizienz von Gebuden; Teil 1: Eingangsparameter fr das Innenraumklima zur Auslegung und Bewer- tung der Energieeffizienz von Gebuden bezg- lich Raumluftqualitt

33、, Temperatur, Licht und Akustik; Module M1-6; Deutsche und Englische Fassung prEN 16798-1:2015 DIN EN 16798-3:2015-01 Energieeffizienz von Gebuden; Teil 3: Lftung von Nichtwohnge- buden; Anforderungen an die Leistung von Lftungs- und Klimaanlagen und Raumkhlsys- temen; (berarbeitung EN 13779); Deuts

34、che Fassung prEN 16798-3:2014 RAL-GZ 896:2013-11 Phase Change Material (Phasenwechselmaterial); Gtesicherung VDI 4700 Blatt 1:2015-10 Begriffe der Bau- und Gebudetechnik VDI 6020 Blatt 1:2001-05 Anforderungen an Re- chenverfahren zur Gebude- und Anlagensimu- lation; Gebudesimulation VDI 6034:2011-02

35、 Raumkhlflchen; Planung, Bau und Betrieb VDI 6035:2009-09 Raumlufttechnik; Dezentrale Lftungsgerte; Fassadenlftungsgerte (VDI- Lftungsregeln) 2 Normative references The following referenced documents are indispen- sable for the application of this standard: DIN EN 14240:2004-04 Ventilation for build

36、ings; Chilled ceilings; Testing and rating; German version EN 14240:2004 DIN EN 16798-1:2015-07 Energy performance of buildings; Part 1: Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and

37、 acoustics; Module M1-6; German and English version prEN 16798-1:2015 DIN EN 16798-3:2015-01 Energy performance of buildings; Part 3: Ventilation for non-residential buildings; Performance requirements for ventila- tion and room-conditioning systems; (revision of EN 13779); German version prEN 16798

38、-3: 2014 RAL-GZ 896:2013-11 Phase Change Material; Quality Assurance VDI 4700 Blatt 1:2015-10 Terminology of civil en- gineering and building services VDI 6020 Part 1:2001-05 Requirements on meth- ods of calculation to thermal and energy simula- tion of buildings and plants; Buildings VDI 6034:2011-

39、02 Cooling surfaces for rooms; Planning, installation and operation VDI 6035:2009-09 Ventilation and air-conditioning technology; Decentralized ventilation systems; Wall-mounted air-conditioners (VDI ventilation code of practice) B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F

40、0686BD19CFC1FB2DEE1C29 BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04 4 VDI 2164 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016 3 Begriffe Fr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die Be- griffe nach VDI 4700 Blatt 1 und die folgenden Be- griffe: aktives Latentwrmespeichers

41、ystem PCM-S mit zustzlichen Regeleinrichtungen und gegebenenfalls technischen Hilfseinrichtungen, um den Wrmebergang des Speichers an die Umge- bung oder angeschlossene Systeme kontrollieren zu knnen Anmerkung: Eine zeitliche Steuerung der Wrmeaufnahme und Wrmeabgabe oder eine aktive Beeinflussung d

42、er aufge- nommenen oder abgegebenen Wrmeleistung sind so mglich. Beladeleistung Leistung, berechnet als Quotient der in einem fest- gelegten Zeitintervall aufgenommenen Energie und dem Zeitintervall Beladezeit Zeit fr eine vollstndige Beladung des Speichers Einsatztemperaturbereich Temperaturbereich

43、, in dem eine PCM-Anwendung blicherweise betrieben wird Anmerkung: Der Einsatztemperaturbereich soll mglichst den gesamten Phasenbergangstemperaturbereich abdecken. Entladeleistung Leistung, berechnet als Quotient der in einem fest- gelegten Zeitintervall abgegebenen Energie und dem Zeitintervall En

44、tladezeit Zeit fr eine vollstndige Entladung des SpeichersNukleationstemperatur Temperatur beim Einsetzen der Kristallisation Passives Latentwrmespeichersystem PCM-S ohne Regeleinrichtungen und technische Hilfseinrichtungen, zur Beeinflussung der Wr- meaufnahme oder -abgabe Anmerkung: Die Wrmeaufnah

45、me oder -abgabe (Leistung und Temperaturbereich) des PCM-S ergibt sich aus dem Schmelzbereich des verwendeten PCMs, der Konstruktion, so- wie den sich einstellenden Temperaturdifferenzen. PCM (Phase Change Material, Latentwrmespei- chermaterial, Phasenwechselmaterial) Material, das in einem definier

46、ten Temperaturbe- reich reproduzierbar einen weitgehend druckunab- hngigen Phasenbergang ohne signifikante Volu- mennderung vollzieht, der wrmetechnisch nutz- bar ist 3 Terms and definitions For the purposes of this standard, the terms and def- initions as per VDI 4700 Blatt 1 and the following term

47、s and definitions apply: active latent heat storage system PCM-S having additional controls and, where re- quired, technical auxiliary equipment to control heat transfer from the storage unit to the environment or connected systems Note: This allows time control of heat absorption and heat re- lease

48、 or actively influencing the quantity of heat energy ab- sorbed or released. charge power power, calculated as the ratio of energy absorbed during a specified time interval to the time intervalcharge time time required for complete charging of storage unit operating temperature range temperature ran

49、ge in which a PCM application is typically operated Note: The operating temperature range shall ideally cover the entire phase change temperature range. discharge power power, calculated as the ratio of energy released during a specified time interval to the time intervaldischarge time time required for complete discharging of storage unit nucleation temperature temperature marking the onset of solidification pas