Entwicklung eines kombinierten Warmwasser- Sorptionswärmespeichers für thermische Solaranlagen KoWaSS -

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1 Programm Lebensgrundlage Umwelt und ihre Sicherung (BWPLUS) Kurzbericht anlässlich des Statuskolloquiums Umweltforschung Baden-Württemberg 13 am. und 21. Februar 13 im KIT-Campus Nord Entwicklung eines kombinierten Warmwasser- Sorptionswärmespeichers für thermische Solaranlagen KoWaSS - H. Kerskes, R. Weber Universität Stuttgart Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Förderkennzeichen: BWE Laufzeit: Die Arbeiten des Programms Lebensgrundlage Umwelt und ihre Sicherung werden mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg gefördert

2 Forschungsvorhaben BWE27008 (KoWaSS) 1 Entwicklung eines kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeichers für thermische Solaranlagen KoWaSS H. Kerskes, R. Weber Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Universität Stuttgart Kurzbericht Dieser Kurzbericht gibt einen Überblick über die im Jahr 12 durchgeführten Arbeiten. Eine ausführliche Beschreibung erfolgt im Abschlussbericht. 1. Umbau des Prototypspeichers Anhand der Erkenntnisse aus den durchgeführten Untersuchungen wurde der vorhandene Prototypspeicher (im Folgenden mit V1 bezeichnet) umgebaut. Der erweiterte Prototyp (V2) weist folgende Neuerungen auf: Entsprechend der Empfehlungen der Gutachter wurde das Sorptionsmaterial Zeolith 4A ersetzt. Mit dem Wechsel zu Zeolith 13XBF kommt der für diesen Einsatzzweck derzeit am besten geeignete kommerziell erhältliche Zeolith zum Einsatz (Sorptionsisothermen in Abbildung 1). Der Desorptionswärmeübertrager aus Wellrohr wurde durch eine Edelstahlwendel mit gleichmäßiger Steigung ersetzt (siehe Abbildung 2), um bei der Desorption eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Sorptionsmaterial zu erreichen. Zur Rückgewinnung der Energie der austretenden Luft wurde ein Luft/Luft-Wärmeübertrager eingesetzt (siehe Abbildung 3). Der Versuchsstand wurde um eine Einrichtung zur definierten Warmwasserentnahme aus dem Warmwasserspeicher erweitert, um Trinkwasserlastprofile aufprägen zu können X / kg/kg C C C 100 C 1 C 2 C 25 C Meas. C Meas. C Meas. 100 C Meas. 1 C Meas. 2 C Meas p / mbar Abbildung 1: Messwerte der Gleichgewichtsbeladung von Zeolith 13XBF und angepasste Isothermen nach dem Ansatz von Gorbach [1], Messungen ITW Abbildung 2: regelmäßig gewickelter Wärmeübertrager für die Desorption Abbildung 3: Luft/Luft- Wärmeübertrager

3 Forschungsvorhaben BWE27008 (KoWaSS) 2 2. Experimentelle Untersuchungen 2.1 Adsorption In den Abbildungen 5 bis 10 sind die experimentellen Ergebnisse jeweils einer Adsorption mit Prototyp V1 und V2 gegenübergestellt. Die Erklärung der Kurven in den Diagrammen ist in der schematischen Darstellung des Speichers in Abbildung 4 gegeben. Durch den Einsatz des Luft/Luft-Wärmeübertragers in Prototyp V2 wurde der Effekt erzielt, dass die Energie der austretenden Luft zurückgewonnen wird und sich somit deutlich geringere Verluste ergeben. Die eintretende Luft tritt dadurch vorgewärmt in den Speicher ein. Somit wird die Temperatur im Sorptionsspeicher insgesamt angehoben, wodurch sich ein höheres treibendes Temperaturgefälle zum Warmwasserspeicher ergibt, was den Wärmeübergang verbessert. Daraus resultiert eine größere Temperaturerhöhung im Warmwasserspeicher. Wasser Zeolith Luftspalt Kernrohr Bei den Versuchen mit dem Prototyp V1 wurde bei der Desorption eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Sorptionsmaterial festgestellt. Als Ursache wurde die ungleichmäßige Steigung des De- Desorptionswärmeübertrager Temperaturmessung: Linienart im Diagramm Abbildung 4: schematische Darstellung des Speichers mit Begriffen und Positionen der Temperaturmessstellen Eintritt 45 Austritt Abbildung 5: Temperaturen in der Zeolithschüttung (4A), Luftvolumenstrom m 3 /h, Prototyp V1 Abbildung 6: Temperaturen der ein- und austretenden Luft, Luftvolumenstrom m 3 /h, Prototyp V1 Abbildung 7: Temperaturen im Warmwasserspeicher, Luftvolumenstrom m 3 /h, Prototyp V Abbildung 8: Temperaturen in der Zeolithschüttung (13XBF), Luftvolumenstrom 80 m 3 /h, Prototyp V2 Abbildung 9: Temperaturen der ein- und austretenden Luft, Luftvolumenstrom 80 m 3 /h, Prototyp V2 Abbildung 10: Temperaturen im Warmwasserspeicher, Luftvolumenstrom 80 m 3 /h, Prototyp V2 2.2 Desorption

4 Forschungsvorhaben BWE27008 (KoWaSS) 3 sorptionswärmeübertragers identifiziert, der infolgedessen durch eine regelmäßige Wendel ersetzt wurde. Ein Vergleich der Temperaturen im Sorptionsspeicher während der Desorption bei Prototyp V1 und V2 ist in den Abbildungen 11 und 12 gezeigt. Die gleichmäßige Steigung des Desorptionswärmeübertragers von Prototyp V2 bewirkt eine einheitlichere Temperatur im Zeolithbett. Die erreichte mittlere Temperatur im Sorptionsspeicher ist etwa 10 K höher. Abbildung 11: Temperaturen in der Zeolithschüttung (4A) während einer Desorption, Luftvolumenstrom m 3 /h, Prototyp V1 Abbildung 12: Temperaturen in der Zeolithschüttung (13XBF) während einer Desorption, Luftvolumenstrom m 3 /h, Prototyp V2 2.3 Trinkwasserlast Um dem Speicher ein Lastprofil aufprägen zu können wurde eine Testsequenz für eine Warmwasserentnahme in Anlehnung an die Norm ISO programmiert. Die Testsequenz wurde ohne Adsorption (Abbildung 13) und mit Adsorption (Abbildung 14) durchgeführt. Es ergibt sich jeweils der folgende Ablauf: Speicherkonditionierung auf 45 C, 5 Warmwasserentnahmen im Abstand von 2 Stunden, Speicherkonditionierung. Bei der Testsequenz ohne Adsorption kühlt sich der Speicher erwartungsgemäß mit jeder Warmwasserentnahme von unten her weiter ab. Die Nutztemperatur wird bereits unterschritten, bevor das gesamte Wasservolumen ausgetauscht ist. Bei der Testsequenz mit laufender Adsorption erwärmt sich das Wasser nach jeder Wasserentnahme und der Bereitschaftsteil weist am Ende der Testsequenz noch Nutztemperatur auf. Dem Speicher wurden dabei etwa % mehr Warmwasser oberhalb der Nutztemperatur entnommen als beim Test ohne Adsorption. Die innere Energie des Speichers nach der fünften Wasserentnahme war im Vergleich 26 % höher. Es wird deutlich, dass der gewünschte Effekt, eine Wärmezufuhr mit geringer Leistung durch Adsorption, die thermische Leistungsfähigkeit des Speichers unter realen Betriebsbedingungen verbessert. Die experimentellen Daten können für einen Vergleich mit dem TRNSYS-Modell des kombinierten Speichers herangezogen werden. Abbildung 13: Temperaturen im Warmwasserspeicher (1: oberer Speicherbereich 7: unterer Speicherbereich), Test ohne Adsorption Abbildung 14: Temperaturen im Warmwasserspeicher (1: oberer Speicherbereich 7: unterer Speicherbereich), Test mit Adsorption

5 Forschungsvorhaben BWE27008 (KoWaSS) 4 3. Numerische Untersuchungen 3.1 Sorptionswärmespeicher In den experimentellen Untersuchungen wurden entscheidende Faktoren im Hinblick auf einen effizienten Betrieb des Speichers identifiziert. Herausforderungen stellen der Wärmetransport vom Sorptionswärmespeicher an den Warmwasserspeicher dar sowie die Wärmezufuhr in das Sorptionsmaterial während der Desorption. Diese Punkte wurden mithilfe von CFD-Simulationen untersucht Wärmeeintrag in das Speichermaterial Die im letzten Zwischenbericht vorgestellten Untersuchungen bezüglich des Wärmeeintrags in das Sorptionsmaterial wurden weitergeführt und verschiedene Anordnungen des Desorptionswärmeübertragers untersucht, um zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung auf hohem Niveau zu gelangen. Die Ergebnisse sind in Abbildung 15 dargestellt. (a) Unregelmäßige Anordnung stark inhomogenes Temperaturfeld (b) Regelmäßige Anordnung Temperaturgefälle von unten nach oben (c) Dichtere Wicklung im oberen Bereich Gleichmäßige Temperaturverteilung (d) Eintretende Luft vorgewärmt Temperaturniveau angehoben Abbildung 15: Temperaturprofil des Sorptionswärmespeichers aus Simulation, Luftvolumenstrom m 3 /h Wärmetransport vom Sorptionsspeicher in den Warmwasserspeicher Der luftseitige Wärmeübergang stellt den limitierenden Faktor beim Wärmetransport vom Sorptionsspeicher an den Warmwasserspeicher dar. Durch den Einsatz von Rippen bzw. Turbulenzpromotoren, etwa in Form von profilierten Blechen, kann der Wärmeübergang gesteigert werden. Die Auswahl eines geeigneten Turbulenzmodells für die Simulation erfolgte durch Vergleich mit experimentellen Untersuchungen eines längs angeströmten Kanals mit Turbulenzpromotoren aus der Literatur [2], bei denen Reynoldszahlen im Bereich des laminar-turbulenten Umschlags betrachtet werden. In Abbildung 16 sind beispielhaft die u-geschwindigkeitskomponenten einer Simulation und des Experiment in Ausschnitten des Kanals dargestellt. Mit dem Transitions-k-kl-ω-Turbulenzmodell wurde der Wärmeübergang im quer angeströmten Kanal bzw. Ringspalt mit verschiedenen Oberflächenstrukturen untersucht (siehe Abbildung 17 bis 19). Wie in Tabelle 1 gezeigt, führen hemisphärische Dellen, flügelförmige Profile oder Rippe-Nut Anordnungen zu einem deutlichen Anstieg des Wärmestroms im Vergleich zu einer glatten Oberfläche.

6 Forschungsvorhaben BWE27008 (KoWaSS) 5 y/h m/s x/e y/h Simulation k-kl-ω Literatur Exp x/e: Position x entlang des Kanals bezogen auf die Rippenhöhe e, y/h: vertikale Position y bezogen auf die Kanalhöhe h Abbildung 16: u-geschwindigkeitskomponenten, Ausschnitte des längs anströmten Kanals aus der Literatur [2] x/e Zeolith Wasser Luftkanal Abbildung 17: Ringspaltförmiger Luftkanal im kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeicher Abbildung 18: Simulationsgebiet Abbildung 19: (a) flügelförmige Turbulenzpromotoren in multi-v-anordnung, (b) konvexe hemisphärische Dellen und (c) abgeschrägte Rippe-Nut Strukturen in multi-v-anordnung Tabelle 1 : Druckverlust, Wärmestrom und Effektivität verschiedener Oberflächenstrukturen Anordnung p [Pa] Q. [W] Glatt 2,3 2 1 Flügelform (a) 5, ,96 Rippe-Nut (c) 3, ,4 Dellen (b) 5, , Systemsimulation Um die Leistungsfähigkeit des kombinierten Speichers, auch im Vergleich mit Standardspeichern, bewerten zu können wurde eine TRNSYS-Komponente programmiert, die die physikalischen Vorgänge im Sorptionsspeicher abbildet und das Software Paket PDEX-Pack zur Lösung der Systemgleichungen nutzt TRNSYS-Modell des kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeichers Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten zeigt eine gute Übereinstimmung. In Abbildung und 21 ist beispielhaft der zeitliche Temperaturverlauf aus Experiment und Simulation an drei radialen Positionen im Sorptionsspeicher dargestellt.

7 Forschungsvorhaben BWE27008 (KoWaSS) 6 Abbildung : Temperaturverlauf im Sorptionswärmespeicher, Experiment Abbildung 21: Temperaturverlauf im Sorptionswärmespeicher, Simulation Jahressimulation Die Ergebnisse der Jahressimulation des Systems mit kombiniertem Warmwasser-Sorptionswärmespeicher und ein Vergleich mit einem Standardspeicher werden im Abschlussbericht dargestellt. Es wird vorweggenommen, dass sich die Ergebnisse in Bezug auf anteilige Energieeinsparung, Nachheiztage und Stagnationszeiten nicht im erhofften Umfang verbessert haben. Die prinzipiellen Effekte, die zu Beginn des Projekts erwartet wurden, konnten sichtbar gemacht werden. Die wesentlichen Limitierungen wurden erkannt und bearbeitet und konnten zum Großteil verbessert werden. Die energetischen bzw. thermischen Vorteile im Vergleich zu einem konventionellen System zeigten sich dagegen nur in geringem Maße. Am Ende des Projekts bleibt festzuhalten, dass der apparative Aufwand für eine solare Trinkwassererwärmung als hoch anzusehen ist, dass das Konzept aber nach wie vor sowohl theoretisch als auch technisch sehr interessant ist. Daher sollten andere Anwendungsmöglichkeiten, wie etwa die saisonale Speicherung thermischer Energie oder die thermische Speicherung elektrischer Überschussenergie, in Betracht gezogen werden. Literatur [1] A. GORBACH, M. STEGMAIER, G. EIGENBERGER. Measurement and Modeling of Water Vapor Adsorption on Zeolite 4A - Equilibria and Kinetics. Adsorption 10 (04) [2] R. TAUSCHER. Wärmeübergang mit Turbulenzanregung bei niedrigen Reynoldszahlen. Dissertation, Universität München, 00.

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