Elastokalorisches Klimamodul

Material

Elastokalorische Materialien sind eine Klasse von Festkörper, die unter der Wirkung mechanischer Belastung Wärme- bzw. Kälteeffekte zeigen. Die nachfolgende Abbildung zeigt Wärmebild-Aufnahmen dieses Effekts in einem Nickel-Titan Draht: Unter Zugbelastung gibt der Draht Wärme an die Umgebung ab, d.h. es tritt eine Heizwirkung ein. Bei Zugentlastung nimmt der Draht Wärme aus der Umgebung auf, d.h. es tritt eine Kühlwirkung ein:

Aufgrund der erzielbaren Arbeitstemperaturen kann dieses Material besonders gut im Bereich der Gebäudeklimatisierung eingesetzt werden, speziell in der Kombination mit Lüftungsanlagen. In diesem Fall passt der technisch benötigte Temperaturhub sehr gut zu der Leistungscharakteristik des elastokalorischen Materials. Die Wärme wird von dem Material direkt an die Raumluft abgegeben, so dass zusätzliche, Wärmetransport-bedingte Temperaturverluste weitgehend entfallen. In Kombination mit einem intelligenten Lüftungsmanagement hat die elastokalorische Technologie hier das Potential, die Klimatisierung und Beheizung moderner Gebäude vollständig zu decken. Dabei kann die elastokalorische Technologie sowohl zum Heizen im Winter, als auch zum Kühlen im Sommer verwendet werden. Das Umschalten zwischen Sommer- und Winterbetrieb in derselben Baueinheit ist ohne prinzipielle Änderungen des zu Grunde liegenden elastokalorischen Kreisprozesses möglich.

Verfahrenskonzept

Die Elastokalorik GmbH entwickelt ein elastokalorisches Klimamodul für den Einsatz in Raum Lüftungssystemen. Das Patent für das folgend beschriebene Verfahren wurde im September 2023 unter der Patentnummer DE102020113771 erteilt.

Das Klimamodul verwendet das elastokalorische Material in Form von Drähten, Folien oder Filmen, die zu einer Schlaufe geschlossen werden. Die Schlaufe wird durch zwei parallele Rollen unter einem gewissen Abstand aufgespannt, wie diese Abbildung zeigt:

Durch die Rollen wird die Materialschlaufe mittels Motor und Getriebe (nicht dargestellt) in einem kontinuierlich umlaufenden Kreisprozess betrieben. Der Antrieb wird dabei so geführt, dass die Rollen ungleiche Geschwindigkeiten erfahren. Die Differenz der Geschwinddigkeiten bewirkt entlang der freien Lauflänge von der langsameren zur schnelleren Rolle eine Zugbelastung der elastokalorischen Ma- terialschlaufe. Auf der anderen Seite bewirkt der Geschwindigkeitsunterschied der Rollen eine Zugentlastung der Materialschlaufe. Durch die so geschaffenen Belastungs-/Entlastungsstrecken tritt der elastokalorische Wärmeeffekt lokalisiert ein: Auf der Belastungsseite gibt das elastokalorische Material Wärme ab und auf der Entlastungsseite nimmt das elastokalorische Material Wärme auf. Im Anwendungsfall als Wärmepumpe wird Heizwärme entlang des Strömungspfades W₁ - W₂ - W₃ an die Zuluft abgegeben und es wird Quellenwärme entlang des Pfades K₁ - K₂ - K₃ aufgenommen. Derselbe Prozess kann auch Klimatisierungskälte liefern: Durch Vertauschung der Strömungspfade kann die Zuluft in diesem Fall gekühlt werden.

Für das skizzierte Elastokalorisches Klimamodul gibt es heute kein technisches Vorbild am Markt. Das technische Konzept wurde mit wissenschaftlichen Methoden in ein physikalisch-mathematisches Anlagenmodell überführt, anhand dessen die theoretische Machbarkeit überprüft wurde. Die erforderlichen technischen Entwicklungsschritte bis zur Marktreife wurden identifiziert.

Materialtechnische Herausforderung

Eine Herausforderung besteht in dem ingenieurs- und materialtechnischen Management der Materialermüdung des elastokalorischen Arbeitsmaterials. Es ist bekannt, dass zyklische mechanische Belastungen die Arbeitskennlinie des elastokalorischen Material verschieben kann (funktionale Ermüdung). Die Ermüdungsphänomene sind besonders für Nickel-Titan Legierungen intensiv beforscht worden, da diese Materialklasse auch für die Medizintechnik ein wichtiger Grundwerkstoff ist. Für die Verwendung als elakastokalorisches Kältemittel wurden in den vergangenen Jahre neue, verbesserte Legierungssysteme entwickelt. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit zeigen, dass die verbesserten Legierungen bereits heute akzeptable Ermüdungscharakteristiken aufweisen, die einen Einsatz in elastokalorischen Wärmepumpen/Kältemaschinen ermöglichen. Trotz dieser Erfolge müssen die verbleibenden Ermüdungserscheinungen durch geeignete Massnahmen zu kontrolliert werden. Die Elastokalorik GmbH verfolgt mehrere Lösungsrouten, von der grundlegende Prozessauslegung, über die Auswahl der eingesetzten Materialien bis zur Entwicklung eines geeigneten Wartungskonzepts des Endprodukts.