Interesse an numerischer Simulation für Vorgänge in Wärme- bzw. Kältespeichern

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1 Interesse an numerischer Simulation für Vorgänge in Wärme- bzw. Kältespeichern Thorsten Urbaneck, Bernd Platzer, Rolf Lohse Fakultät für Maschinenbau Professur Technische Thermodynamik 1

2 Quelle: Solvis Einführung // SolvisMax: Schichtenlade-Speicher, innenliegender Heizkessel, komplette Peripherie

3 Einführung // Chemnitzer Kältespeicher 11 KW 2007, Bau der Behälterwand, Höhe ca. 8 m

4 Notwendigkeit effektiver thermischer Speicher - Wärmeversorgung z.b. Solarthermie - Kälteversorgung z.b. Fern-/Nahkältesystem Speicher aus thermodynamischer Sicht 2 Tätigkeitsfelder» Speicherhülle die Systemgrenze externe Verluste» Speicherinhalt das System interne Verluste Anwendungsorientierung A) Systemuntersuchung Anlagensimulation» komplexe Programme z.b. TRNSYS» anwenderfreundliche, einfache Programme z.b. T*SOL B) Phänomene der Wärme- und Stoffübertragung» im Speicher und Speicherumgebung: Computational Fluid Dynamics (CFD) z.b. CFX» speziell für die Wärmedämmung (Feuchtetransport und - speicherung) z.b. WUFI Von der Notwendigkeit zur Simulation

5 allgemein: Planung, Auslegung, Prognose Funktionskontrolle Aufbau einer virtuellen Anlage Versagen klassischer, ingenieurtechnischer Berechnungsverfahren (stationär, maximale Last) Ertragsvorhersage virtuelle Wärmemengen- Zähler Optimierung des Systems - Funktionsverbesserung z.b. Ertragsmaximum - Auslegung technischer Bauteile z.b. Kostenminimum Ertragskontrolle Soll-Ist-Vergleich (Meßwerte: Wetter, Verbrauch) GSE = Garantierter solarer Ertrag Haftung Parameterindentifikation Test von Solaranlagen bei instationären Verhältnissen Quelle: ITW A) Anlagensimulation // Ziele

6 umfangreiche Komponenten-Bibliothek (große Speicher, Gebäude, PV, kraftwerkstechnische Komponenten...), d.h. auch passive Systeme thermische Bauphysik universell Nicht-Standard-Systeme F & E Quelltext offen Einbindung eigener Modell Minuten- bis Sekundenzeitschritte (z.b. Untersuchung Regelungsverhalten) Nachteile und großer Ärger - lange Einarbeitungszeit - Konvergenz - Fehler in Modellen - keine Plausibilitätstests heute: Experten, teuer, moderate Rechenzeiten (problemabhängig) A) Anlagensimulation // TRNSYS- Kurzcharakteristik

7 Lösung algebraischer Gleichungen Lösung von (einfachen) Differentialgleichungen Lösung für einen Zeitschritt Iteration sukzessivem Einsetzen A) Anlagensimulation // TRNSYS-Oberfläche IISiBat

8 A) Anlagensimulation // TRNSYS Online Window

9 A) Anlagensimulation // Jahres-Wärmebilanz (Sankey-Diagramm) für ein solares Nahw ärmesystem mit saisonalem Speicher

10 7 m 4 m x 2 20 m x 1 Untersuchungsgebiet unten Temperatursensor B) Simulation der WuSÜ // Chemnitzer Kies-Wasser-Speicher (Berechnungsebene) - Untersuchung des Entnahmeverhaltens

11 B) Simulation der WuSÜ // Entnahmeverhalten bei thermischer Schichtung im unteren Speicherbereich

12 Anlagensimulation Computational Fluid Dynamics (CFD) numerische Lösungsmethode Vertreter örtliche Diskretisierung zeitliche Diskretisierung FDM TRNSYS 1D, 2D, oft starke Einschränkungen konstante Zeitschritte (neuere Versionen flexibel) FVM CFX 2D, 3D, sehr flexibel flexibel Masseerhaltung Impulserhaltung Energieerhaltung weitere Erhaltungsgleichungen numerischer Aufwand 1D - 1D, 2D selten gering 2D, 3D 2D, 3D 2D, 3D sehr flexibel sehr hoch Vergleich im Bereich der Anlagensimulation und CFD

13 Modell Speicher = ein thermodynamisches System Methode, Anwendungsgebiet einfache, zeitabhängige Energiebilanzen, integraler Ansatz, Abschätzung Komplexität, Aufwand, Information - Bemerkungen Systemvoraussetzung: Homogenität, z.b. eine Speichertemperatur einfache Modelle (z.b. Schichtenmodell von Hornberger, Type 143 in TRNSYS) Simulation des System - und Speicherverhaltens, zeit- und ortsabhängige Bilanzen, Optimierung des Systems und des Speichers + nur Energieerhaltung, notwendige Vereinfachungen bei physikalischen Vorgängen im Speicher, z.b. Pfropfenströmung komplexes Modell (z.b. diese Arbeit, modifiziertes CFX 4.4) Simulation des Speichers, alle relevanten physikalischen Größen, detaillierte Untersuchungen ++ alle Informationen bezüglich des Temperatur- und Strömungsfeldes, Lösung aller Gleichungen der Erhaltungs - und Transportgrößen Berechnungsmodelle für thermische Speicher - Übersicht und Vergleich verschiedener Methoden

14 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 14

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