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 09107 Chemnitz Tel.: 0371 / 531-4749, -2463, -2546, -2414, -2501, Fax: 0371 / 531-2349 E-Mail: stefan.goeppert@mb.tu-chemnitz.de, thorsten.urbaneck@mb.tu-chemnitz.de, ulrich.schirmer@hrz.tu-chemnitz.de, rolf.lohse@mb.tu-chemnitz.de, bernd.platzer@mb.tu-chemnitz.de Internet: http://www.solarthermie2000plus.de 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.
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.
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:
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]
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 20317011-U1 (2004). Leibfried, U. [2] Schutzrecht DE 20317010-U1 (2005). Leibfried, U. [3] Schutzrecht EP 0578126-B1 (1998). Leibfried, U. Pr.: DE 4221668 1992 [4] Schutzrecht US 6364002-B1 (2002). Hennig et al. Pr.: DE 19807657 1998 [5] ŒRTLI: Produktinformation Warmwasserbereiter (zu Speichertypen ŒCOSUN und ŒCODENS) [6] Stadlbauer, W J.: Einschichtung des Heizungsrücklaufs. In: SBZ. 2003, Nr. 12, 32-37 [7] Autarc Energie Systeme: Produktinformation zum Speichertyp PS-BD [8] Schutzrecht DE 19707859-A1 (1998). Taubert, P. [9] Schutzrecht DE 10245786-A1 (2004). Bosch [10] Schutzrecht US 2003/0006239-A1 (2003). Onimaru, S. et al. Pr.: JP 2001-346242 2001 [11] Schutzrecht DE 10049278-A1 (2002). Nau [12] Schutzrecht US 4010731 (1977). Harrison, H. [13] Schutzrecht US 2766200 (1956). Kaufmann, L. W. [14] Schutzrecht US 20020179298-A1 (2002). Kopko, W. L. [15] Schutzrecht DE 3819317-A1 (1988). VEB Energiekombinat Schwerin. Pr.: DD WP F 24 D/305135 1987 [16] Schutzrecht DE G 9001675.0 (1990). Vaillant. Pr.: AT A 305/89 1989 [17] Schutzrecht DE 10327696-A1 (2005). Bosch [18] Schutzrecht DE 29908403-U1 (1999). Sailer, R.; Sailer, W. [19] Feuron: Energie- und Kältespeicher Kombispeicher für optimale Energienutzung. Technischer Prospekt 2003. - Firmenschrift [20] Wagner & Co: CONVECTROL II - Konvektionsbremse. Technische Information / Montageanleitung. Datei-Nr. 8120 4800 06/2003. 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, 55-67 [22] Bahnfleth, W. P.; Musser, A.: Thermal performance of a full-scale stratified chilled-water thermal storage tank. ASHRAE Trans. 104 (1998), 2, 377-388 [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, 31-49 [24] Musser, A.; Bahnfleth, W. P.: Parametric : Part 2-Dimensional analysis, parametric simulations and simplified model development. HVAC&R Res. 7 (2001), 2, 205-222 [25] Dorgan, C. E.; Elleson, J. S.: Design guide for cool thermal storage. Atlanta : ASHRAE, 1993. - Code : 90369. - ISBN 1-883413-07-9 [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, 467-491
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