Eine kennzahlgestützte Auslegungsmethodik für Eisspeicheranlagen

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1 Facbeiräge 67 Akuelles BHKS Produke Bauanalyse Rec Käleecnik Auoren Dipl-Ing (FH) Sebasian Bucner, Prof Dr-Ing Arnd Hilligweg Georg-Simon-Om-Facocscule Nürnberg, Facbereic Mascinenbau und Versorgungsecnik, 949 Nürnberg K () K,Max Eisspeicer (Enladen) u Kälemascine Eisspeicer (Laden) Bild :Küllasprofil mi Käleleisungen im Normal- und Ladeberieb Eine kennzalgesüze Auslegungsmeodik für Eisspeiceranlagen Auf der Grundlage weniger Parameer läss sic ein einfaces Kennzalsysem zur Auslegung von Eisspeiceranlagen ersellen Es basier auf grundlegenden Abängigkeien, die sic aus der Energiebilanz über Lade- und Enladezyklus ergeben Ergänzend kann aus Wärmeübergangsbezieungen ein Prüfverfaren für die Enladeleisung abgeleie werden Am Beispiel zweier Lasverläufe werden Auslegungsmeodik und Prüfverfaren erläuer Energiebilanz eines Speicers Grundlage für die Dimensionierung einer aus Kälemascine und Eisspeicer beseenden Verbundanlage is die Kennnis des zeilicen Verlaufs des Kälebedarfs eines Prozesses oder Gebäudes über eine besimme Zykluszei Die üblice Auslegung erfolg dann über die energeisce Bilanzierung von Lade- und Enladepase (Bild ) Es ergeben sic folgende Bilanzgleicungen: Ladezyklus: ESP = ν L o () Enladezyklus: ESP = K KM = ( K () o ) d (2) Definiion der Kennzalen Zielgrößen bei der Auslegung einer Eisspeiceranlage sind zunäcs die Eisspeicerkapaziä ESP und die im Verbund erforderlice Kälemascinenleisung o,bzw deren auf die maximale Leisung bezogene Verälnisse, die ier Auslegungsverälnis r AL und Voll-Las-Enladezei VE genann werden sollen [] Auslegungsverälnis: r AL = (3) Voll-Las-Enladezei: VE = (4) (r = raio; = ime) Aus einem bekannen Küllasprofil lassen sic neben der maximalen Küllas K, max auc die Beriebszei B (Dauer der Küllas) und die 3 2 K,max ESP K,max gesame Kälearbei K wärend der Zykluszei ermieln Des weieren ergib sic aus der Anlagenkonfiguraion das Ladeverälnis ν, d die Leisungsminderung der Kälemascine wärend der Ladezei, die im Wesenlicen durc die Absenkung der Verdampferemperaur begründe is Die Ladezei L kann auc durc beriebswirscaflice Umsände wie Sperrzeien des EVU oder vom Angebo günsiger Nacsromarife beeinfluss werden Ladeverälnis: ν =, Ladeberieb (5), Normalberieb TGA-Anwendungen: ν =, Nac (6), Tag Uner Verwendung dieser Ausgangsgrößen lassen sic zwei dimensionslose Kennzalen besimmen Die Änlickei α is das Verälnis der benöigen Kälearbei zur Kälearbei eines zeigleicen Receckprofils Sie spiegel die Eigenscafen des Lasprofils, also die Anforderungen des spezifiscen Prozesses bzw Gebäudes wider Änlickei: α = K () d = K (7) K,max B K,max B Das Beriebsverälnis β is das Verälnis der zur Verfügung seenden effekiven Ladezei zur Beriebszei Es is eine Kennzal für die beriebsecniscen Randbedingungen [2] ν Beriebsverälnis: β = L () B 5 wwwabde 3 26

2 K () K,Max C W W W W W W W W Eisspeicer (Enladen) C u Kälemascine Eisspeicer (Laden) 4 C 2 C D L D D L2 6 C Bild 2: Beliebiges Küllasprofil mi E = B Bild 3:Modell eines Eisspeicers mi exerner Scmelze Zusammenang der Kennzalen bei Teilspeicerung Im Folgenden wird ein beliebiges Küllasprofil unersuc, bei dem die Enladezei E des Eisspeicers gleic der Beriebszei B is Jede aufreende Küllas K () is somi größer als die Kälemascinenleisung o Es wird zunäcs das Konzep der Teilspeicerung berace (Bild 2), welces in TGA-Anwendungen vorwiegend gewäl wird Für die gesame Kälearbei gil: K = α B K,max (9) K = ESP + KM = ν L + B () Mi Gleicung () ergib sic folgender einfacer Zusammenang [2]: α r AL = für E = B () β + Anlagendimensionierung bei Vollspeicerung Bei Vollspeicerung wird die Kälemascine wärend der Beriebszei B abgescale Der Speicer erbring die gesame Kälearbei und auc die maximale Küllas Die nöige Eisspeicerkapaziä enspric also der gesamen Kälearbei wärend der Zykluszei Eisspeicerkapaziä: ESP = K = α B K,max (2) ESP = ν L (3) Es kann folgender einfacer Zusammenang der dimensionslosen Kennzalen ergeleie werden [2] Auslegungsverälnis: r AL = α = (4) β K,max Nac Besimmung der Kälemascinenleisung und der Eisspeicerkapaziä muss der Eisspeicer auf ausreicende Enlade- bzwabscmelzleisung geprüf werden Da diese mi abnemender Eismenge kleiner wird, sell eine Küllasspize am Ende der Beriebszei den kriiscen, zu überprüfenden Fall dar Zur Besimmung der Abscmelzleisung wurde der Speicer pysikalisc modellier [2] Nac Berecnung der mileren Srömungsgescwindigkei durc die akuelle freie uerscnisfläce (s Bild 3) wurden der Wärmeübergangskoeffizien sowie die noc vorandene Ausauscfläce besimm Die daraus folgende Enladeleisung kann nac Division durc die Speicerkapaziä als neue Kennzal f ausgedrück werden ESP Spezifisce Enladeleisung: f = (5) ESP Gegen Ende der Enladung: f = ESP, (6) ESP Für die versciedenen Speicerbauaren ergeben sic nacseende Were der spezifiscen Enladeleisung bei naezu leerem Speicer Speicer mi inerner Scmelze one Lufeinblasung: f =,9 Speicer mi inerner Scmelze mi Lufeinblasung: f =,4 Speicer mi exerner Scmelze: f =, Für eine ordnungsgemäße Funkion der Eisspeiceranlage muss die zum Zeipunk benöige spezifisce Enladeleisung kleiner oder gleic der maximal möglicen spezifiscen Enladeleisung sein Dies gil im Besonderen für das Ende der Beriebszei, also bei naezu leerem Speicer: f ( 3 ) < f (7) Daraus läss sic folgende Bedingung für das Auslegungsverälnis ableien: r AL > () ν L ƒ wwwabde 5

3 Facbeiräge 67 Akuelles BHKS Produke Bauanalyse Rec Käleecnik,9,,7 gil für n=,7 one Lufeinblasung mi Lufeinblasung exerne Scmelze,6 ral [ _ ],5,4 one Lufeinblasung,3,2 mi Lufeinblasung, exerne Scmelze D L [] Bild 4:Grenzfunkion für das Auslegungsverälnis Die grapisce Darsellung dieser Grenzfunkion für versciedene Speicerbauaren ermöglic eine (Bild 4) Durc Einzeicnen eines Beriebspunkes BP ( L ;r AL ) in Bild 4 is es möglic abzuscäzen, ob eine besimme Eisspeicerbauar bei vorgegebenem Lasprofil evenuell Probleme insiclic der Enladeleisung insbesondere bei geringem Ladezusand des Speicers aufwerfen kann Wenn der Beriebspunk oberalb einer bauarbezogenen Kurve lieg, sind keine Probleme insiclic der Enladeleisung der vorgeseenen Bauar zu erwaren, Wenn der Beriebspunk uneralb einer bauarbezogenen Kurve lieg, kann zum Ende der Beriebszei eine nic ausreicende Enladeleisung aufreen, wenn zu diesem Zeipunk noc eine oe Küllas abgefrag wird Vor einem Einsaz dieser Speicerbauar is daer die vom Herseller über den Enladeverlauf spezifiziere Abscmelzleisung mi den Anforderungen abzugleicen Eine Lage des Beriebspunkes uneralb einer bauarbezogenen Kurve is desalb kein abscließendes Aussclusskrierium, da die Kurven auf Enladeleisungen naezu leerer Speicer beruen Zusammensellung der Auslegungsmeodik a) Ausgangsgrößen Reakionsgrößen des Gebäudes Voraussezung zur Auslegung einer Eisspeiceranlage is eine Küllasberecnung bzw das zugeörige Lasprofil des lezen, kriiscen Tages der Scönweerperiode nac VDI 27Aus diesem Lasprofil lassen sic folgende Daen ableien: maximale Küllas: K,max [kw] Kälearbei: K [kw] Beriebszei: B [] Beriebsecnisce Größen Kül bzw Rückkülkonzep Anand der Parameer des gewälen Kül- und Rückkülkonzepes, d der Ar der Übergabe der Käle an den Raum (Küldecken, Külregiser) und der Ar des Rückkülers (Luf-, Verdunsungsküler) lassen sic die Verdampfer- und Verflüssigeremperauren am Tag bzw in der Nac besimmen Mi der Wal eines Verdiceryps lieg auc das Verälnis ν aus Kälemascinenleisung wärend der Ladung zur Leisung im Normalberieb fes,l ν = (9) Beriebswirscaflice Randbedingungen Ensceidend für die Auslegung einer Eisspeiceranlage is auc die Zeidauer, in der der Eisspeicer geladen werden kann Teoreisc is es möglic, den Speicer zu jedem Zeipunk zu laden, zu dem er nic enladen wird Bei der prakiscen Feslegung der Ladezei L spielen aber auc Aspeke wie Sperrzeien, die durc das EVU vorgegeben werden, oder günsige Nacsromarife eine wicige Rolle b) Dimensionslose Kennzalen Uner Verwendung der Ausgangsgrößen lassen sic zwei dimensionslose Kennzalen besimmen Sie spiegeln zum einen die Parameer des Gebäudes und zum anderen die beriebsecniscen Randbedingungen wider Änlickei α Uner der Änlickei α is das Verälnis der real benöigen Kälearbei zur maximalen Kälearbei eines Receckprofils zu verseen α = (2) B K,max Beriebsverälnis β Das Beriebsverälnis β spiegel das Verälnis zwiscen zur Verfügung seender Ladezei zur Beriebszei wider Die Ladezei wird durc das Ladeverälnis ν reduzier, da es für die Berecnung nic relevan is, ob die Kälemascinenleisung oder die Ladezei verminder wird ν β = L (2) B K 52 wwwabde 3 26

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5 Facbeiräge 67 Akuelles BHKS Produke Bauanalyse Rec Käleecnik K() [kw] Beispiel :Typisces Lasprofil eines Kaufauses Erser Berecnungsgang K = 93 kw K,max = kw B = 3 ; L = ; ν =,7 α = 93 kw =,756 kw 3 β =,7 =, D B = 3 r AL =,756 =,492,53 + =,492 kw = 492 kw K() [kw] Zweier Berecnungsgang K * = 73 kw K,max = kw E = ; L = ; ν =,7 α* = 73 kw =,73 kw ,7 β* = =, D E = r AL =,73 =,54 +,7 =,54 kw = 54 kw ESP =,7 54 kw = 359 kw,9 gil für n=,7,,7 one Lufeinblasung mi Lufeinblasung exerne Scmelze,6 ral [ ],5,4 BP,3,2 Beriebspunk (unkriisc!): L = ; r AL =,5, Gewäle Kälemascine: = 54 kw D L [] Gewäler Eisspeicer: ESP = 359 kw 54 wwwabde 3 26

6 Beispiel 2:Typisces Lasprofil einer Messe 9 7 Erser Berecnungsgang K() [kw] K = 739 kw K,max = kw B = ; L = ; ν =,7 α = 739 kw =,739 kw 2,7 β = =, D B = r AL =,739 =,435,7 + =,435 kw = 435 kw K() [kw] Zweier Berecnungsgang K * = 6 kw K,max = kw E = ; L = ; ν =,7 α* = 6 kw =,5 kw 3 2,7 β* = =, D E = r AL =,5 =,454 +,75 =,454 kw = 454 kw ESP =,7 454 kw = 37 kw,9 gil für n=,7,,7 one Lufeinblasung mi Lufeinblasung exerne Scmelze,6 ral [ ],5,4 BP,3,2 Beriebspunk (unkriisc!): L = ; r AL =,45, Gewäle Kälemascine: = 454 kw D L [] Gewäler Eisspeicer: ESP = 37 kw 3 26 wwwabde 55

7 Facbeiräge 67 Akuelles BHKS Produke Bauanalyse Rec Käleecnik c) Auslegung Mi folgender Formel läss sic bei Teilspeicerung in erser Näerung die Reduzierung der Kälemascinenleisung bzw das Auslegungsverälnis berecnen: α r AL = (22) β + Wenn die daraus folgende Enladezei E des Eisspeicers gleic der angenommenen Beriebszei B is, enspric das berecnee Auslegungsverälnis r AL dem exaken Endergebnis (siee auc die beiden Beispielrecnungen auf den beiden vorerigen Seien) Is dies nic der Fall, so enspric das Auslegungsverälnis des ersen Berecnungsgangs nic dem exaken Wer Es is dann nowendig, einen zweien Berecnungsgang durczufüren Dabei werden aus dem Küllasprofil alle Zeiinervalle mi einer geringeren erforderlicen Käleleisung als der im ersen Berecnungsgang ermielen Kälemascinenleisung erausgesricen Die Kennzalen α 2 und β 2 werden neu berecne Die Beriebszei bei der Berecnung von β enspric jez der Enladezei Das Auslegungsverälnis wird mi derselben Gleicung wie im ersen Berecnungsgang ermiel r AL2 = (23) β 2 + Wenn sic an der angenommenen Enladezei nics mer änder, is das exake Endergebnis erreic Meis is dies scon nac dem zweien Berecnungsgang der Fall Ansonsen wird diese Berecnungsmeode so lange angewand, bis die Enladezei des Eisspeicers gleic der bei der Berecnung des Beriebsverälnisses β n angesezen Zeidauer is Nac Besimmung des Auslegungsverälnisses lassen sic die Kälemascinenleisung sowie die Eisspeicerkapaziä direk berecnen: Kälemascinenleisung = r AL K,max (24) α 2 Fazi Aus der Bilanzierung der Lade- und Enladepase eines Eisspeicersysems wurden zwei dimensionslose Kennzalen abgeleie, von denen die eine Eigenscafen des Küllasprofils, die andere beriebsecnisce Randbedingungen enalen Auf Grundlage dieser Kennzalen wurde eine srukuriere Auslegungsmeodik für Eisspeiceranlagen enwickel, die in diesem Beirag für die beiden Grundkonzepe Teil- und Vollspeicerung dokumenier is Ergänzend wurde ein Prüfkrierium für die Enlade- bzw Abscmelzleisung eines Eisspeicers definier und grapisc dargesell Anand zweier Beispiele wurde gezeig, dass sic mi Hilfe der ier dargelegen Auslegungsmeodik Eisspeiceranlagen scon in einem früen Planungssadium auf einfacem Weg übersclägig dimensionieren lassen Verwendee Formelzeicen B Beriebszei [] E Enladezei [] L Ladezei [] α Änlickei zum Receckprofil [ ] β Beriebsverälnis [ ] ν Ladeverälnis der Käleleisung [ ] r AL Auslegungsverälnis [ ] VE Volllasenladezei [] K,max maximale Küllas [kw] Kälemascinenleisung [kw] ESP maximale Enladeleisung [kw] K gesame Kälearbei [kw] ESP Kapaziä des Eisspeicers [kw] KM Kälearbei der Kälemascine [kw] e() Ladezusand zum Zeipunk [ ] Eisspeicerkapaziä ESP = ν L = ν L r AL K,max (25) d) Die Überprüfung des vorgeseenen Speicers auf ausreicende Enladeleisung zum Ende des Enladevorgangs erfolg miels Bild 4 gemäß dem bescriebenen Verfaren Die ier bescriebene Abfolge a) bis d) wird auf den beiden vorergeenden Seien grapisc und recnerisc an zwei Beispielen erläuer Auslegungsbeispiele Beispiel :Typisces Lasprofil eines Kaufauses [3] Erser Berecnungsgang Zweier Berecnungsgang Beispiel 2:Typisces Lasprofil einer Messe [3] Erser Berecnungsgang Zweier Berecnungsgang f spezifisce Enladeleisung f spezifisce Enladeleisung bei fas leerem Speicer Lieraur [] Hilligweg, A, Hofmann, P: Tecnisce Bewerungskrierien zum Einsaz von Eisspeicern, DKV-Tagungsberic 2 (2), S 5-3 [2] Bucner, S: Eine Auslegungsmeodik für Eisspeiceranlagen, Diplomarbei im Facbereic Mascinenbau und Versorgungsecnik, Georg-Simon-Om-Facocscule Nürnberg, 25 [3] Fafco Deuscland, Dieselsraße /, 777 Leinfelden Ecerdingen: Typisce Küllasprofile, Sand 25 [4] Bucner, S, Hilligweg, A: Eine srukuriere Auslegungsmeodik für Eisspeiceranlagen, DKV-Tagungsberic 32 (25), in Vorbereiung profil Die Versandbucandlung im Bauverlag profil Service von Profis für Profis Facbücer aus erser Hand was wir nic finden gib es nic! wwwprofil-mediende 56 wwwabde 3 26