Planungsleitfaden zur geschichteten Be- und Entladung thermischer Speicher in solarthermischen Anlagen

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1 1 Einleitung Planungsleitfaden zur geschichteten Be- und Entladung thermischer Speicher in solarthermischen Anlagen Rolf Lohse, Stefan Göppert, Thorsten Urbaneck, Ulrich Schirmer, Bernd Platzer Technische Universität Chemnitz Fakultät für Maschinenbau Professur Technische Thermodynamik Jürgen Bühl, Andreas Nilius Technische Universität Ilmenau Fakultät für Maschinenbau Fachgebiet Thermo- und Magnetofluiddynamik 1

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3 Impressum Herausgeber: Autoren: Grafik: Druck: Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Maschinenbau Professur Technische Thermodynamik Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau Fachgebiet Thermo- und Magnetofluiddynamik Technische Universität Chemnitz Rolf Lohse, Stefan Göppert, Thorsten Urbaneck, Ulrich Schirmer, Bernd Platzer Technische Universität Ilmenau Jürgen Bühl, Andreas Nilius Die Autoren Printservice der Technischen Universität Chemnitz 2009 by Technische Universität Chemnitz Professur Technische Thermodynamik Chemnitz Technische Universität Ilmenau Fachgebiet Thermo- und Magnetofluiddynamik Postfach , Ilmenau ISBN Wichtiger Hinweis / Haftungsausschluss Die Texte und Zeichnungen in diesem Bericht entstanden mit größtmöglicher Sorgfalt und nach bestem Wissen. Da Fehler jedoch nie auszuschließen sind, möchten wir auf Folgendes hinweisen: Grundlage Ihrer Vorhaben sollten ausschließlich professionelle Planungen und Umsetzungen nach den jeweiligen Fachregeln und den anerkannten Regeln der Technik sein. Wir schließen jegliche Gewähr für die Richtigkeit aller in diesem Planungsleitfaden enthaltenen Zeichnungen, Grafiken und Texte aus, sie haben lediglich Beispielcharakter. Werden darin vermittelte Inhalte benutzt oder angewendet, so geschieht dies ausdrücklich auf eigenes Risiko. Eine Haftung des Herausgebers, des BMU oder der Autoren für unsachgemäße, unvollständige oder falsche Angaben und alle daraus entstehenden Schäden wird grundsätzlich ausgeschlossen. Der Planungsleitfaden einschließlich aller Teile ist urheberrechtlich geschützt. Die Verwendung von Teilen des Leitfadens wird jedoch unter der Angabe von Quelle und Förderung gestattet. Danksagung Dieser Planungsleitfaden ist aus dem Abschlussbericht für das Projekt Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher heraus entstanden. Das Projekt wurde im Rahmen der Begleitforschung des Programms Solarthermie 2000plus mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) unter dem Förderkennzeichen A unterstützt. Wir danken den zuständigen Bearbeitern des BMU für die Förderung und das Interesse am Vorhaben. Besonderer Dank gilt dem Projektträger Jülich (PTJ) und Herrn Dr. P. Donat, für dessen wissenschaftliche Betreuung und das Projektmanagement. Die Verantwortung für den Inhalt dieses Planungsleitfadens liegt bei den Autoren. 3

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5 Inhaltsverzeichnis Verwendete Symbole und Zeichen 6 1 Einleitung 9 2 Planung und Entwicklung von Be- und Entladesystemen Planungsablauf Auslegungswerkzeuge 12 3 Speichertypen Kleine bis mittelgroße Tankspeicher Große Tankspeicher Aufbau von großen Erdbeckenspeichern 17 4 Betriebsweisen High Flow Low Flow Matched Flow Alternative Energiequellen 18 5 Typen von Be- und Entladesystemen Variable Beladehöhe Fixe Beladehöhe Übersicht zu Einsatzgebieten 22 6 Tendenzen aus der Anlagensimulation 23 7 Gestaltungsrichtlinien für Schichtenbelader Einflussgrößen auf das Beladeverhalten Auslegungshinweise 29 8 Hinweise zur Auslegung radialer Diffusoren / Beladetassen 31 9 Check-Liste 33 Literatur 35 5

6 Verwendete Symbole und Zeichen Formelzeichen Δh E vertikaler Abstand zwischen zwei Auslassöffnungen m Δp v,r Druckverlust des Auslassstutzens Pa Δρ Dichtedifferenz kg/m³ ΔT Temperaturdifferenz K ζ Widerstandszahl - ρ Dichte kg/m³ ρ Sp Dichte des Fluids im Speicher kg/m³ Φ f Mischvolumenanteil - A Koll aktive Kollektorfläche m 2 b Sp Speicherbreite m d A Durchmesser Hauptrohr m d R Durchmesser Auslass bzw. -stutzen m d Sp Speicherdurchmesser m d T Durchmesser Beladetasse m f sol solarer Deckungsanteil % g Erdbeschleunigung m/s² h Höhe m h B Einbautiefe/vertikaler Abstand zur thermischen Trennschicht m h R Höhenunterschied am Auslassstutzen / Schenkellänge m h T Spalthöhe Beladetasse m h Sp Speicherhöhe m k Sp Wärmedurchgangskoeffizient der Speicherwand W/(m²K) l BL Länge der Beladelanze m n A,B Anzahl Auslässe/Belader n A,V Anzahl Auslässe/Verteilerrohr n T n B n T Anzahl Belader Anzahl Beladetassen n V Anzahl Verteiler n T N Schichtenanzahl - p Druck Pa 6

7 Q sol solarer Ertrag kwh/a s MW Stärke der Wärmedämmung (Mineralwolle) m t Temperatur C t ein Temperatur des Beladefluids C t max maximale Temperatur des Beladefluids C t min minimale Temperatur des Beladefluids C v Geschwindigkeit m/s v aus mittlere Austrittsgeschwindigkeit m/s V Sp Speichervolumen m³ V VSp Volumen des Vorwärmspeichers m³ Kennzahlen Ri R g Δρ d = Richardson-Zahl am Auslass ρ v Sp Sp R 2 aus g Δρ h Ri = Richardson-Zahl für Beladetasse ρ v T 2 aus Zeichen warmes Beladefluid Beladefluid mittlerer Temperatur kaltes Beladefluid angesaugtes / vermischtes, warmes Fluid ( ) / / angesaugtes / vermischtes, kaltes Fluid für den Einsatz empfohlen geeignet bedingt geeignet nicht geeignet Wert hoch (positive/negative Bewertung) Wert niedrig (positive/negative Bewertung) 7

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9 1 Einleitung 1 Einleitung Der vorwiegende Einsatz fossiler Brennstoffe im Bereich der Wärmeversorgung ist mit großen Problemen verbunden (begrenzte Vorräte, Auswirkungen auf die Umwelt, Abhängigkeit von der Lieferung, Preisentwicklung). Die Meisterung dieser komplexen Probleme ist nur mit vielfältigen Maßnahmen erreichbar. Die Substitution durch regenerative Energiequellen hier die solare Wärmeversorgung ist dabei ein wichtiges und aussichtsreiches Konzept. Das Angebot der Solarenergie unterliegt jedoch Schwankungen. Deshalb muss eine Speicherung dieser Energie bis zur Anwendung gewährleistet werden. Weil aber diese Speicherung mehr oder minder verlustbehaftet ist, spielt die effiziente Speicherung der kostenintensiv gewonnenen Solarwärme eine Schlüsselrolle. Eine Effizienzsteigerung kann durch: die Reduzierung der äußeren Verluste über die Speicherhülle und die Minimierung der inneren Verluste im Speicher (Mischungs- u. Wärmeleiteffekte) erfolgen. Eine durchdachte Planung und Auslegung von Be- und Entladeeinrichtungen liefert einen wichtigen Beitrag zum zweiten Punkt. Ziel ist der Aufbau und der Erhalt einer guten thermischen Schichtung im Speicher. Damit sind folgende Vorteile verbunden: Ertragssteigerung des solaren Systems durch hohe Speichernutzung, nachvollziehbare Temperaturverteilungen, die z. B. für die Steuerung und Regelung sowie für den sicheren und optimalen Systembetrieb wichtig sind (z. B. schnelle Betriebsbereitschaft des Speichers durch schnelle Beladung im oberen Speicherbereich). Ein schlechter Speicherbetrieb mit beispielsweise einer großräumigen Vermischung kann zu hohen Speicherverlusten, einem überhöhten Einsatz von Nachheizenergie, unerwünschten Temperaturverteilungen im Speicher und einem schlechten Systembetrieb führen. Es müssen demzufolge Anstrengungen zur weiteren Funktionsverbesserung und zur Fehlervermeidung unternommen werden. Eine gut funktionierende Schichtenbeladeeinrichtung muss im Einzelnen den zuverlässigen Aufbau einer thermischen Schichtung im Speicher, den Erhalt der thermischen Schichtung bei Einschichten von Beladefluid mittlerer oder niedriger Temperatur sowie einen möglichst wartungsfreien und stabilen Betrieb ermöglichen. In diesem Planungsleitfaden wird ein typischer Planungsablauf zur Auslegung von solchen Be- und Entladesystemen beschrieben. Er gibt wichtige Hinweise und Richtlinien für die Planung, Entwicklung und Auslegung von Be- und Entladesystemen. Andere Vorgehensweisen und Varianten werden damit aber nicht ausgeschlossen. Die Ausführungen beruhen im Wesentlichen auf dem Abschlussbericht zum Forschungsprojekt Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher [1] innerhalb des Förderkonzeptes Solarthermie 2000plus und stellen eine Zusammenstellung der für die Planung solcher Systeme relevanten Ergebnisse dar. 9

10 2 Planung und Entwicklung von Be- und Entladesystemen 2 Planung und Entwicklung von Be- und Entladesystemen 2.1 Planungsablauf Die Auslegung des Be- und Entladesystems für einen Speicher in einer konkreten Anlage ist einer von vielen Schritten und erfolgt im Planungsprozess in einer späten Phase. Das verdeutlicht Abbildung 1, in der der gesamte Planungsablauf für eine solarthermische Anlage im Ü- berblick dargestellt ist. Bevor an die Auslegung des Be- und Entladesystems gegangen werden kann, müssen die dafür benötigten Randbedingungen feststehen. Diese ergeben sich aus den vorangehenden Planungsschritten. Darin sind festzulegen: der Speichertyp, die Maße des Speichers, die Temperaturen bzw. die Temperaturbereiche in den verschiedenen Kreisläufen für Vor- und Rücklauf, die Volumenströme sowie die zeitlichen Verläufe dieser Zustandsgrößen. In der Entwurfsplanung sind die Anforderungen an das Gesamtsystem zu erfassen, die entsprechenden Kenngrößen zu ermitteln und eine Optimierung mit Hilfe von Anlagensimulationen durchzuführen. Daraus ergibt sich eine Systemkonfiguration, die sich wiederum auf die Auswahl des Speichertyps auswirkt. Für kleine Systeme stehen Standardlösungen zur Verfügung. Für große Systeme kommen Aquifer-, Erdsonden-, Tank- und Erdbeckenspeicher infrage. Je nach Art des Speichers müssen dafür speziellen Be- und Entladeeinrichtungen geplant und dimensioniert werden. Aus der bisherigen Planung stehen die benötigten Größen zur Verfügung. Dabei sind die Randbedingungen für Be- und Entladekreis in der Regel unterschiedlich, so dass ggf. mehrere auszulegen sind. Anhand der ermittelten Daten muss nun konkret die Auswahl der konstruktiven Gestaltung (Typ), die Festlegung der geometrischen Maße und die Anordnung im Speicher (z.b. Position und Anzahl der Beladelanzen) erfolgen. Für die Neu- bzw. Weiterentwicklung von Be- und Entladesystemen gilt prinzipiell derselbe Ablauf. Auch hier müssen die entsprechenden Randbedingungen im Vorfeld ermittelt und festgelegt werden. 10

11 2 Planung und Entwicklung von Be- und Entladesystemen Gesamtsystem: Wärmebedarf Solare Deckung usw. Entwurfsplanung (System) Systemgröße klein mittel groß Randbedingungen: Typ Betriebsweisen Energieverteilung Hydraulik Anlagensimulation Berechnungen Optimierung Auswahl Speichertyp Kleine Systeme - Standardlösungen Ausführungsplanung (System) Planung BES Mittlere/große Systeme: Aquiferspeicher Erdsondenspeicher Erdbeckenspeicher Tankspeicher Erdbeckenspeicher Tankspeicher Auslegung BES: Randbedingungen: Konstruktion/Typ Geometrie Anordnung Maße des Speichers Volumenströme Temperaturen zeitlicher Verlauf Aquiferspeicher Erdsondenspeicher (spezielle Planung) Gegenüber kleinen Systemen ist eine Speicherplanung nötig Abbildung 1: Planungsablauf für eine solarthermische Anlage 11

12 2 Planung und Entwicklung von Be- und Entladesystemen 2.2 Auslegungswerkzeuge Für die konstruktive Gestaltung und Dimensionierung eines Be- und Entladesystems stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Diese werden nachstehend kurz erläutert sowie die spezifischen Vor- und Nachteile jedes Werkzeugs genannt. Anlagensimulation Mit Programmen zur Simulation von kompletten solarthermischen Anlagen kann deren gesamtes Verhalten berechnet werden. Danach erfolgt iterativ eine Optimierung des Systems. Die Auswirkungen von wichtigen Parametern des Speichers und des Be- und Entladesystems (Schichtungsgrad, Länge der Beladelanze) können durch Variation ebenfalls ermittelt werden. Zur Verfügung steht Software wie T*SOL, TRNSYS [2], [3] u.a. In [4] ist eine umfassende Übersicht zu verfügbaren Programmen zur Gebäude- und Anlagensimulation zu finden. Eine Strömungssimulation in einem Speicher und dem dazu gehörigen Be- und Entladesystem ist mit diesen Programmen in der Regel nicht durchführbar. Für die Detailplanung ist deshalb auf andere Programme zurückzugreifen. Strömungssimulation Das Zusammenspiel von der konstruktiven Gestaltung des Beladesystems sowie der Betriebsbedingungen ist sehr komplex und viele Parameter können einen entscheidenden Einfluss auf das Beladeverhalten haben. Deshalb ist es zu empfehlen, die Funktionsweise an Hand von numerischen Strömungssimulationen zu überprüfen. Besonders wichtig ist dies, wenn die realen Bedingungen stark von den Speichergrößen und Beladevolumenströmen der in [1] vorgestellten Untersuchungen abweichen. Solche Simulationen können z.b. mit den Programmen: ANSYS CFX [5], ANSYS FLUENT, OpenFOAM (Freeware) durchgeführt werden. Diese Berechnungen sind mit Hilfe von experimentellen Untersuchungen zu validieren. Numerische Simulationen sind allerdings sehr zeit- und kostenintensiv. Zeitliche Verläufe sind z.b. nur unter großem Zeitaufwand berechenbar. Es wurden deshalb innerhalb des Forschungsprojekts weitere Werkzeuge entwickelt, die wesentlich einfacher sind und eine Abschätzung der zu erwartenden Strömungsvorgänge im Be- und Entladesystem erlauben. Abschätzung der Aufteilung der Massenströme bei verteilten Auslässen Auf der Grundlage der Bernoulli schen Gleichung (1) und der statischen Druckverteilung im Schichtenladesystem sowie im Speicher wurde an der TU Chemnitz ein Algorithmus zur Berechnung der an den Öffnungen des Laders ein- und austretenden Massenströme entwickelt [6]. Das Programm wurde in MatLab implementiert. Die Druckverluste der einzelnen Strömungsabschnitte und Rohrelemente werden über entsprechende Widerstandszahlen berücksichtigt: ρ1 2 ρ2 2 p1 + ρ1gh1 + v1 = p2 + ρ2gh2 + v2 ( 1+ ζ ). (1)

13 2 Planung und Entwicklung von Be- und Entladesystemen In Abbildung 2 ist der prinzipielle Programmablauf dargestellt. Die Berechnung der Druckverteilung und Massenströme im Lader erfolgt iterativ und wird nach Erfüllung eines hinsichtlich der zu erreichenden Genauigkeit wählbaren Abbruchkriteriums beendet. Aufgrund von vereinfachenden Annahmen gelten für das Programm die in [1] genannten Grenzen. Eine Berechnung des zeitlichen Beladeverlaufs ist bisher nicht möglich. Es können ausschließlich die zu erwartenden Massenströme und Druckverteilungen bei einem vorgegebenen Temperaturprofil berechnet werden. Das Beladeverhalten wird jedoch richtig wiedergegeben. Die Tendenzen bei Änderung der Randbedingungen (z.b. Schichtung, Konstruktion) stimmen mit Simulationsergebnissen und experimentellen Untersuchungen überein. Das zeigt, dass sich die Auswirkungen konstruktiver Veränderungen mit der vorgestellten Berechnungsmethode gut abschätzen lassen. Experimentelle Untersuchungen Mit Messungen an Modellspeichern sowie Versuchsständen zum Speichertest lassen sich die Temperaturverteilungen während eines Be- oder Entladezyklus ermitteln. Die erzielte Qualität der Schichtung kann anhand der Messwerte beurteilt werden. Darüber hinaus bilden beispielhaft ausgewählte experimentelle Untersuchungen die Grundlage für die Validierung numerischer Simulationen. Ein nicht zu unterschätzendes Problem stellt die Frage nach der Übertragbarkeit der Ergebnisse von kleinen Modellspeichern auf reale Speichergrößen dar. Die zu erwartenden Tendenzen sind in [1] beschrieben. Mit einfacher Messtechnik lassen sich außerdem die Massenströme an den einzelnen Auslassöffnungen nicht quantifizieren. Dafür ist moderne und teure Messtechnik (z.b. PIV, PLIV) erforderlich. Übersicht Tabelle 1 fasst die Eigenschaften der Planungswerkzeuge noch einmal zusammen. Die jeweiligen Vor- und Nachteile können auf einen Blick erfasst werden. Es wird empfohlen, eine sinnvolle Kombination aus verschiedenen Methoden einzusetzen. Tabelle 1: Übersicht zu Auslegungswerkzeugen für Be- und Entladesysteme Werkzeug Zeitliche Verläufe Übertragbarkeit 3D- Strömung Details Genauigkeit Kosten Zeit Anlagensimulation Strömungssimulation ( ) MatLab- Algorithmus ( ) Exp. Untersuchungen ( ) 13

14 2 Planung und Entwicklung von Be- und Entladesystemen Abbildung 2: Schematische Darstellung des Programmablaufs 14

15 3 Speichertypen 3 Speichertypen 3.1 Kleine bis mittelgroße Tankspeicher Bei kleinen Tankspeichern (Abbildung 3) übernimmt die Speicherwand die Funktion des Tragwerks und der Dichtung. Der Werkstoffeinsatz richtet sich vorwiegend nach der Verwendung. Weit verbreitet sind Stahltanks mit Beschichtungen aus le und Kunststoff (z.b. PTFE) oder unbeschichtete Edelstahltanks. Im Bereich der Heizungswasserspeicher sind vorwiegend Stahltanks anzutreffen. Neuere Entwicklungen nutzen Kunststoffe oder glasfaserverstärkte Kunststoffe. Bei Stahltanks soll eine außen liegende Wärmedämmung die externen Verluste reduzieren. Günstige Konstruktionen weisen wenige Durchdringungen der Wärmedämmung und Rohranschlüsse im unteren Speicherbereich auf. Des Weiteren können Nachheizeinrichtungen, Temperaturfühler, Opferanode, Hand- oder Mannlöcher zur Inspektion und Reinigung usw. zur Ausstattung gehören. Kleine Speicher werden von speziellen Herstellern oder Systemanbietern entwickelt und in Großserie im Werk gefertigt. Verschiedene Hersteller bieten auch Speicher nach Kundenwunsch an. Grundlegend kann man den gemischten Betrieb oder den geschichteten Betrieb anstreben. Bei verschiedenen Tanks ist auch eine Speicherzonierung (z.b. Bereitschaftsteil, Solarteil) möglich (vgl. Abbildung 3). Bei den Schichtenladern kommen viele verschiedene Konstruktionen zum Einsatz (s. Abschnitt 5), die mehr oder minder getestet sind. Das Verständnis zur Funktion und die Planung ist erschwert, was hauptsächlich der komplexen Physik geschuldet ist. Abbildung 3: Übersicht zu verschiedenen Konzepten mit Wärmeübertragern und Schichtenladern 15

16 3 Speichertypen 3.2 Große Tankspeicher Die Position des Tanks (oberirdisch, teils unterirdisch, unterirdisch) ist zunächst frei wählbar (Abbildung 4). Bei saisonalen Speichern nutzt man oft das umgebende Erdreich zur Dämmung bzw. Speicherung. Das Wasser mit bis zu 95 C wird in Tankkonstruktionen mit Zylinderform ggf. in Kombination mit Kegelstümpfen gespeichert. Die Be- und Entladung erfolgt direkt und im Gegensatz zu kleinen Tankspeichen findet eine Vor-Ort-Fertigung statt. Der Einsatz von Stahltanks ist verbreitet und weitgehend als Stand der Technik einzustufen. Der Wandaufbau bei oberirdischen Speichern besteht aus einer Stahlwand, aus einer Wärmedämmung und aus einem Blechmantel. Bei Stahltanks wurden bisher Volumina bis zu m³ Wasserinhalt realisiert (Fernwärme Flensburg). Auf Grund der relativ hohen Investitionskosten sucht man nach Alternativen: Einsatz von Beton, Einsatz von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Alle großen Tankspeicher wurden in Pilotvorhaben entwickelt (s. [1]). Derartige Großprojekte besitzen einen hohen Planungsanteil. Oft werden fertige Stoffe (z. B. Wärmedämmung) oder Komponenten (z. B. Wärmeübertrager) eingesetzt. Die Be- und Entladeeinrichtung unterliegt aber zum größten Teil der Planung. Abbildung 4: Aufbau und Funktion von unterirdischen Tankspeichern, oben Zylinderform mit Stützkonstruktion, unten: Kombination aus zwei Kegelstümpfen und einem Zylinder, direkte Be- und Entladung in der oberen und unteren Ebene 16

17 3 Speichertypen 3.3 Aufbau von großen Erdbeckenspeichern Erdbeckenspeicher (Abbildung 5) benötigen unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine Mindestgröße. Die Speicherkapazitäten liegen dann im Bereich von ca bis m³ Wasseräquivalent. Die Speicherposition ist unterirdisch bzw. teils unterirdisch bei einer Anschüttung des vorher ausgehobenen Erdreichs. Das grundlegende Ziel der Beckengestaltung liegt in der Kostenminimierung gegenüber anderen Tankkonstruktionen. Dabei ist zu beachten, dass die Speicherhöhe wegen der Baugrube (Vor-Ort-Fertigung) oft eingeschränkt ist, was sich wiederum auf die thermische Schichtung auswirken kann. Hinsichtlich der Grundfläche sind aber sehr große Ausdehnungen möglich. Das Speichermedium beschränkt sich nicht nur auf Wasser, sondern es können auch Sand-Wasser- oder Kies-Wasser-Systeme eingesetzt werden. Diese Stoffsysteme weisen eine höhere effektive Wärmeleitfähigkeit aus [7], was über einen längeren Zeitraum gesehen zum Abbau der Schichtung durch die Wärmeleitung führt. Allerdings kann man dafür eine tragende Deckenkonstruktion einsparen. Der typische Wandaufbau (Abbildung 5) ist ähnlich dem der unterirdischen Tankspeicher: ggf. Schutzschicht bei Schüttgütern, Dichtungsschicht, Wärmedämmung, Drainage, Schutz der Drainage. Wenn keine feste Wand vorhanden ist, übernimmt eine Folie die Abdichtung zum Erdreich. Weiterhin bestehen mehrere Möglichkeiten zur Gestaltung der Decken- und Wandkonstruktion. Die Be- und Entladung kann direkt oder indirekt realisiert werden. Die indirekte Be- und Entladung wird nicht weiter betrachtet. Diese ist relativ aufwändig und die Be- oder Entladeleistungen sind auf Grund des äußeren Wärmeübergangs (z. B. an einem Rohr in einem Kies- Wasser-Stoffsystem) stark begrenzt. Hinsichtlich der Be- und Entladesysteme sind die gleichen Sachverhalte wie bei großen Tankspeichern zutreffend (s. Abschnitt 3.2). Abbildung 5: Erdbeckenspeicher, Konstruktionen, Funktion 17

18 4 Betriebsweisen 4 Betriebsweisen Bei der Speicherbeladung 1 müssen der Energiestrom zur Beladung, ein stabiler Systembetrieb usw. sichergestellt werden. Das Ein- oder Ausschalten des Kollektor- bzw. Speicherbeladekreislaufs erfolgt nach Temperatur- und/oder Strahlungsbedingung. Die folgenden Angaben zur hydraulischen Auslegung beziehen sich typischerweise auf das Kollektorfeld. Detailliertere Angaben sind in [1] zu finden. 4.1 High Flow Unter High-Flow-Betrieb versteht man einen Kollektorkreisbetrieb mit einem spezifischen Volumenstrom von l/(m²h). Aufgrund des relativ hohen Volumenstroms sind die Temperaturdifferenzen am Kollektor bzw. am Speicher relativ niedrig. 4.2 Low Flow Der Low-Flow-Betrieb zeichnet sich durch niedrige spezifische Volumenströme mit l/(m²h) aus. Bei einer solaren Einstrahlung von ca. 800 W/m² soll eine Temperaturdifferenz von 30 K über dem Kollektorfeld erreicht werden. Diese sollte dann auch bei der direkten Speicherbeladung angestrebt werden. Mit dem Low-Flow-Betrieb erreicht man in der Regel nur höhere Erträge, wenn der Speicher geschichtet betrieben werden kann. 4.3 Matched Flow Über eine Steuerung oder Regelung versucht man, den Volumenstrom so anzupassen, dass eine ausreichend hohe (nutzbare) Temperatur am Kollektorfeldausgang bzw. im entsprechenden Vorlauf erreicht wird. Führungsgröße ist demzufolge eine konstante Temperatur. Derartige Ansätze sind in der Regel nur sinnvoll, wenn das solare System gegen einen Abnehmer mit hohen Temperaturen arbeiten muss. Die Anlagenhydraulik ist bei der Auslegung des Be- und Entladesystems unbedingt zu berücksichtigen. Bei Matched-Flow-Betrieb muss besonders auf die Eignung der Beladeeinrichtung hinsichtlich eines bestimmten Volumenstrombereichs geachtet werden. 4.4 Alternative Energiequellen Neben der hier dargestellten thermischen Nutzung von Solarenergie muss unter Umständen in der Planung auch die Verwendung anderer Energieträger zur Wärmeerzeugung berücksichtigt werden. Infrage kommen z.b. Biomasse, BHKW, konventionelle Nachheizung u.a. Die verschiedenen Energiequellen können kombiniert oder einzeln zum Einsatz kommen. Daraus ergeben sich zusätzliche bzw. andere Randbedingungen (Volumenströme, Temperaturen, zeitliche Profile) für die Auslegung von Speicher und Be- und Entladesystem als bei der alleinigen Nutzung von Solarenergie. 1 Die Speicherentladung unterliegt vielen system- und verbraucherspezifischen Faktoren und ist viel schwerer zu systematisieren. Aus Gründen des Umfangs wird auf die einschlägige Fachliteratur, auf die Normung und auf spezielle Verfahren (z.b. Verbrauchsmessung) verwiesen. 18

19 5 Typen von Be- und Entladesystemen 5 Typen von Be- und Entladesystemen Es existiert eine Vielzahl an Konstruktionen zur Be- und Entladung von thermischen Speichern. Das spiegelt sich in einer entsprechenden Anzahl an Patenten und Gebrauchsmustern wider. Der Einsatz dieser Systeme beschränkt sich jedoch hauptsächlich auf kleine Speicher. In größeren Speichern wurden derartige Konstruktionen nur in Einzelfällen eingebaut. Neben der dominierenden direkten Beladung gibt es auch einige Vorrichtungen für die indirekte geschichtete Beladung. Nähere Angaben zu den Schutzrechten, dem Einsatzbereich hinsichtlich der Speichergröße und der Funktionsfähigkeit sind in [1] bzw. [8] zu finden. In diesem Abschnitt wird eine systematische Darstellung und Einordnung der verschiedenen Funktionsprinzipien der zur Verfügung stehenden Verfahren und Systeme gegeben. Die verschiedenen Konstruktionen lassen sich in drei Hauptgruppen einordnen: Leiteinrichtungen im Speicher selbst, eigentliche Schichtenladevorrichtungen, Ein- / Auslasskonstruktionen an der Mündung. Der Planungsleitfaden beschränkt sich auf Schichtenladevorrichtungen. Tabelle 2 und Tabelle 3 geben jeweils einen Überblick über die derzeitigen technischen Varianten für variable und fixe Beladehöhe. 5.1 Variable Beladehöhe Be- und Entladeeinrichtungen, die das Fluid in eine seiner Temperatur entsprechende Schicht im Speicher einbringen, werden auch als Schichtenbeladeeinrichtungen oder kurz Schichtenlader bezeichnet. Aus dem Bereich der kleinen Speicher ist eine Vielzahl von Konstruktionen mit diesem Funktionsprinzip bekannt. Tabelle 2 gibt einen Überblick zu den verschiedenen Kategorien und zeigt beispielhaft mögliche Ausführungsformen. Das Fluid kann auf mechanischem Weg oder mit Hilfe der Schwerkraft in die entsprechende Fluidschicht im Speicher geführt werden. Somit lassen sich die Schichtenlader prinzipiell in die zwei Gruppen mechanische Belader und strömungsmechanische Belader einteilen. Mit dem Ziel, Ansaugeffekte zu vermeiden, werden manche strömungsmechanischen Belader mit verschließbaren Öffnungen versehen. Der Einsatz von mechanischen Beladern in großen Speichern ist aufgrund möglicher Ausfälle und der Wartungsproblematik kritisch zu sehen. Strömungsmechanische Belader sind prinzipiell für große Speicher geeignet, wobei aber bisher wenige Erfahrungen vorliegen. 19

20 5 Typen von Be- und Entladesystemen Tabelle 2: Be- und Entladekonstruktionen für variable Beladehöhe Bezeichnung Prinzip Schematische Darstellung Mechanische Belader - Wahl der Eintrittshöhe durch mechanische Verfahren a) Höhenverstellung b) Rotation Innenrohr c) Auswahl außerhalb - Schwerkraft - Bimetall des Speichers - motorgetrieben - Motor Strömungsmechanische Belader - Wahl der Eintrittshöhe durch Schwerkraftströmung freie Öffnungen: a) b) c) Mehrkammer- bzw. Doppelrohrkonstruktionen: verschließbare Öffnungen: a) elastisch b) starr 5.2 Fixe Beladehöhe Diese Konstruktionen werden hauptsächlich bei konstanten Temperaturen im Vor- bzw. Rücklauf eingesetzt. Das ist z.b. bei Kaltwasserspeichern mit ihren relativ geringen Temperaturspreizungen der Fall. Bei guter Auslegung lässt sich auch hier eine gute Schichtung erreichen. Im weiteren Sinne könnten also auch diese Be- und Entladesysteme als Schichtenlader bezeichnet werden. Durch einen möglichst großen Gesamtquerschnitt der Eintrittsöffnungen wird die Geschwindigkeit des Fluids stark herabgesetzt und somit die Vermischung mit dem im Speicher befindlichen Fluid verringert. Eine Einschichtung mit variabler Temperatur in die jeweilige Schicht ist nicht möglich. In diesem Fall steigt oder sinkt das Fluid nach dem Eintritt in den Speicher entsprechend seiner Temperatur auf bzw. ab. Es kommt entlang des Strömungswegs zur Vermischung mit Speicherfluid. Es lassen sich zwei prinzipielle Varianten unterscheiden: die Beladetasse und horizontale Verteilerrohrsysteme (s. Tabelle 3). Der verbreitete Begriff Beladetasse bezeichnet aus strömungsmechanischer Sicht einen radialen Diffusor (bei Speicherbeladung). Bei der Entladung erfolgt eine Absaugung des Fluids zwischen den beiden kreisförmigen Platten. 20

21 5 Typen von Be- und Entladesystemen Tabelle 3: Be- und Entladekonstruktionen für fixe Beladehöhe Bezeichnung Prinzip Schematische Darstellung Beladetasse - Reduzierung der Eintrittsgeschwindigkeit horizontale Verteilerrohrsysteme - Reduzierung der Eintrittsgeschwindigkeit - Einrohrkonstruktionen bei kleinen und geschachtelte Systeme bei großen Speichern Beispiele für Verteilerrohre: α α 21

22 5 Typen von Be- und Entladesystemen 5.3 Übersicht zu Einsatzgebieten Nach der in Tabelle 4 gezeigten Matrix kann eine erste Auswahl einer prinzipiell geeigneten Gruppe von Be- und Entladesystemen unter Berücksichtigung der vorliegenden Randbedingungen (Temperatur, Volumenstrom) vorgenommen werden. Dabei gilt: Diese Angaben geben die allgemeine Tendenz der Ergebnisse von Simulationen und Experimenten wieder. Im Einzelfall kann durchaus (z.b. auch aus Kostengründen) eine andere Variante günstiger als die empfohlene sein. Auf jeden Fall ist dann die Eignung des gewählten Typs gründlich zu prüfen. Tabelle 4: Eignung der Typen von Be- und Entladesystemen für die solare Beladung des Speichers bei unterschiedliche Randbedingungen Randbedingungen Beladehöhe Typ t = konst. t = variabel fix variabel V = konst. V = variabel V = konst. V = variabel Beladetasse (radialer Diffusor) ( ) ( ) horizontale Verteilerrohrsysteme 2 ( ) ( ) 2 mechanische Belader ( ) ( ) 2 strömungsmechanische Belader ( ) ( ) Auf der Entladeseite des Speichers sind die Randbedingungen im Vorfeld nur schwer zu bestimmen. Abhängig vom Verbraucher sind die Volumenströme und Temperaturen meist nicht konstant. Daher sind hier Beladesysteme mit einer variablen Beladehöhe zu bevorzugen. Allerdings ist die Auslegung von strömungsmechanischen Beladern für variable Volumenströme nur bedingt möglich. Eventuell ist es notwendig, für jede Wärmesenke (Verbraucher) ein gesondertes Beladesystem vorzusehen. Wenn die Beladetemperatur häufig gleich oder kleiner der minimalen Temperatur im Speicher ist, können auch Belader mit einer fixen Beladehöhe, wie z.b. Beladetassen, eingesetzt werden. 2 Hier ist insbesondere die konkrete Verteilung des Volumenstroms auf die einzelnen Auslassöffnungen bei verschiedenen Werten (z.b. Minimum, Maximum) zu prüfen. Bei den mechanischen Beladern spielen die Strömungsverhältnisse am Belader und im Speicher bei unterschiedlichen Volumenströmen eine wichtige Rolle. 22

23 6 Tendenzen aus der Anlagensimulation 6 Tendenzen aus der Anlagensimulation In [1] wurde eine Simulationsstudie durchgeführt, um den Einfluss der thermischen Schichtung auf den Ertrag zu ermitteln. Um die Berechnungen möglichst realistisch und gut kontrollierbar zu gestalten, wurde eine reale Anlage aus dem Forschungs- und Demonstrationsprogramm Solarthermie 2000 als Referenzanlage gewählt. Dieses Solarsystem ist durch die in [9] genannten Eckdaten gekennzeichnet. Untersucht wurde der Einfluss: des Wärmedurchgangskoeffizienten, der Speicherhöhe, der Speicherkapazität, der effektiven Wärmeleitfähigkeit, der Schichtenanzahl des Modells, des Beladestroms, der Beladeeinrichtung und der Länge des idealen Schichtenladers. Das untersuchte solarthermische System repräsentiert eine typische Kombianlage mit Kurzzeitspeicher im mittelgroßen Leistungsbereich. Dieses System bzw. der Systembetrieb wurde in einer Anlagensimulation abgebildet. Dabei sind die wichtigsten Speicherparameter variiert worden, um deren Einfluss auf den solaren Ertrag zu untersuchen. Im Mittelpunkt der Untersuchung stand der Einfluss der thermischen Schichtung. Der reale Speicher lieferte den Referenzpunkt für die Speicherkenngrößen. Die Parameter, die nicht unmittelbar mit dem Schichtungsbetrieb verbunden sind, liegen bei dem untersuchten System in optimalen Bereichen. Die Untersuchung zeigt, dass die thermische Schichtung gekoppelt mit dem Systembetrieb einen signifikanten Einfluss auf den solaren Ertrag besitzt. Schlüsselfunktionen übernimmt dabei die Beladevorrichtung. Der Unterschied beim solaren Ertrag zwischen einem perfekt geschichteten und gemischten Betrieb liegt bei ca. 50 %, was zunächst ein theoretischer Wert ist. Der Einfluss verschiedener Beladeeinrichtungen liegt immer noch bei 5 bis 10 %, welcher aus praktischer Sicht angesetzt werden muss. Weiterhin zeigt die Untersuchung, dass kleinere Optimierungspotentiale (z.b. Länge der Beladelanze) erschlossen werden können. Es muss jedoch immer die Systemintegration des Speichers beachtet werden. Über die verbesserte Gestaltung von Be- und Entladevorrichtungen können somit solarthermische Systeme besser genutzt werden. Einzelheiten zu den festgestellten Abhängigkeiten sind [1] zu entnehmen. 23

24 7 Gestaltungsrichtlinien für Schichtenbelader 7 Gestaltungsrichtlinien für Schichtenbelader Die strömungstechnischen Vorgänge in Schichtenbeladesystemen sind sehr komplex und wirken sich wesentlich auf das Schichtungsverhalten des Speichers aus. Dabei sind die Einflussfaktoren auf das Beladeverhalten sehr zahlreich. Mehrere Geometrieparameter beeinflussen den Grad der Vermischung innerhalb des Beladesystems sowie die Strömung und damit die Mischungsvorgänge außerhalb des Beladesystems. In diesem Abschnitt werden Richtlinien zur günstigen Gestaltung und Auslegung von Schichtenbeladern vorgestellt. Auf Grund der komplexen Zusammenhänge zwischen Beladegeometrie und Betriebsparametern sowie der Vielzahl der Einflussgrößen ist zusätzlich eine Überprüfung des Beladeverhaltens durch numerische Strömungssimulationen oder geeignete Experimente ratsam. Gegenstand der Auslegung sind Schichtenbelader nach Abbildung 6. In Abbildung 7 ist die geometrische Bezeichnung dieser Beladeeinheiten dargestellt. Abbildung 6: Untersuchte Varianten eines Schichtenbeladers Abbildung 7: Allgemeine geometrische Bezeichnung des Beladesystems und des Speichers In den folgenden Abschnitten werden die Strömungsvorgänge an den Schichtenbeladern bei zwei verschiedenen Beladesituationen betrachtet: Aufbau einer thermischen Schichtung in einem kalten Speicher und Einschichtung von Beladefluid mittlerer Temperatur in eine bestehende thermische Schichtung (siehe Abbildung 8). 24

25 7 Gestaltungsrichtlinien für Schichtenbelader Aufbau einer thermischen Schichtung Beladung eines kalten Speichers mit warmem Beladefluid Einschichtung von Beladefluid mittlerer Temperatur in eine bestehende thermische Schichtung Abbildung 8: Definition des Aufbaus einer thermischen Schichtung und der Einschichtung Weiterhin wird auf die prinzipiellen Auswirkungen von verschiedenen Einflussgrößen auf das Beladeverhalten eingegangen. Detailliertere Informationen dazu sind in [1] zu finden. 7.1 Einflussgrößen auf das Beladeverhalten Das Beladesystem muss im Fall des Aufbaus einer thermischen Schichtung sowie der Einleitung von Beladefluid mittlerer Temperatur in eine bestehende thermische Schichtung gut funktionieren. Bei den untersuchten Arten von Beladern (Abbildung 6) kann es jedoch dabei zu zwei wesentlichen Ansaugeffekten kommen (Abbildung 9), die eine Vermischung von warmem und kaltem Fluid bewirken und damit einen Abbau der thermischen Schichtung im Speicher zur Folge haben. Die folgenden Erläuterungen zielen u.a. auf die Vermeidung dieser beiden Ansaugeffekte. Abbildung 9: Ansaugeffekte, die innerhalb eines Schichtenbeladesystems auftreten können (Beladung von oben) 25

26 7 Gestaltungsrichtlinien für Schichtenbelader Ort der Einleitung des Beladefluids Bei der Einleitung des Beladefluids von unten in den Speicher besteht das Problem, dass beim Aufbau einer thermischen Schichtung das Beladefluid erst durch den kompletten Speicher geführt werden muss. Gerade bei hohen Speichern kommt es in dieser Situation bei den betrachteten Beladesystemen verstärkt zu Ansaugeffekten und Vermischungen im Belader (Abbildung 10). Die Einleitung des Beladefluids von oben in den Speicher ist für den Aufbau einer thermischen Schichtung am günstigsten (Abbildung 11). Dieses unterstreicht Abbildung 12, welche die Temperaturverteilung im Speicher nach einem Beladevorgang vergleicht, wobei in einem Fall die Zuführung des Beladefluids in das Beladesystem im oberen Bereich des Speichers und im anderen Fall im unteren Bereich des Speichers erfolgte. Die Art des Beladesystems war in beiden Fällen identisch. Bei der Einschichtung Fluids mittlerer Temperatur in eine bestehende Schichtung sind beide Zuleitungsweisen gleich zu bewerten (siehe [1]), wenn die thermische Trennschicht näherungsweise auf halber Höhe des Speichers liegt. Wenn das Beladefluid eher kalt ist und in den unteren Bereich des Speichers eingeschichtet werden soll (z.b. der Rücklauf von einem Verbraucher) ist die Beladung von unten günstiger. Alternative Möglichkeiten der Zuleitung des Beladefluids in den Belader sind in Abbildung 13 dargestellt. Einleitung des Beladefluids von unten in den Speicher Abbildung 10: Zu erwartende Strömungsvorgänge bei der Einleitung des Beladefluids von unten Einleitung des Beladefluids von oben in den Speicher Abbildung 11: Zu erwartende Strömungsvorgänge bei der Einleitung des Beladefluids von oben 26

27 7 Gestaltungsrichtlinien für Schichtenbelader Abbildung 12: Vergleich der Temperaturverteilung im Speicher nach einem Beladevorgang mit Zuleitung des Beladefluids in das Beladesystem von oben bzw. von unten; t ein = 49,5 C, V ein = 400 l/h Situation Aufbau einer thermischen Schichtung Situation Einschichtung von Beladefluid mittlerer Temperatur Abbildung 13: Alternative Möglichkeiten zur Verbesserung des Beladeverhaltens Durchmesser der Auslässe d R Die Funktion der betrachteten Schichtenbelader ist auch von den Druckverlusten der einzelnen Auslassstutzen abhängig. Zu geringe Druckverluste führen zu Ansaugeffekten (Fall A1, Abbildung 14), die allerdings durch andere gestalterische Einflüsse verringert werden können. Ein zu hoher Druckverlust der Auslassstutzen lässt das Beladefluid über mehrere Auslässe gleichzeitig in den Speicher einströmen (Fall A2, Abbildung 14). Der Aufbau bzw. Erhalt einer thermischen Schichtung kann damit nicht erreicht werden. Da der Druckverlust im Wesentlichen von der mittleren Geschwindigkeit und damit bei gegebenem Beladevolumenstrom vom Auslassdurchmesser abhängig ist, können oben gemacht Aussagen auch unmittelbar auf den Durchmesser des Auslassstutzens übertragen werden. Bei den untersuchten Beladesystemen stellte sich eine mittlere Geschwindigkeit von 0,5 m/s am Auslass als wesentlich zu groß heraus. 27

28 7 Gestaltungsrichtlinien für Schichtenbelader Fall A1: großer Durchmesser d R Fall A2: kleiner Durchmesser d R Abbildung 14: Einfluss des Auslassdurchmessers auf das Beladeverhalten Hauptrohrdurchmesser d A Der Durchmesser des Hauptrohrs hat nur einen relativ geringen Einfluss auf das Beladeverhalten. Er sollte jedoch größer als der Durchmesser der Auslassstutzen sein. Näher Informationen enthält [1]. Schenkellängen der Auslassstutzen h R Durch eine geeignete Wahl der Schenkellängen der Auslassstutzen ist es möglich, den Ansaugeffekt 2 bei der Einschichtung von Beladefluid mittlerer Temperatur in eine bestehende thermische Schichtung zu verringern. Gleichzeitig tritt jedoch verstärkt der Ansaugeffekt 1 auf, wenn der Durchmesser der Auslassstutzen nicht richtig dimensioniert ist. Fall B1: h R = 0 m Fall B2: h R konstant Fall B3: h R variabel Weitgehend unproblematisch, wenn der Auslassdurchmesser richtig dimensioniert ist. Gefahr der Ansaugung von unten durch die große Schenkellänge (Ansaugeffekt 1) Anpassung von d R des obersten Auslasses Gefahr der Ansaugung von unten durch die große Schenkellänge (Ansaugeffekt 1) Anpassung von d R des obersten Auslasses Abbildung 15: Einfluss der Schenkellänge des Auslassstutzens auf das Beladeverhalten 28

29 7 Gestaltungsrichtlinien für Schichtenbelader Fall C1: h R = 0 m Fall C2: h R konstant Fall C3: h R variabel starke Ansaugung über die obersten Öffnungen keine oder geringe Ansaugung über die obersten Öffnungen Gefahr des Ausströmens des Beladefluids an einer ungünstigen Stelle Ansaugung von unten (Ansaugeffekt 1) keine oder geringe Ansaugung über die obersten Öffnungen besseres Ausströmverhalten im Vergleich zum Fall C2 Abbildung 16: Einfluss der Schenkellänge des Auslassstutzens auf das Beladeverhalten 7.2 Auslegungshinweise Es wird die Auslegung 3 einer Schichtenbeladeeinheit beschrieben, wobei das Beladefluid im oberen Teil des Speichers eingeleitet wird (Beladung von oben). Bei großen Speichern ist die Zuführung des Beladefluids in den Schichtenbelader im unteren Teil des Speichers ungünstig (Abschnitt 7.1). Es wird auf mögliche Alternativen in Abbildung 13 hingewiesen. Allgemeine Bemerkungen: Die Auslegung des Schichtenbeladesystems erfolgt immer auf einen bestimmten Beladevolumenstrom. Wenn der reale Beladevolumenstrom stark vom Auslegungswert abweicht, ist die Funktion des Schichtenbeladers stark beeinträchtigt. Es treten infolge dessen stärkere Vermischungen im Speicher und im Beladesystem auf, welches zur Zerstörung der thermischen Schichtung führen kann. Ein Auslass oder zwei Auslässe pro Auslassebene ist/sind ausreichend. Der Durchmesser des Hauptrohrs sollte so gewählt werden, dass die mittleren Geschwindigkeiten im Hauptrohr kleiner als an den Auslässen ist. Das Beladefluid sollte stets horizontal in den Speicher eingeleitet werden. Die Auslassstutzen der Form Typ D und D2 (siehe Abbildung 6) haben bei den zugrunde liegenden Untersuchungen das beste Beladeverhalten gezeigt. Typ A ist für die Verwendung als Schichtenbeladesystem ungeeignet. 3 Die hier vorgestellten Gestaltungsrichtlinien sind hauptsächlich aus numerischen Strömungsberechnungen (CFD) in einem 50 m³ großen Speicher abgeleitet worden. Die Erkenntnisse zum Beladeverhalten konnten allerdings im Experiment im Labormaßstab sowie in einem 2 m³ großen Versuchsspeicher bestätigt werden. Die Beladevolumenströme bei den CFD-Berechnungen lagen im Bereich von 6 bis 17 m³/h, im Experiment im Bereich von 0,07 bis 0,4 m³/h. Da die CFD-Berechnungen nur für idealisierte Rand- und Startbedingungen als auch Betriebsweisen durchgeführt wurden, sind die Auslegungshinweise nur als Anhaltspunkte anzusehen. 29

30 7 Gestaltungsrichtlinien für Schichtenbelader Um den mischungsarmen Aufbau einer thermischen Schichtung bei der solaren Beladung zu begünstigen, sollte der oberste Auslass des Schichtenbeladers möglichst nah an der Wasseroberfläche bzw. an der Behälterdecke liegen. Globale Gestaltung: 1. Ausgangspunkt ist die Festlegung des Beladevolumenstroms V ein (Auslegungsgröße) und einer charakteristischen Temperaturdifferenz für die Einschichtung (z.b. ΔT = 10 K), womit eine charakteristische Dichtedifferenz Δρ berechnet werden kann. Die charakteristische Temperaturdifferenz ist dabei abhängig von der Wärmequelle (Beladeseite) bzw. der Wärmesenke (Entladeseite). 2. Für die solare Beladung bei Speichern mit h Sp > 2 m sind mindestens 5 über die Höhe verteilte Auslässe vorsehen. Bei anderen Wärmequellen bzw. -senken ist teilweise eine geschichtete Einleitung des Beladefluids nur im oberen, mittleren oder unteren Speicherbereich günstig. 3. Der Druckverlust des Auslassstutzens sollte geringer als der Druckunterschied nach Gleichung (2) sein. Der Durchmesser der Auslässe d R ist dementsprechend zu dimensionieren. ΔpvR, g Δρ Δ he (2) 4. Ein Schenkellänge der Auslassstutzen von h R h Sp /5 ist günstig (gültig bis zu einer Speicherhöhe h Sp von 4 m). Nähere Erläuterungen enthält Abschnitt Die Schenkellängen der Auslassstutzen können in Richtung der Strömung im Hauptrohr verringert werden (Abbildung 16). 6. Um starke Vermischungseffekte im Fernbereich zu vermeiden, sollten die Geschwindigkeiten an der Auslassöffnung durch geeignete Konstruktionen (z.b. radialer Diffusor) verringert werden. Richtwert: Ri R 0,5 (vgl. [1]) Der oberste Auslassstutzen weißt die größte Schenkellänge auf. Dabei kann es bei der Beladung eines kalten Speichers mit warmen Beladefluid verstärkt zu Ansaugeffekten im Auslassstutzen kommen (siehe Abbildung 15 und [1]). Um dieses zu verhindern, muss der Durchmesser des obersten Auslassstutzens angepasst werden. Anpassung oberster Auslassstutzen: 7. Die charakteristische Temperaturdifferenz für die Anpassung des obersten Auslassstutzen muss höher als in Punkt 1 (z.b. ΔT = 20 K) 4 angesetzt werden. Der daraus berechnete neue Werte für die charakteristische Dichtedifferenz Δρ wird für Gleichung (3) benötigt. 8. Die Anpassung von d R des obersten Auslassstutzens muss so erfolgen, dass der Druckverlust des Auslassstutzens Δp v,r die Gleichungen (3) erfüllt. ( ) g Δρ h Δp g Δρ h +Δ h (3) R v, R R E 9. Wenn die Austrittsgeschwindigkeiten zu groß werden (z.b. Ri R 0,5 kann nicht eingehalten werden), sollte am Auslass ein radialer Diffusor oder eine Rohrverzweigung zur Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeiten eingesetzt werden. 4 Bei der Beladung eines kalten Speichers ist ΔT die Differenz zwischen der Temperatur des Beladefluid und der Fluidtemperatur im Speicher 30

31 8 Hinweise zur Auslegung radialer Diffusoren / Beladetassen 8 Hinweise zur Auslegung radialer Diffusoren / Beladetassen Radiale Diffusoren (Beladetassen) werden zur möglichst gleichmäßigen, impulsarmen, horizontalen Einleitung von Beladefluid in den Speicher eingesetzt. Jedoch nur durch eine genaue Anpassung der geometrischen Abmessungen wird dieses auch erreicht. Die Strömungsvorgänge innerhalb der Beladetasse sind wesentlich komplexer als man zunächst erwartet (vgl. mit [11], [11]). Es treten innerhalb der Beladetasse oft höhere Geschwindigkeiten auf im Vergleich zur mittleren Geschwindigkeit in der Anschlussleitung. Eine gleichförmige Geschwindigkeitsverteilung am Austritt der Beladetasse wurde im untersuchten Bereich am ehesten durch Beladetassen mit d T / h T = 20 erreicht. Wesentlich kleinere Werte dieses Verhältnisses führen unter Umständen zu keiner Reduktion der Geschwindigkeit des Beladefluids am Austritt (nähere Erläuterungen siehe [1]). Abbildung 17: Geometrische Maße eines radialen Diffusors (Beladetasse) Ein gutes Beladeverhalten wird im Bereich von 1 Ri 10 erreicht (vgl. mit [10], [12]). Die Beladetasse ist als solche nicht in der Lage, das Beladefluid ohne Vermischung an einer entfernten Stelle im Speicher einzuschichten. Die mischungsarme Beladung erfolgt nur, wenn das Beladefluid auf der Höhe mit der gleichen Temperatur in den Speicher eingeschichtet wird (Abbildung 18). Ungünstige Beladesituationen, bei denen mit großräumigen Vermischungen im Speicher zu rechnen ist, sind in Abbildung 19 dargestellt. Abbildung 18: Günstige Beladesituationen, wobei die Vermischung geringfügig ist 31

32 8 Hinweise zur Auslegung radialer Diffusoren / Beladetassen Abbildung 19: Beladesituationen, bei denen mit Vermischung im Speicher zu rechnen ist Aus Abbildung 20 ist ersichtlich, dass die Beladetasse in einem sehr weiten Volumenstrombereich (hier dargestellt als Richardson-Zahl) annähernd ein gleiches Beladeverhalten zeigt. Erst bei Ri 0,5 erhöhen sich die Vermischungen im Speicher deutlich. Wesentlich größer wirken sich jedoch die Einbaubedingung und damit der Abstand von Beladetasse zur Speicherdecke bzw. der Stelle aus, an der das Beladefluid eingeschichtet werden soll. Bei der Verwendung von Beladetassen wird vorgeschlagen, über eine geeignete Regelung die Temperatur des Beladefluids möglichst auf einem konstanten Niveau zu halten oder mehrere Beladetassen über die Höhe des Speichers verteilt vorzusehen und die Zuleitung des Beladefluids gezielt in Abhängigkeit der Temperaturverteilung im Speicher und der Beladetemperatur zu steuern. Abbildung 20: Mischvolumenanteil in Abhängigkeit der Richardson-Zahl und der Einbaubedingung bzw. dem Abstand zur thermischen Trennschicht, höhere Werte für Φ f bedeuten stärkere Mischung im Speicher (nähere Erläuterungen siehe [1]) 32

33 9 Check-Liste 9 Check-Liste 1 Adresse des Objekts 1 Straße 2 PLZ/Ort 3 Bundesland 2 Einzubindende Energiequellen 5 solarthermisch 6 konventionell 7 Biomasse 8 BHKW 3 Eigenschaften des Speichers 3.1 Systemgröße 9 klein Standardlösungen 10 mittel evtl. Standardlösungen 11 groß 3.2 Speichertyp 12 Erdsondenspeicher spezielle Planung 13 Aquiferspeicher spezielle Planung 14 Erdbeckenspeicher 15 Tankspeicher 3.3 Speichergröße 16 Volumen V Sp = m 3 17 Höhe h Sp = m 18 Breite/Tiefe b Sp = m 19 Durchmesser d Sp = m 4 Be-/Entladesystem 4.1 Erfahrungen 20 Sind ähnliche Projekte bekannt? ja nein 21 Sind diese Erfahrungen nutzbar? ja nein 4.2 Typ 22 Radialer Diffusor (Beladetasse) 23 Verteilerrohrsystem 24 Strömungsmechanischer Belader 25 verschließbare Auslässe 26 freie Auslässe 4.3 Randbedingungen 27 Temperatur t max = C; t min = C 28 Volumenstrom V max = m 3 /h; V min = m 3 /h 33

34 9 Check-Liste 29 Zeitliches Profil t(τ) V (τ) 30 Zuführung oben mittig unten 4.4 Maße Radialer Diffusor 31 Anzahl Diffusoren n T = 32 Durchmesser Zuführung d A = m 33 Durchmesser Diffusor d T = m 34 Spalthöhe Diffusor h T = m Verteilerrohrsystem 35 Anzahl Verteiler n V = 36 Anzahl Auslässe/Verteiler n A,V = 37 Durchmesser Hauptrohr d A = m 38 Durchmesser Verteilerrohr d V = m 39 Durchmesser Auslass d R = m Strömungsmechanischer Belader 40 Anzahl Belader n B = 41 Anzahl Auslässe/Belader n A,B = 42 Durchmesser Hauptrohr d A = m 43 Durchmesser Stutzen d R = m 44 Schenkellänge h R = m 4.5 Funktionalität 45 Material 46 Langlebigkeit geprüft? ja nein 47 Wartung erforderlich? ja nein 5 Optimierung 5.1 Auslegungswerkzeuge 48 Anlagensimulation ja nein 49 Strömungssimulation ja nein 50 MatLab-Algorithmus ja nein 51 Experimentelle Untersuchungen ja nein 5.2 Ergebnisse 52 Ansaugeffekte ja nein 53 Reduzierung erforderlich? ja nein 54 Vermischung im Speicher ja nein 55 Reduzierung erforderlich? ja nein 5.3 Kosten 56 Kosten für Be-/Entladesystem K = 57 Kosten/Nutzen-Verhältnis o.k. nicht o.k. 34

35 Literatur Literatur [1] Göppert, S. ; Lohse, R. ; Urbaneck, T. ; Schirmer, U. ; Bühl, J. ; Nilius, A. ; Platzer, B.: Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher. Abschlussbericht BMU-Forschungsvorhaben, Identifikation A, Chemnitz: TU Chemnitz, ISBN [2] Klein, S. A. ; u.a.: TRNSYS A transient system simulation program. Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin Madison, Madison (USA), Programm, Handbuch [3] Drück, H. ; Pauschinger, T.: MULTIPORT Store Model for TRNSYS. Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik, Universität Stuttgart, Februar Beschreibung, Programm [4] Knabe, G. ; Felsmann, C. ; Perschk, A. ; Rösler, M. ; FIZ Karlsruhe (Hrsg.): Gebäudeund Anlagensimulation. Bonn : BINE-Informationsdienst, 1999 (profiinfo 03/99) [5] ANSYS: ANSYS CFX-Solver, Release 10.0: Theory. ANSYS Europe Ltd., 2005 [6] Göppert, S. ; Lohse, R. ; Urbaneck, T. ; Schirmer, U. ; Platzer, B. ; Steinert, P.: New computation method for stratification pipes of solar storage tanks. In: Solar Energy (2009), to be published, accepted DOI: /j.solener [7] Urbaneck, T.: Berechnung des thermischen Verhaltens von Kies-Wasser-Speichern. Chemnitz, Technische Universität, Diss., ISBN [8] Göppert, S. ; Urbaneck, T. ; Schirmer, U. ; Lohse, R. ; Platzer, B.: Be- und Entladesyteme zur thermischen Speicherschichtung. In: Ostbayerisches Technologie-Transfer- Institut e.v. (OTTI) Regensburg (Hrsg.): 16. Symposium Thermische Solarenergie, Staffelstein, 2006, Tagungsband, S ISBN X [9] Schirmer, U. ; Freitag, T. ; Niersmann, U.: Solarunterstützte Brauchwassererwärmung und Gebäudeheizung Wohngebäude Lungwitzer Straße in Glauchau. Abschlußbericht zu Solarthermie 2000, Teilprogramm 2. TU-Chemnitz, Förderkennzeichen: S [10] Lohse, R. ; Göppert, S. ; Urbaneck, T. ; Schirmer, U. ; Platzer, B.: Strömungsvorgänge an Beladetassen für Warmwasserspeicher. In: Ostbayerisches Technologie-Transfer- Institut e.v. (OTTI) Regensburg (Hrsg.): 19. Symposium Thermische Solarenergie, Staffelstein, 2009, Tagungsband, S , ISBN [11] Urbaneck, T. ; Möller, H. ; Platzer, B.: Kaltwasserspeicher mit radialen Diffusoren, Teil 1: Strömung im Diffusor. HLH Lüftung/Klima Heizung/Sanitär Gebäudetechnik Springer 59. Jg. (2008) Heft 10 S ISSN [12] Urbaneck, T. ; Möller, H. ; Kressner, T. ; Platzer, B.: Kaltwasserspeicher mit radialen Diffusoren, Teil 2a: Schichtungsaufbau im Nahfeld - Grundlagen, Physik, Simulation. HLH Lüftung/Klima Heizung/Sanitär Gebäudetechnik Springer 60. Jg. (2009) Heft 6 S ISSN

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