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StorEx – Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Schichtungseffizienz von Wärmespeichern

Seit über 30 Jahren ist die thermische Speicherschichtung und deren Auswirkung auf die Effizienz solarthermischer Systeme ein Thema. Insbesondere bei der Verwendung von sogenannten Kombi-Wärmespeichern, die sowohl Brauchwarmwasser als auch Raumheizungswärme speichern, wird die System-Effizienz entscheidend durch die thermische Speicherschichtung beeinflusst. Erstaunlicherweise gab es jedoch bis heute kein Test-Verfahren, mit dem die thermische Speicherschichtung realitätsnah und vergleichbar untersucht und dargestellt werden kann.

 

Im Projekt StorEx wurde ein 24 Stunden Testzyklus entwickelt, mit dem die thermische Schichtung von Kombi-Wärmespeichern im realitätsnahen dynamischen Betrieb ermittelt werden kann. In diesem Prüfzyklus übernimmt ein Teil der Wärmebereitstellung eine solarthermische Anlage. Weil die Schichtungseffizienz von Kombispeichern insbesondere bei Kombination mit einer Wärmepumpe die System-Performance entscheidend beeinflusst, wurde als Zusatz-Wärmeerzeuger eine Wärmepumpe simuliert und emuliert, und deren elektrische Leistungsaufnahme bestimmt.

 

Mit diesem Verfahren wurden insgesamt 18 Tests an sechs verschiedenen Kombispeicher-Systemen durchgeführt. Es zeigte sich, dass der Bedarf an elektrischer Energie der Wärmepumpe sehr gut mit der Schichtungseffizienz des Speichers korreliert. Die besten Resultate wurden jeweils erzielt, wenn die Warmwasser-Nachladung durch die Wärmepumpe auf wenige Zeitfenster pro Tag beschränkt wurde. Ohne diese Zeitfenster verschlechterten sich die Ergebnisse bei fünf der sechs getesteten Kombispeicher deutlich. Auch eine Erhöhung der Wärmepumpenleistung und der damit verbundenen Volumenströme wirkte sich negativ auf das Ergebnis aus. Insgesamt lagen die erreichten Schichtungseffizienz-Werte im Bereich von 59 – 84 %. Bei einer Standard-Heizlast entspricht eine Reduktion der Schichtungseffizienz um 10 % einer Erhöhung des elektrischen Energiebedarfs der Wärmepumpe um 16 %. Dies gilt sowohl für den Prüfzyklus, als auch für ein ganzes Jahr. Für den Bedarf an elektrischer Energie dieser Systeme ist damit die Schichtungseffizienz wesentlich entscheidender als der Wärmeverlust.

 

Ein zweiter Teil der Arbeit befasste sich mit Strömungssimulation (CFD) direkter Speicher-Beladungsprozesse. Der Fokus lag dabei auf horizontal eintretenden Fluidströmen auf halber Höhe des Speichers, und deren Auswirkungen auf darüber liegende wärmere Schichten. Verschiedene Massnahmen zur Strömungsberuhigung wurden untersucht. Auf Grund der mit Messungen validierten CFD-Simulationen können die folgenden Empfehlungen zur Vermeidung der Störung der Speicherschichtung abgegeben werden:

 

- Am Austritt des Strömungskanals sollte die Geschwindigkeit des einströmenden Fluides soweit reduziert sein, dass eine Reynolds-Zahl von unter 5000 erreicht wird.

- Nach der letzten Strömungsumlenkung oder Querschnittserweiterung sollte die Beruhigungsstrecke eine minimale Länge von 3 – 6 Mal dem hydraulischen Querschnitt aufweisen.

 

Ob sich diese Empfehlungen auch auf grössere Speicher oder andere Temperaturbereiche übertragen lassen, sollte in weiteren Untersuchungen geklärt werden.

 

Mit Abschluss des Projektes StorEx stehen nun einerseits generelle Empfehlungen für die Gestaltung direkter Speicher-Eintritte zur Verfügung, und andererseits ein Test-Verfahren, mit welchem die Schichtungseffizienz von Kombispeichern ermittelt und verglichen werden kann.

 

 

Résumé

 

La stratification dans les stockages thermiques et son impact sur l'efficacité des systèmes solaires thermiques est discutée depuis plus de 30 ans. Pour les stockages combinés de chaleur qui stockent à la fois de l'eau chaude sanitaire et de la chaleur chauffage, l'efficacité du système est influencée de manière décisive par la stratification thermique. Cependant, il n'y avait jusqu'à présent aucune méthode de test permettant de quantifier et de comparer la stratification des stockages thermiques dans des conditions réelles.

 

Dans le cadre du projet StorEx, un cycle d'essai de 24 heures a été développé grâce auquel la stratification thermique des stockages combinés de chaleur peut être déterminée dans des conditions dynamiques. Comme la stratification thermique a principalement de l'importance lorsque le stock solaire est combiné avec une pompe à chaleur comme source chaude supplémentaire, dans les essais réalisées dans ce projet une pompe à chaleur a été simulée et émulée lors du cycle d'essai et sa consommation électrique a été déterminée.

 

Avec cette nouvelle méthode, un total de 18 tests a été effectué avec six systèmes de stockage combinés différents. Il est apparu que le besoin en énergie électrique de la pompe à chaleur est en très bonne corrélation avec l'efficacité de la stratification du stock. Pour chaque stockage, les meilleurs résultats ont été obtenus lorsque la recharge en eau chaude par la pompe à chaleur était limitée à un nombre réduit de créneaux horaires. Sans ce paramètre, les résultats sont considérablement moins bons pour cinq des six stocks combinés testés. De la même manière, une augmentation de la puissance de la pompe à chaleur et des débits associés a un impact négatif sur les résultats. Dans l’absolu, les valeurs de l'efficacité de stratification mesurée sont comprises entre 59 et 84 %. Pour une maison familiale standard, une réduction de l'efficacité de la stratification de 10 % correspond à une augmentation de la demande d'électricité de la pompe à chaleur de 16 %. Ceci est aussi bien valable pour le cycle d'essai que pour une année entière. Ainsi, pour ces systèmes, l'efficacité de la stratification est beaucoup plus importante que la perte de chaleur.

 

Une deuxième partie du travail a porté sur la simulation (CFD) des écoulements lors de la charge des stocks. L'accent a été mis sur les flux de fluides horizontaux entrants à mi-hauteur du stockage et l'effet de ceux-ci sur les couches supérieures plus chaudes. Plusieurs dispositifs pour diminuer la turbulence ont été testés.

 

Sur la base des simulations CFD, les recommandations suivantes peuvent être faites pour éviter une perturbation de la stratification:

 

- A la sortie du canal d'écoulement, la vitesse du fluide entrant doit être réduit de telle sorte qu'un nombre de Reynolds inférieur à 5000 soit atteint.

- Après la dernière déviation de flux ou l'élargissement de la section transversale le canal doit avoir une longueur minimum de 3 à 6 fois la section transversale hydraulique.

 

Des études complémentaires devront préciser si ces recommandations peuvent être appliquées aussi à des stocks de plus grandes dimensions ou à des températures différentes.

 

Avec l'achèvement du projet StorEx sont maintenant disponibles d’une part des recommandations générales pour la conception des introductions de l'eau dans les cuves de stockage et d'autre part une méthode d'essai avec laquelle peut être déterminée et comparée l'efficacité de la stratification des réservoirs de stockage dits "combinés".

 

 

Abstract

 

For more than 30 years thermal storage stratification and its impact on the efficiency of solar thermal systems has been a topic of investigation. In particular for solar combi-storages that provide domestic hot water and space heating from one device, stratification efficiency is decisive for the overall system performance. Surprisingly, no realistic and dynamic test procedure has been available until now for testing and comparing the stratification efficiency of solar combi-storages.

 

In the StorEx project a 24 hour test cycle was developed that allows for the determination of the stratification efficiency of solar combi-storages under realistic and dynamic conditions. With this new procedure, a total of 18 tests were carried out on six solar combi-storage systems. Because stratification efficiency is particularly important for the combination of these storages with heat pumps, a heat pump has been simulated and emulated as an auxiliary heating device during the test, and the simulated electric energy consumption of the heat pump has been recorded.

 

It showed that the electric energy demand of the heat pump correlated quite well with the storage stratification efficiency. The best results were achieved when domestic hot water charging by the heat pump was restricted to few time windows per day. For five of the six combi-storages, the results were quite negatively affected when these time windows were removed and DHW charging was allowed for the whole day. Furthermore, also a higher heat-ing capacity of the heat pump in combination with the associated higher mass flow rates lead to a reduction of stratification efficiency. The measured values for stratification efficiency ranged from 59 – 84%. For a standard heat load the electricity demand of the heat pump increases by about 16% when stratification efficiency is 10% less. Thus, stratification efficiency was by for more important for the overall system performance than heat losses of the storages.

 

A second part of the work included computational fluid dynamics (CFD) of direct storage inlets. The focus was set on direct horizontal inlets at mid-height of the storage tank, and their influence on warmer layers above the inlet. Several measures for flow mitigation were investigated. Based on the laboratory validated CFD simulations, the following recommendations can be given:

 

- At the outlet of the flow channel into the bulk storage volume, the velocity of the fluid should be reduced such that Reynolds numbers are below 5000.

- After the last change of cross section or change of direction of the fluid flow, the minimum length of the flow channel should be in the range of 3 – 6 times the hydraulic flow diameter.

 

Whether these recommendations can be extrapolated also to larger storage devices or other fluid temperatures and media is a topic of future research.

 

With the project StorEx, simple recommendations for the flow mitigation of direct storage inlets are now available, and a test procedure can be offered for the determination and comparison of storage stratification efficiency.

Author:
M. Y. Haller, R. Haberl, P. Persdorf, A. Reber, 2015
Publisher
SPF Institut für Solartechnik, Rapperswil
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