Schichtung thermischer Speicher auf dem Prüfstand. Resultate aus dem BFE-Projekt StorEx

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1 Schichtung thermischer Speicher auf dem Prüfstand Resultate aus dem BFE-Projekt StorEx Dr. Michel Haller, Patrick Persdorf, Robert Haberl, Andreas Reber

2 Übersicht Speicherschichtung Was ist das und wie erhält man das? Strömungssimulationen zeigen Grenzen auf Wie kann man Schichtungseffizienz messen? Wie beeinflusst die Schichtungseffizienz eines Kombi- Wärmespeichers die Effizienz einer Wärmepumpen-Anlage? Die Schichtungseffizienz von sechs Kombispeicher im Prüfstand gemessen Schlussfolgerungen 2

3 Thermische Speicherschichtung stellt sich automatisch ein auf Grund der Dichteunterschiede zwischen warmem und kaltem Wasser h h h T m T T m T T m T ausgeprägte Schichtung weniger ausgeprägte Schichtung keine Schichtung / vollständig durchmischt drei Speicher, dreimal derselbe Energieinhalt (gleiche Mitteltemperatur) jedoch drei unterschiedliche Schichtungsprofile! 3

4 Wand Zerstörung von Speicherschichtung Wärmespeicher 1. Wärmeleitung und Diffusion eff 2. mitreissende natürliche Konvektion (plume entrainment) 3. turbulente Einströmung (inlet jet mixing) 4

5 Störung der WW-Zone bei 1800 l/h an 2 Zoll Anschluss Speichermitte ohne Strömungsberuhigung mit Strömungsberuhigung T WW T WW 37 C 50 C Min. Warmwasser Nachladung! 1800 l/h 2, 30 C Noch keine WW Nachladung 1800 l/h 2 30 C Quelle: Bachelorarbeit Andreas Huggenberger (EEU HSR), & Arbeiten von Matthias Kaufmann (EEU HSR) 5

6 Verschiedene Massnahmen zur Strömungsberuhigung Einströmung horizontal in Speichermitte mit 30 C, Verbleibendes Warmwasser-Volumen überhalb des Anschlusses nach einer Stunde 800 l/h 1600 l/h keine Massnahmen A B C D E F G Quelle: Gwerder et al. (SPF - HSR) 6

7 Verbrennungskessel vs. LowEx Speicher Schichtung Verbrennungskessel 800 C 60 C kein Problem fast egal Bild: Hoval LowEx - Solarwärme 60 C - Wärmepumpe - Wärmerückgewinnung Bild: Buderus Kondensator Verdampfer Kompressor extrem wichtig Bild: Hauser Automatic 7

8 Exergieverluste im gesamten Speicher-Prozess anschauen! hydraulische Einbindung Speicherschichtung M FWM Speicher M T WW,on WP Simulation M T SH,on M Kollektor Simulation Mischung und Wärmeübertragung finden aber nicht nur im Speicher statt, sondern auch in den Wärmetauschern und Mischventilen die für die Be- und Entladung verwendet werden! 8

9 Generelle Zusammenhänge und Schichtungs-Kennzahl 60 C 35 C S irr S irr Mischung und Wärmeübertragung Ein gutes Mass für die Schichtungseffizienz eines Prozesses ist die Entropieproduktion S irr, die durch Mischung und Wärmeübertragung entsteht! Diese ist direkt proportional zu den Exergieverlusten! Schichtungseffizienz lässt sich in Zahlen zwischen 0-100% ausdrücken durch die Formel Entropieproduktion gemessen Schichtung 1 S S irr, ms irr, ref Entropieproduktion eines vollständig durchmischten Referenzspeichers 9

10 24 Stunden Speicher-Schichtungstest Teststand / Emulation Prüfling Bilanzgrenze «System» Teststand / Emulation M 45 C FWM Speicher M T WW,on WP Simulation M T SH,on M 29 C Kollektor Simulation Schichtungseffizienz System (inklusive Mischung in Hydraulik) 10

11 WW-Ladung RH-zone Einbindung und Speichermanagement mit WP Position WW-Fühler > 30 cm über Raumwärmezone Speicher T WW WP cm T WW > 30 cm Rücklauf bei Warmwasser-Ladung oberhalb der Raumwärmezone T RH RH RH-zone WW - Ladung Zeitfenster für Warmwasser- Ladung < 2 x 2 h pro Tag: optimal zwischen 16:00 20:00 Uhr WW 15 Bis zu 50 % zusätzlicher elektrischer Bedarf bei Missachtung der Empfehlungen! 18 11

12 Messung der Schichtungseffizienz 6 X 6 Speicher von 6 verschiedenen Herstellern Volumen: Liter WW-Bereitung: 3 x Frischwassermodul, 3 x Wellrohrwärmetauscher Solar: 5 x Wellrohrwärmetauscher, 1 x Externer WÜ 3 3 Tests je Speicher Standardtest (8 kw WP, mit Zeitfenstern für WW-Bereitung) = Ohne Zeitfenster (immer noch 8 kw WP) Grosse WP (12 kw oder 16 kw, wieder mit Zeitfenstern für WW) Tests 12

13 el. Energiebedarf [kwh] Messung der Schichtungseffizienz eines Speicher-Systems für Kombi-Wärmespeicher mit Soarwärme und Luft-Wasser-Wärmepumpe (WP) 20 8 kw WP 8 kw WP ohne Zeitfenster grosse WP grosse WP ohne Zeitfenster 18 R² = % % 10 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% Schichtungseffizienz System Schichtungseffizienz hat immense Auswirkung auf den elektrischen Energiebedarf, respektive die Energiekosten der Kombination Wärmepumpe und Kombispeicher! 13

14 WP Wärmelieferung [kwh] el. Energiebedarf der WP [kwh] Auswirkung von Wärmeverlusten des Speichers A B C D E F R² = Verluste [kwh] A B C D E F R² = Verluste [kwh] Wärmeverluste haben im Vergleich dazu KEINE SIGNIFIKANTE AUSWIRKUNG auf den el. Energiebedarf einer Wärmepumpen-Kombispeicher Kombination! Die Schichtung entscheidet ALLES! 14

15 Zusammenfassung Schichtungseffizienz ist wichtig, und kann man messen! Für die Kombination WP + Kombispeicher hat die Schichtungseffizienz des Speichersystems enorme Auswirkungen auf den elektrischen Bedarf der Wärmepumpe sind die Wärmeverluste des Speichers im Vergleich dazu schon fast egal... Ein Warmwasser-Zeitfenster kann die Performance massiv verbessern Das Europäsiche Energie-Label für Wärmespeicher berücksichtigt derzeit nur Wärmeverluste Da sollte man Nachbessern! Wärmeverluste sind oft nicht der entscheidende Faktor 15

16 Weitere Informationen Flyer zum Thema Speicherschichtung Kombination Kombispeicher mit Wärmepumpe 16

17 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Dieses Projekt wird unterstützt durch: Bundesamt für Energie BFE, Bern Danke an die beteiligten Hersteller: Projekt StorEx Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Schichtungseffizienz von Wärmespeichern Vertrags- und Projektnummer: Sl/

18 Schichtungseffizienz Messergebnisse: Schichtungseffizienz 100% 80% 60% 40% Schichtungseffizienz Speicher (100 % - Mischung Speicher = 83.3 %) Schichtungseffizienz System (100 % - Mischung Speicher Mischung Hydraulik = 77.3 %) 20% 0% A B C D E F A B C D E F A B C D E F Standardtest ohne Zeitfenster grosse WP Mischung Hydraulik Mischung Speicher 18

19 WW-Verhältnis [-] Warmwasser-Verhältnis Schlechte Schichtung führt dazu, dass die Wärmepumpe vermehrt Warmwasserladungen durchführt, und damit auf hohen Temperaturen läuft! A B C D E F A B C D E F A B C D E F Standard ohne Zeitfenster grosse WP 19

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