Be- und Entladesysteme zur thermischen Speicherschichtung

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1 Be- und Entladesysteme zur thermischen Speicherschichtung Stefan Göppert, Thorsten Urbaneck, Ulrich Schirmer, Rolf Lohse, Bernd Platzer Technische Universität Chemnitz Fakultät für Maschinenbau Professur Technische Thermodynamik Chemnitz Tel.: 0371 / , -2463, -2546, -2414, -2501, Fax: 0371 / Internet: Hintergrund Eine absehbare Verknappung der Rohstoffe verbunden mit einem steigenden Energiebedarf und einem daraus resultierenden anhaltenden Preisanstieg kennzeichnet die heutige Situation im Bereich der Energieversorgung. Die thermische Nutzung von Solarenergie als einer regenerativen Energiequelle liefert hier einen Beitrag, herkömmliche Energiequellen zu ersetzen. Dabei besteht häufig eine Diskrepanz zwischen Angebot und Bedarf, die durch entsprechende Speichertechnologien ausgeglichen werden muss. Die effiziente und kostengünstige Speicherung thermischer Energie bedingt einfache Be- und Entladesysteme, die zuverlässig eine thermische Schichtung im Speicher bewirken und erhalten. Auf diesem Hintergrund erfolgt innerhalb des Projektes "Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher" eine permanente Marktbeobachtung und Literaturrecherche.

2 Marktsituation Es existiert eine Vielzahl an Konstruktionen zur Be- und Entladung von thermischen Speichern. Das spiegelt sich in einer entsprechenden Anzahl an Patenten und Gebrauchsmustern wieder. Der Einsatz dieser Systeme beschränkt sich jedoch hauptsächlich auf kleine Speicher. In größeren Speichern wurden solche Konstruktionen nur in Einzelfällen eingebaut. Neben der dominierenden direkten Beladung sind auch einige Vorrichtungen für die indirekte geschichtete Beladung zu finden [1] - [8]. Die verschiedenen Be- und Entladesysteme lassen sich in drei Hauptgruppen einordnen: o Leiteinrichtungen im Speicher selbst [9] - [12] o eigentliche Schichtenladevorrichtungen o Ein- / Auslasskonstruktionen an der Mündung [13] - [20] Tabelle 1 und Tabelle 2 geben einen Überblick über die derzeitigen technischen Varianten von Schichtenladevorrichtungen jeweils für fixe bzw. variable Beladehöhe. Die Angaben zur Speichergröße geben den Bereich wieder, in dem die jeweiligen Konstruktionen momentan eingesetzt werden. Untersuchungen zur Funktionsfähigkeit sind nur für einige der verfügbaren Systeme durchgeführt worden. Es hat sich gezeigt, dass verschiedene als Schichtenlade- Einrichtungen bezeichnete Konstruktionen die erwartete Funktion nicht oder nur teilweise erfüllen. Im Bereich der mittleren und großen Speicher fehlen derartige Arbeiten nahezu ganz. Die von den Herstellern bereitgestellten Informationen beschränken sich verständlicher Weise in der Regel auf die unbedingt erforderlichen Daten. Im schlimmsten Fall lässt sich jedoch unter Umständen nicht einmal die Funktionsweise einer Konstruktion erkennen. Grundlegende Untersuchungen zur Speicherphysik erfolgten nur an einzelnen Speichern bzw. Be- und Entladesystemen, wobei der Schwerpunkt meist auf besonders interessierenden Teilaspekten lag. Deshalb stehen entsprechend wenige Ergebnisse im umfassenden Sinn zur Verfügung.

3 Tabelle 1: Übersicht zu technischen Varianten von direkten Be- und Entladesystemen - fixe Beladehöhe Bezeichnung Beladehöhe Funktionsprinzip Schematische Darstellung Speichergröße Quellen Beladetasse fix - Reduzierung der Eintrittsgeschwindigkeit klein - groß [21] - [25] horizontale Verteilerrohrsysteme fix - Reduzierung der Eintrittsgeschwindigkeit klein - groß [26] - [28] - Einrohrkonstruktionen bei kleinen und geschachtelte Systeme bei großen Speichern Beispiele für Verteilerrohre:

4 Tabelle 2: Übersicht zu technischen Varianten von direkten Be- und Entladesystemen - variable Beladehöhe Bezeichnung Beladehöhe Funktionsprinzip Schematische Darstellung Speichergröße Quellen Mechanische Belader variabel - Wahl der Eintrittshöhe durch mechanische Verfahren a) Höhenverstellung b) Rotation Innenrohr c) Auswahl außerhalb - Schwerkraft - Bimetall des Speichers - motorgetrieben - Motor klein a) [29] - [31] b) [32], [33] c) [34] Strömungsmechanische Belader variabel - Wahl der Eintrittshöhe durch Schwerkraftströmung freie Öffnungen: a) b) c) klein (einzelne Ausnahmen) a) [35] - [46] b) [47] - [49] c) [50] Mehrkammer- bzw. Doppelrohrkonstruktionen: [51] / [52], [53] verschließbare Öffnungen: a) [54] - [56] a) elastisch b) starr b) [57], [58]

5 Probleme Es existiert keine allgemeine und übergreifende Darstellung zur konstruktiven Gestaltung von Be- und Entladesystemen für Schichtenlade-Speicher. Selbst grundlegende physikalische Phänomene im Speicher, die vor allem von der Konstruktion des Be- und Entladesystems sowie von Betriebsweisen abhängen, sind nicht vollständig und nicht mit der notwendigen Tiefe aufgeklärt. Die Frage nach der Übertragbarkeit der in kleinen Speichern eingesetzten Systeme auf mittlere bzw. große Speicher kann aufgrund fehlender Untersuchungen nicht beantwortet werden. Dadurch wird die Auswahl bzw. Auslegung eines geeigneten Be- und Entladesystems insbesondere für neu zu errichtende mittlere und große Speicher enorm erschwert. Quellen [1] Schutzrecht DE U1 (2004). Leibfried, U. [2] Schutzrecht DE U1 (2005). Leibfried, U. [3] Schutzrecht EP B1 (1998). Leibfried, U. Pr.: DE [4] Schutzrecht US B1 (2002). Hennig et al. Pr.: DE [5] ŒRTLI: Produktinformation Warmwasserbereiter (zu Speichertypen ŒCOSUN und ŒCODENS) [6] Stadlbauer, W J.: Einschichtung des Heizungsrücklaufs. In: SBZ. 2003, Nr. 12, [7] Autarc Energie Systeme: Produktinformation zum Speichertyp PS-BD [8] Schutzrecht DE A1 (1998). Taubert, P. [9] Schutzrecht DE A1 (2004). Bosch [10] Schutzrecht US 2003/ A1 (2003). Onimaru, S. et al. Pr.: JP [11] Schutzrecht DE A1 (2002). Nau [12] Schutzrecht US (1977). Harrison, H. [13] Schutzrecht US (1956). Kaufmann, L. W. [14] Schutzrecht US A1 (2002). Kopko, W. L. [15] Schutzrecht DE A1 (1988). VEB Energiekombinat Schwerin. Pr.: DD WP F 24 D/ [16] Schutzrecht DE G (1990). Vaillant. Pr.: AT A 305/ [17] Schutzrecht DE A1 (2005). Bosch [18] Schutzrecht DE U1 (1999). Sailer, R.; Sailer, W. [19] Feuron: Energie- und Kältespeicher Kombispeicher für optimale Energienutzung. Technischer Prospekt Firmenschrift [20] Wagner & Co: CONVECTROL II - Konvektionsbremse. Technische Information / Montageanleitung. Datei-Nr /2003. Firmenschrift [21] Musser, A.; Bahnfleth, W. P.: Evolution of temperature distributions in a full-scale stratified chilledwater storage tank with radial diffusers. ASHRAE Trans. 104 (1998), Pt. 1A, [22] Bahnfleth, W. P.; Musser, A.: Thermal performance of a full-scale stratified chilled-water thermal storage tank. ASHRAE Trans. 104 (1998), 2, [23] Musser, A.; Bahnfleth, W. P.: Parametric study of charging inlet diffuser performance in stratified chilled water storage tanks with radial diffusers: Part 1-Model development and validation. HVAC&R Res. 7 (2001), 1, [24] Musser, A.; Bahnfleth, W. P.: Parametric : Part 2-Dimensional analysis, parametric simulations and simplified model development. HVAC&R Res. 7 (2001), 2, [25] Dorgan, C. E.; Elleson, J. S.: Design guide for cool thermal storage. Atlanta : ASHRAE, Code : ISBN [26] Bahnfleth, W. P.; Song, J.; Cimbala, J. M.: Measured and modeled charging of a stratified chilled water thermal storage tank with slotted pipe diffusers. HVAC&R Res. 9 (2003), 4,

6 [27] Song, J.; Bahnfleth, W. P.; Cimbala, J. M.: Parametric study of single-pipe diffusers in stratified chilled water storage tanks (RP-1185). HVAC&R Res. 10 (2004), 3, [28] Bahnfleth, W. P.; Song, J.: Constant flow rate charging characteristics of a full-scale stratified chilled water storage tank with double-ring slotted pipe diffusers. Appl. Therm. Eng. 25 (2005), 17-18, [29] Neal, W. E. J.: Thermal Energy Storage. Phys. Technol. 12 (1981), 5, [30] Schutzrecht DE A1 (1997). Trillitzsch, H. [31] Schutzrecht US A (1978). Floyd, A. L. et al. [32] Schutzrecht DE U1 (1999). Golebniak, S. [33] Schutzrecht DE A1 (2001). Isenmann, H. [34] Schutzrecht DE A1 (2002). Nau [35] Schutzrecht DE A1 (1978). Manthey, H. [36] Schutzrecht DE C1 (1993). Thermo-Solar Energietechnik [37] Schutzrecht DE U1 (1999). Sailer, R.; Sailer, W. [38] Schutzrecht EP B1 (1995). Ratiotherm. Pr.: DE [39] Schutzrecht US (1985) Kristinsson, J. Pr.: NL [40] Autarc Energie Systeme: Produktinformation zum Speichertyp THS [41] Buderus: Planungsunterlage : Größenbestimmung und Auswahl von Speicher-Wassererwärmern. Ausgabe 07/2002 (A4.06.1). - Firmenschrift [42] Estec Energiespartechnik: Produktinformation zum Speichertyp MultiPower [43] Feuron: Produktinformation zum Speichertyp SPIRA therm [44] Hoval: Hoval SolKit Kompaktsystem für die solare Wassererwärmung. 0303/ Firmenschrift [45] Viessmann: VITOCELL 333/353 : Datenblatt , 5/ Firmenschrift [46] Weishaupt: info : Produktinformation über Heizsysteme : Leben in Wärme. - Firmenschriftgj [47] Schutzrecht DE A1 (1997). Miller, B. Pr.: DE [48] Schutzrecht DE U1 (1999). Sailer, R.; Sailer, W. Pr.: DE [49] Wolf: Montageanleitung Schichtenspeicher Typ /03 TV. - Firmenschrift [50] Schutzrecht DE A1 (2001). ConSens [51] Schutzrecht DE A1 (2002). Nau. Pr.: DE [52] Schutzrecht EP B1 (1995). Kruck, A. Pr.: DE [53] Schutzrecht DE C1 (1999). Isenmann, H. [54] Schutzrecht DE A1 (2003). Solvis [55] Schutzrecht EP A1 (1990). Solvis. Pr.: DE [56] Schutzrecht DE C2 (1995). Solar Diamant-System. Pr.: DE [57] Schutzrecht DE U1 (2000). Kowert, J. [58] Consolar: Produktinformationen zu den Speichertypen CONUS, CUBUS, SOLUS Charge and discharge facilities for thermal stratification - Abstract The efficient storage of thermal energy requires simple charge and discharge facilities, which reliable effectuate and maintain thermal stratification in the store. The inquiry carried out shows a multitude of possible constructions, however mostly of them are used in small stores. A survey of these variants is given. Especially with regard to large stores open problems are pointed out. Dank Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit unter dem Förderkennzeichen A gefördert. Besonderer Dank gilt auch dem Projektträger PTJ für die Unterstützung des Vorhabens. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

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