Klaus Berndlmaier WärmespeicherW. Wärmespeicher. Sonne in den Tank. Vortrag Wärmespeicher 2005/07 1

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1 Wärmespeicher Sonne in den Tank Vortrag Wärmespeicher 2005/07 1

2 Die Qualität eines Wärmespeichers lässt sich nur zusammen mit dem System beurteilen, in dem er eingesetzt wird. Vortrag Wärmespeicher 2005/07 2

3 1.0 Heizungssystem, ist Abhängig von: Gebäudehülle Wärmeverluste über Dach und Wände Art der Heizflächen z.b. Fußboden- / Wandheizung, Heizkörper Wohnraumgrösse Komfort kontinuierliche oder diskontinuierliche Heizquelle Kosteneinsparung Investition ökologischen Gesichtspunkten Vortrag Wärmespeicher 2005/07 3

4 2.0 Definition Wärmespeicher 2.1 Systemkomponente einer Heizungsanlage Keine Energiequelle, verliert sogar Wärme Bindeglied zwischen Energiequelle und Verbraucher 2.2 Energiequellen effizient nutzbar Einsparung Primärenergie 2.3 Artenvielfalt Vortrag Wärmespeicher 2005/07 4

5 2.1 Systemkomponente einer Heizungsanlage Übersicht Solarkollektor Warmwasserbereitung Biomasse Wärmepumpe Brennwerttechnik Öl / Gas BHKW Fernwärme Wärmespeicher - konstruktive und - thermodynamische Eigenschaften Raumheizung Sonst. Verbraucher Vortrag Wärmespeicher 2005/07 5

6 2.2 Energiequellen Solaranlagen Biomasse Heizungen Ölheizungen Blockheizkraftwerk Wärmepumpe Fernwärme ohne nicht möglich Erhöhung vom Wirkungsgrad und Komfort Verbesserung Brennstoffnutzung geringere Leistung bei höheren Betriebsstunden eigentlich nicht notwendig Versorgungssicherheit Vortrag Wärmespeicher 2005/07 6

7 Klaus Berndlmaier WÄrmespeicherW 2.3 Arten von Wärmespeicher Thermische Chemische fåhlbare latente Reaktions- WÄrme WÄrme wärme FlÅssigkeit FestkÇrper fest flåssig flåssig gasfçrmig Wasser Gestein Schmelzen Dampf Vortrag WÄrmespeicher 2005/07 7

8 2.3.1Ausführungsvarianten Boiler Warmwasser Pufferspeicher einfacher Behälter Schichtenspeicher Kombispeicher diverse Ausführungsvarianten KW Kombispeicher Vortrag Wärmespeicher 2005/07 8

9 2.3.2Integration, als Arbeits- / Tagesspeicher fär die WÅrmeverteilung zuståndig Mehrtages- / Langzeitspeicher ErhÇhung der solaren Deckungsrate ErhÇhung Wirkungsgrad und Komfort, z.b fär Biomasse Anlagen Warmwasserspeicher nur fär Trinkwasser Vortrag Wärmespeicher 2005/07 9

10 3.0 Planungsgrundlagen 3.1 Warmwasserbereitung 3.2 Aufstellort / Einbringmöglichkeiten 3.3 Behälterstutzen 3.4 Isolierung 3.5 Temperaturschichtung 3.6 Behältergröße Vortrag Wärmespeicher 2005/07 10

11 3.1 Warmwasserbereitung Boiler Wassererwärmung über integrierte Heizschlangen Trinkwasser verweilt bis zum Zeitpunkt der Verwendung Ripprohrwärmetauscher Eingebaut im oberen Bereich eines Pufferspeichers Trinkwassererwärmung bei Bedarf im Durchlauf Plattenwärmetauscher Extern Aufgebaut Primär- und Sekundärkreislauf Trinkwassererwärmung bei Bedarf im Durchlauf Vortrag Wärmespeicher 2005/07 11

12 3.2 Aufstellort / Einbringmöglichkeiten Innerhalb Gebäudehülle Platzprobleme Einbringung komplett Einbringung in Teilen mit Fertigmontage am Aufstellort Wärmeverluste im Sommer bedeutet zusätzliche Temperaturerhöhung Außerhalb Gebäudehülle Stellfläche oftmals vorhanden Einbringung weniger Problem Wärmeverluste gehen verloren Lange Rohrleitungen Vortrag Wärmespeicher 2005/07 12

13 3.3 Behälterstutzen Ausführung konstruktiv Stutzenverluste (Konvektion) reduzieren Details Anzahl Sollte auf für die Anlage notwendige Stückzahl reduziert werden Anordnung am Behälter Sollten unten am Behälter angeordnet sein Die Stutzenverluste können die Wärmeverluste eines Speichers um mehr als 100% erhöhen. Vortrag Wärmespeicher 2005/07 13

14 3.4 Behälterisolierung Isoliermaterial z.b. Weichschaum, Mineralwolle, PU Schaum, etc. Die WÅrmeleitung steigt mit zunehmender Speichertemperatur DÅmmschichtdicke AbhÅngig vom Isoliermaterial und von Art der Integration (Kurz-/Langzeitspeicher) Platzbedarf Isolierumfang BehÅltermantel, BehÅlterkopf / -boden Wichtig: Auch Äber den Boden geht enorm Energie verloren! Speichertemperatur Einige Materialen neigen zur VersprÇdung im hçheren Temperaturbereich Die WÅrmeverluste steigen mit zunehmender Nutzungsdauer dadurch an Aufstellort Hat Einfluss auf die Lebensdauer und Funktion der Isoliermaterialien Isolierstoffe Abkühlung Vortrag Wärmespeicher 2005/07 14

15 3.5 Temperaturschichtung Physikalische Grundlage Wasser hat bei unterschiedlicher Temperatur eine unterschiedliche Dichte Gestaltung BehÅlter HÇhe / Durchmesser VerhÅltnis BehÅltereinbauten Heiz-/KÄhlschlangen thermisches RÄhrwerk Isolierung Konvektion an der BehÅlterwand thermisches RÄhrwerk Einbindung RÄcklÅufe Heizkreise z.b. Schichtrohr,Ventilsteuerung, etc. Vortrag Wärmespeicher 2005/07 15

16 3.6 Behältergröße Anlagenkonzept Wärmebedarf Wärmeverluste Einbring- / Platzangebot Investition Vortrag Wärmespeicher 2005/07 16

17 4.0 Kostenübersicht (Preise, ohne Mehrwertsteuer) Wärmespeicher ca Liter Inhalt, ohne WW-Bereitung BehÅlter mit 100mm Weichschaum Einfachste AusfÄhrung mit diversen Stutzen, ohne Flansche Schichtenspeicher mit 100mm Weichschaum Einfach AusfÄhrung mit div. Stutzen und Flanschen Schichtenspeicher mit >100mm IsolierstÅrke Hochwertige AusfÄhrung fär Schichtensystem, Isolierwerkstoffe und Stutzenkonstruktion Schichtenspeicher mit Vakuumisolierung Entspricht bezogen auf das Speichervolumen einem Liter Speicher mit herkçmmlicher Isolierung Vortrag Wärmespeicher 2005/07 17

18 Einspeicheranlage mit eingetauchtem Ripprohrwärmetauscher Heizkreis Wärmeerzeuger Kaltwasser Tagesspeicher z.b Liter Vortrag Wärmespeicher 2005/07 18

19 Zweispeicheranlage mit eingetauchtem Ripprohrwärmetauscher, und zwei Heizkreisen für Fußboden- und Heizkörperheizung Heizkreis 2 Heizkörper Heizkreis 1 Fußboden Wärmeerzeuger Kaltwasser Schema Pkt Tagesspeicher 900 Liter Mehrtagesspeicher 2400 Liter Vortrag Wärmespeicher 2005/07 19

20 Einspeicheranlage mit externen Plattenwärmetauscher, und zwei Heizkreisen für Fußboden- und Heizkörperheizung Warmwasser Heizkreis 2 Heizkörper Kaltwasser Wärmeerzeuger Wärmeübertrager Heizkreis 1 Fußboden Datenblatt Tank Mehrtagesspeicher 2000 Liter Vortrag Wärmespeicher 2005/07 20

21 Zweispeicheranlage mit Warmwasserboiler, und zwei Heizkreisen für Fußboden- und Heizkörperheizung Heizkreis 1 Heizkörper Warmwasser Heizkreis 2 Fußboden Ölheizung Boiler 400 Liter Langzeitspeicher ( ERDSPEICHER ) z.b Liter Pkt. 1.0 Tagesspeicher 800 Liter Vortrag Wärmespeicher 2005/07 21

22 Warm- wasserboiler Warmwasserbereitung Warmwasserbereitung Wärmeübertrager Plattenwärmetauscher Warmwasser Warmwasser Warmwasser Schichtung Ripprohrwärmetauscher KW Kaltwasser Boiler KW Vortrag Wärmespeicher 2005/07 22

23 Wärmeleitfähigkeit (Lambda) [ W / mk ] 0,060 0,055 0,050 0,045 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 Wärmeleitfähigkeit verschiedener Isolierstoffe / -arten Temperaturunterschied ( Tm ) [ K ] Weichschaum Mineralwolle Melamin PU-Schaum EPS Vakuum < 5 mbar Vortrag Wärmespeicher 2005/07 23

24 Abkühlung eines Speichers mit 1000 Liter Inhalt Temperatur [ C ] Zeit ( Stunden ) [ h ] Behälter mit Isoliervakuum < 5mbar Behälter mit 125mm EPS - Isolierung 3 4 Behälter mit 100mm Standardisolierung Zulässig nach DIN 4753/8, ohne Rohre Vortrag Wärmespeicher 2005/07 24

25 Beispielberechnung: Wärmeverluste von Wärmespeichern Wie groö ist der WÅrmestrom durch die WÅrmedÅmmung eines zylindrischen Pufferspeichers mit folgenden technischen Daten: Inhalt 1000 Liter Lösung: OberflÅche Speicher = 5,63 m 2 Durchmesser 850 mm OberflÅche Isolierung = 8,33 m 2 HÇhe 1800 mm Bezugsfläche = (5,63 m 2 + 8,33 m 2 )/2 = 6,98 m 2 Dämmung 100 mm(weichschaum) U = λ / s = 0,05 W/m 2 K / 0,1 m = 0,50 W/m 2 K Temperatur Speicher 65 C Temperatur Umgebung 20 C Q V = 0,50 W/m 2 K * 6,98 m 2 * 45 K = 157,1 W Lambda 50 C = 0,05 W/m 2 K Q V gesamt = 157,1 W + 157,1 W = 314,2 W Stutzenverluste 100% Gesamtjahresverlust: Q V = 314,2 W * 8760 h/a = 2752 kwh / a Die berechnete Wärmemenge entspricht ca. 270 m 3 Gas oder 270 l Heizöl!! Vortrag Wärmespeicher 2005/07 25

26 Isolierung Details Behälterstutzen Behälterwand Vortrag Wärmespeicher 2005/07 26