Erweiterung der Numerikmodelle für Schichtladespeicher

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1 Erweiterung der Numerikmodelle für Schichtladespeicher in Polysun Modellkalibrierung mit Ratiotherm Schichtspeichern Simon Geisshüsler 1 (simon.geisshuesler@velasolaris.com) Andreas Witzig 1 (andreas.witzig@velasolaris.com) René Kohli 2 (rene.kohli@arriva.ch) Alexander Weidinger 3 (a.weidinger@ratiotherm.de) 1 Vela Solaris AG Stadthausstrasse 125, CH-8400 Winterthur, Schweiz Tel.: ; Internet: 2 Arriva Engineering Dorfstrasse 33, CH-8427 Freienstein, Schweiz Tel ; Internet: 3 Ratiotherm Heizung + Solartechnik GmbH & Co.KG Wellheimer Strasse 34, DE Dollnstein, Deutschland Tel.: ; Internet: 1. Einleitung Das Simulationsprogramm Polysun wurde erweitert, so dass die Unterschiede in der Bauweise von Schichtlanzenmodellen numerisch nachgebildet werden können. Dabei wird ein neuer Parameter als Mass eingeführt für die Idealität der Einschichtung. Anhand von Messungen wird dieser neue Parameter kalibriert. 2. Schichtlanzenmodell in Polysun Polysun bildet die verschiedenen Komponenten von Solaranlagen anhand von physikbasierten Modellen ab. Dabei wird der Solarspeicher in einer detailreichen physikalischen Beschreibung anhand eines 12-Schichten-Modelles nachgebildet. Verschiedene Schichtladeeinheiten unterscheiden sich stark in ihrer Einströmcharakteristik. Dieser Effekt wird im neuen Polysun-Modell berücksichtigt. Folglich kann im Entwurf von neuen Solarsystemen die Wahl der Schichtladeeinheit spezifisch auf die Anforderungen optimiert werden Implementierung und Beurteilung des numerischen Modells In der numerischen Simulation werden die Schichtlanzen neu in Abhängigkeit der Einströmgeschwindigkeit beurteilt. Für hohe Geschwindigkeiten er- Schichtladespeicher Seite 1/1

2 folgt die Einschichtung nicht mehr in eine einzige Schicht im Speicher sondern verteilt über mehrere Schichten. Damit kann die Nichtidealität der Einschichtung präzise abgebildet werden. Dies erlaubt einerseits eine präzise Simulation mit Polysun in der Systemplanung und auslegung. Andererseits werden dabei wertvolle Rückschlüsse für die Optimierung im Design von Schichtenspeicher gewonnen. Abbildung 2: Physikalisch perfekte Einschichtung. Dargestellt ist für den Monat Juli jede zweite Schicht des Polysun 12-Schichten-Modells, von der untersten Schicht (blau) bis zur obersten Schicht (rot). In Abbildungen 2 und 3 ist deutlich zu erkennen, dass die Temperaturspreizung im Speicher zwischen höchster und tiefster Schicht mit einer Verschlechterung der Schichtlanzeneffizienz drastisch abnimmt. Schichtladespeicher Seite 2/2

3 Abbildung 3: Einschichtung 15% (oben), 30% (mitte) und 60% (unten) schlechter als im Idealfall. Man hat in diesem Projekt bewusst darauf verzichtet, die detaillierte Geometrie der Schichtladeeinheit in die Modelle aufzunehmen. Stattdessen werden die Modelle anhand von Messungen kalibriert. Das heisst, es werden aufgrund von Messdaten und einem Interpolationsschema die neu eingeführten Parameter bestimmt. Liegen keine Messdaten vor, so werden in Polysun konservativ geschätzte Defaultwerte eingesetzt Kalibrierung des numerischen Modelles anhand von Messdaten Im Folgenden wird das Vorgehen für die Kalibrierung anhand des Beispiels eines Ratiotherm Schichtenspeichers und eines nicht auf optimale Einschichtung optimierten generellen Speichermodells erläutert. Abbildung 2 und 3 zeigen die Messdaten sowie die durch Interpolation bestimmten Kenngrössen. Schichtladespeicher Seite 3/3

4 Abbildung 4: Kalibrierung der Modelle anhand eines Polynomialen Fits durch Messdaten. Hier gezeigt ist der auf ideales Einströmverhalten optimierte Schichtenspeicher von Ratiotherm mit einem allgemeinen, nicht optimierten Speicher. Der Wirkungsgrad Q1/Q2 kann anhand von Messkurven ermittelt werden. Eine Anleitung dazu ist im Paper Theoretical and experimental investigations of inlet stratifiers for solar storage tanks [2] beschrieben. Abbildung 1: Ratiotherm Schichtenspeicher in Polysun eingebunden. Kombianlage Warmwasser und Raumheizung. Schichtladespeicher Seite 4/4

5 3. Schlussfolgerung und Ausblick Die Firma Ratiotherm hat Messungen verschiedener Schichtlanzensystemen je mit unterschiedlichen Einströmgeschwindigkeiten durchgeführt. Insbesondere in der Anwendung mit höheren Durchflüssen kommen dabei die Vorzüge der optimierten Einströmgeometrie zum Tragen. Die Optimierung der Einschichtung ist weiterhin ein ganz zentraler Faktor bei der Auslegung von Solaranlagen. Mit dem neuen Polysun Einschichtungsmodell wird diese Thematik dem Planer und Speicherproduzenten zugänglich. In der Analyse verschiedener Speichertypen und anhand von Simulationsrechnungen mit verschiedenen Parametersätzen hat sich gezeigt, dass der Ratiotherm Speicher sehr nahe an den idealen Speicher herankommt. Dabei ist sowohl die Leistungsfähigkeit wie auch die Robustheit für den Einsatz in verschiedenen Anwendungsfällen ein wichtiger Vorteil. 4. Zusammenarbeit Die in diesem Projekt präsentierten Arbeiten wurden von folgenden Partnern ausgeführt alle Resultate wurde in die Software Polysun eingefügt und sind damit für einen breiten Anwenderkreis verfügbar. ab sofort in einer neuen Version und mit neuem Logo: 5. Literatur [1] Drück Harald. Mathematische Modellierung und experimentelle Prüfung von Warmwasserspeichern für Solaranlagen Shaker Verlag 2007 ISBN [2] Louise Jivan Shah, Elsa Andersen, Simon Furbo, Theoretical and experimental investigations of inlet stratifiers for solar storage tanks, Applied Thermal Engineering Schichtladespeicher Seite 5/5