Um Wärmeverluste durch Einrohrzirkulation zu vermindern, werden Wärmespeicher gemäss SIA-Norm 385/1 siphoniert. In der Fachwelt herrschte Unklarheit darüber, ob der siphonierte Bereich zur besseren Unterbindung der Wärmebrücke und dem daraus folgenden besseren Abbau der Temperatur über den Siphon ohne Wärmedämmung ausgeführt werden sollte. Zur Überprüfung dieser Fragestellung wurden strömungsmechanische Simulationen mit ANSYS CFX durchgeführt. Die Simulationsresultate wurden mit Messungen aus früheren Laborstudien validiert.

Die Resultate zeigen, dass ein Weglassen der Wärmedämmung in allen untersuchten Fällen die Anschlussverluste erhöht. Die zusätzlichen Verluste am nicht wärmegedämmten Teil übertreffen in jedem Fall die positiven Effekte durch geringere Temperaturen im Rohr nach dem Siphon. Ob ein Weglassen der Wärmedämmung am Siphonbogen bei defektem Rückschlagventil die Schwerkraftzirkulation über die Vor- und Rücklaufleitung von Solaranlagen bremsen oder gar stoppen kann, wurde in dieser Arbeit nicht untersucht.

Zusätzlich wurde der Effekt nicht wärmegedämmter Rohrabschnitte, wie z.B. bei eingebauten Armaturen, in 0.5 m und 1.5 m Entfernung des Speicheranschlusses untersucht. Bei fehlender Siphonierung erhöhen sich die Verluste durch Einrohrzirkulation durch nicht wärmegedämmte Armaturen oder Komponenten in Speichernähe um bis zu 100 %. Dieser Effekt ist naturgemäss grösser für kürzere Rohrstücke zwischen Wärmebrücke und Speicher.

Die aus den Simulationen ableitbaren Empfehlungen zur Siphontiefe entsprechen weitestgehend den bisherigen Standards in der Schweiz. Für Speicheranschüsse mit Siphons aus Kunststoff, Edelstahl und unlegiertem Stahl kann eine Siphontiefe die dem 4, 8, respektive 12-fachen des Innendurchmessers entspricht empfohlen werden. Bei Rohren mit sehr geringem Durchmesser (< 10 mm) sowie bei permanent durchflossenen Anschlüssen wird keine Siphonierung empfohlen.

Résumé

Les réservoirs de stockage de chaleur sont siphonnés selon la norme 285/1 de la SIA afin de limiter les pertes thermiques par recirculation à l’intérieur des canalisations. Parmi les professionnels règne une certaine confusion quant à la nécessité de ne pas isoler thermiquement le siphon de façon à maximiser le gradient de température du fluide qu’il contient et de fait, de mieux couper le pont thermique. Afin de clarifier ce point, des simulations de mécanique du fluide ont été effectuées avec ANSYS CFX. Les résultats des simulations ont été validés par des résultats expérimentaux d’études antérieures.

Les résultats montrent que dans tous les cas étudiés, la suppression de l’isolation augmente les pertes thermiques. Les déperditions thermiques supplémentaires au niveau de la partie non isolée supplantent dans tous les cas les effets bénéfiques apportés par une température plus faible dans le tube après le siphon. L’objet de ce travail n’a par contre pas été de vérifier si la suppression de l’isolation au niveau du coude du siphon permettait de limiter voir de stopper la circulation gravitaire à travers les canalisations d’amenée et de retour en cas de disfonctionnement du clapet anti-retour de l’installation solaire.

Complémentairement, des investigations ont été menées sur les effets occasionnés par la non-isolation de sections de canalisation éloignées de 0.5 et 1.5 m des connexions du réservoir de stockage. En cas d’absence de siphon, les pertes par recirculation à l’intérieur des canalisations peuvent s’élever à 100 %. L’effet est naturellement plus important si la longueur de canalisation entre le pont de chaleur et le réservoir est courte.

Les recommandations concernant les dimensions des siphons dérivant de ces simulations correspondent très largement aux standards actuels prévalant en Suisse. Pour les raccordements d'accumulateurs avec siphons en plastique, acier inoxydable et acier non allié, une profondeur de siphon de 4, 8 ou 12 fois le diamètre intérieur peut être recommandée. Aucun siphon n'est recommandé pour les tuyaux de très petit diamètre (< 10 mm) ainsi que pour les raccords à passage permanent.

Summary

In order to reduce pipe connection losses that are induced by single pipe circulation, thermal storages should be installed with heat traps according to the standard SIA 385/1. Experts argued whether a part of these heat traps should be uninsulated in order to increase the temperature difference between both legs of the trap and thus improve the suppression of the heat bridge. Simulations were performed using computational fluid dynamics with ANSYS CFX. The results of the simulations were validated with measurement results from previous laboratory work.

The results showed that omitting insulation for part of the heat trap lead to increased thermal losses for all cases that were analyzed. Increased heat losses at the uninsulated part always exceeded the effect of reduced temperatures after the heat trap. Whether the uninsulated part reduces unwanted buoyancy induced circulation over the supply and return line of solar thermal collectors was not analyzed.

In addition, the effect of uninsulated valves or pipe sections at 0.5 m and 1.5 m distance from the storage connection was analyzed. If the heat trap is missing, single pipe losses may be increased by 100% because of uninsulated valves or components near to the storage connection. Naturally, this effect is higher, the shorter the pipe between the storage and the thermal bridge.

Recommendations that can be derived for the geometry and depth of heat traps are in general agreement with existing standards and rules in Switzerland.

For siphons made of plastic, stainless steel and non-alloyed steel, a siphon depth of four, eight and twelve times the internal diameter can be recommended. For pipes with a very small diameter (< 10 mm) as well as for pipes with permanent flow no siphoning is recommended.