Thermische Speicher spielen eine wichtige Rolle für den Ausgleich von fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen und bei der Nutzung von Abwärme. Immer öfters werden in Wärmenetzen oder industriellen Anwendungen grosse Speicher mit Volumen bis zu 100 m³ und mehr installiert. Bei Wärmequellen mit ausgeprägt temperaturabhängiger Effizienz spielt die thermische Speicherschichtung eine entscheidende Rolle für die Systemeffizienz. Mit Simulationen von Wärmepumpensystemen wurde gezeigt, dass die Arbeitszahl in gut schichtenden Speichern im Vergleich mit stark durchmischten Speichern um bis zu 17 % höher liegen kann. Es wurden sieben Feldanlagen mit grossen thermischen Speichern auf die Qualität der Schichtung untersucht. Die verschiedenen Varianten umfassten dabei Speicher mit direktem Wassereintritt, Speicher mit Bogenrohr und Speicher mit Sprührohr.

Bestehende Empfehlungen zum Design von Schichtspeichern wurden auf beliebige Speichergrössen verallgemeinert. Als relevante Grösse wurde die Ablenkungsrelation identifiziert. Ist diese Ablenkungsrelation kleiner als 0.12 bei vertikalem Eintritt und kleiner als 0.5 bei Eintritt über ein Bogenrohr in Richtung Speicherdeckel, so ist die Ablenkung des eintretenden Fluides in vertikale Strömungen gering und eine bestehende Speicherschichtung wird effektiv erhalten.

Summary

Thermal storage plays an important role in balancing fluctuating renewable energy sources and in the use of waste heat. Large storage tanks with volumes of up to 100 m³ and more are increasingly being installed in heating networks or industrial applications. For heat sources with pronounced dependence of the efficiency on the temperature, thermal storage stratification plays a decisive role in system efficiency. Stratification efficiency was analyzed for seven field plants with large thermal storage tanks. The analyzed storages include tanks with direct water inlet, tanks with curved pipe and tanks with sparger diffusor. With simulations, it is shown that the COP of heat pump systems can increase up to 17 % with stratified tanks.

In this project, existing recommendations for the design of stratified storages are generalized to any storage size. The deflection ratio has been identified as a relevant variable. If this deflection ratio is less than 0.12 for vertical inlet and less than 0.5 for inlet via an upward or downward elbow pipe, the deflection of the entering fluid into vertical flows is low and an existing storage stratification is effectively maintained.

Résumé

Le stockage thermique joue un rôle important dans le but de limiter les fluctuations de production des sources d'énergie renouvelable et lors de l'utilisation de chaleur résiduelle. Il est de plus en plus fréquent de rencontrer dans des réseaux de chaleur ou des applications industrielles des stockages ayant des capacités allant jusqu’à 100 m³, voire plus. La stratification thermique de ces stockages joue un rôle prépondérant dans le rendement global du système pour les sources de chaleur dont le rendement dépend fortement de la température.

La qualité de stratification des températures a été étudiée sur sept installations sur terrain comportant des stockages thermiques de grande capacité. Parmi les différentes variantes étudiées figurent des stockages comportant un tube d’entrée droit, un tube coudé ou un tube perforé.

Dans ce projet, les recommandations existantes pour la stratification de stockages thermiques ont été extrapolées à toutes les tailles possibles de stockage. Pour ce faire, le facteur de déflection a été identifié comme étant une grandeur pertinente. De fait, lorsque ce facteur est inférieur à 0.12 pour une entrée verticale ou inférieure à 0.5 dans le cas d’un tube d’entrée coudé, la déflection du fluide entrant selon une composante verticale s’avère faible, ce qui permet de conserver la stratification des températures dans le stockage.