Erweiterte Modellierung der Verluste in Wärmespeichern und Entwicklung einer Berechnungsme­thode für eine optimierte Speicherkon­struktion

Ansprechpartner: 

Dr.-Ing. Robert Huhn über Dr.-Ing. Thomas Sander ()
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Gefördert durch

• AiF - Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
  "Otto von Guericke" e.V. (AiF - Forschungsvorhaben 13850 BG)

Forschungs-/ Kooperationspartner:
Fernwärme-Forschungsinstitut in Hannover e.V. (FFI)

Kurzdarstellung

Im Rahmen des vom BMWi über die AiF geförderten Forschungsvorhabens Nr. 13850 BG/1 „Erweiterte Modellierung der Verluste in Wärmespeichern und Entwicklung einer Berechnungsmethode für eine optimierte Speicherkonstruktion“ der Forschungsstellen TU Dresden, Institut für Energietechnik und Fernwärmeforschungsinstitut in Hannover e.V. wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen an Wärmespeichern sowie umfangreiche numerische Berechnungen durchgeführt. Dabei wurde das im vorangegangenen Forschungsvorhaben Nr. 12588 BG [Zusammenfassung] entwickelte Kennziffernsystem zur Bewertung der inneren und äußeren Verluste an Wärmespeichern samt der Prüfvorschrift zur Ermittlung dieser Kennziffern auch für liegende Speicher erweitert. Aus den numerischen Berechnungen wurden empirische Beziehungen abgeleitet, mit deren Hilfe die einzelnen Teilverluste in Speichern allein aus den konstruktiven Angaben und den hydrodynamischen und thermischen Betriebsparametern vorhergesagt werden können. Damit ist ein hilfreiches Werkzeug für Speicherhersteller entwickelt worden.
Schwerpunkte der Untersuchungen waren die Verluste durch Mischung bei Einströmung, Verluste durch Temperaturausgleichsvorgänge zwischen horizontalen Speicherschichten sowie zwischen Speichermedium und Behälterwand und Einbauten. Den größten Anteil an den insgesamt auftretenden Exergieverlusten stellen jedoch die Grädigkeiten in den Wärmeübertragern dar. Hinzu kommen bei innenliegenden Heizflächen die verursachten Konvektions- und Mischvorgänge bei der Beladung. Die inneren Verluste wurden über die irreversible Entropieerhöhung des Systems abgebildet.
Die einzelnen Wärmeverluste am Deckel, Mantel und Boden des Speicherbehälters sowie an Anschlussleitungen wurden messtechnisch und numerisch untersucht und quantifiziert. Hieraus ergeben sich Empfehlungen für die konstruktive Ausführung und Isolierung des Behälters.
Die zwei- und dreidimensionalen numerischen Berechnungen wurden durch Testserien am Versuchsstand sowie durch Vergleich mit Messergebnissen aus dem vorangegangenen Forschungsvorhaben Nr. 12588 BG [ Zusammenfassung] validiert. Nur mit dem Einsatz einer leistungsstarken numerischen Strömungssimulations-Software war es möglich, die einzelnen Verluste im Speicher getrennt zu quantifizieren sowie qualitativ zu bewerten.
Die praktische Anwendbarkeit des Kennziffernsystems mit energetischen und exergetischen Kennzahlen wurde für liegende Speicher an zwei Testspeichern überprüft. Die bestätigten Kennzahlen wurden in den Richtlinienentwurf übernommen. Ein wesentlicher Unterschied zu stehenden Speichern besteht darin, dass der Schichtungsabbaufaktor aufgrund des mit der Höhe veränderlichen Speicherquerschnittes bei liegenden Speichern keine Berücksichtigung findet. Auf Basis der vorgeschlagenen Richtlinie können von Prüflaboratorien die Kennzahlen ermittelt und somit die inneren und äußeren Verluste von stehenden und liegenden Wärmespeichern transparent veranschaulicht werden. Damit ist ein Instrumentarium zur Bewertung und Verbesserung von Wärmespeichern geschaffen worden. Die erarbeitete neue Bewertungsmethode für Wärmespeicher samt der zur Ermittlung der Kennziffern vorgeschlagenen Prüfvorschrift und die Empfehlungen zur Verbesserung von Konstruktion und Betriebsweise von Wärmespeichern tragen zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, Funktionsfähigkeit und Energieeffizienz von Wärmeversorgungsanlagen bei.
Die Ergebnisse können von klein- und mittelständischen Unternehmen, insbesondere von Speicherherstellern, ohne zusätzliche Forschungs- und Entwicklungsleistungen berücksichtigt werden.
Die Kennzahlen stellen für Planungsbüros sowie auch kleine Unternehmen bis zu Handwerksbetrieben praktikable Arbeitsunterlagen zur bedarfsgerechten Integration der Speicher in die wärmetechnische Anlagen dar.

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung

Wärmespeicher sind in der Verfahrenstechnik und in der Energieversorgung bewährte Bauelemente. Sie dienen zur Glättung von Belastungsspitzen und damit zur Einsparung installierter Erzeugerleistung, zur Vergleichmäßigung der Fördermengen in Rohrleitungssystemen als auch zur Erhöhung der Versorgungszuverlässigkeit und Lebensdauer von Wärme- und Kälteanlagen.
Sie werden eingesetzt als:
-    Heißwasserverdrängungsspeicher in der Fernwärmeversorgung
-    Kaltwasserspeicher in Klima- und Kälteanlagen
-    Pufferspeicher bei Brennwertkesseln, Wärmepumpen- und Solaranlagen

Es kann unterschieden werden nach:

• Speicherung von Warm- und Heißwasser, erwärmtem Trinkwasser, Kaltwasser, sensibler oder latenter Wärme
• Geometrie des Speicherbehälters (Verhältnis von Höhe bzw. Länge zum Durchmesser, stehende oder liegende Anordnung)
• Art der Ladung (z. B. innenliegende Heizschlange bzw. Heizregister,  Ladesystem mit externem Wärmeübertrager o.a.)

Optimal ausgewählte und dimensionierte Speicher können bei sachgerechter Einbindung in die Abnehmeranlagen der Wärmeversorgungssysteme zu einer Verminderung der Netzrücklauftemperatur und damit zu geringeren Umwälzkosten und Wärmeverlusten bei gleichzeitiger Erhöhung der Stromerzeugung in KWK-Anlagen beitragen.
Im Zuge des Ausbaus der Nutzung regenerativer Energiequellen sind weitere speziell auf die Anwendung mit bestimmten Wärmequellen abgestimmte Speicher entwickelt worden. Die diskontinuierlich und mit unterschiedlicher Temperatur anfallende thermische Energie aus regenerativen Quellen wird durch Wärmelieferung aus konventionellen Anlagen ergänzt. Dieses Zusammenwirken stellt in vielen Systemen und Netzen wesentlich höhere Anforderungen an die Konstruktion, Auslegung und Betriebsführung (Steuerung und Regelung) der Speicher.
Eine ausgeprägte thermische Schichtung im Speicher – also eine möglichst schmale Mischzone und eine niedrige Temperatur im „entladenen“ Speicherbereich – wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad von Sonnenkollektoren, Brennwertkesseln und beim Einsatz von Wärmepumpen auf deren Leistungszahl aus. Die Höhe der Mischzone bestimmt den volumetrischen Nutzungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit.
Die Konstruktion der Ein- und Ausströmöffnungen bei Speichern mit externem Wärmeübertrager (z. B. vorhandene Einbauten, Geschwindigkeit und Richtung des einströmenden Wassers bzw. Ladeimpuls u. a.) sowie die Temperatur beeinflussen die Ausbildung und Stabilität der Mischzone. Bei Speicherbehältern mit internem Heizregister hängen die Ladezeit und der zeitliche Verlauf der Netzrücklauftemperatur u. a. von der Größe und Anordnung dieses Wärmeübertragers ab.
Nicht optimal ausgelegte und betriebene Speicher ziehen u. a. erhöhte Rücklauftemperaturen und Wärmeverluste, mehr Pumparbeit sowie hohe Schalthäufigkeiten der Regler und dadurch hervorgerufene Lebensdauerverminderung von Stellorganen und anderen Komponenten nach sich.

Zielstellung

Es besteht ein Defizit an Richtlinien für die Konstruktion funktional wichtiger Details an Wärmespeichern. In diesem Forschungsprojekt sollen durch detaillierte numerische Simulation verlustbehafteter strömungstechnischer und thermodynamischer Vorgänge im Speicherinneren die Verlustursachen identifiziert werden. Die Validierung der Speichermodelle erfolgt am Acrylglas-Modellspeicher der TUD. Anschließend werden die Simulationsergebnisse in einfach zu handhabende halbempirischen Beziehungen überführt. Dies ermöglicht die Beschreibung und Quantifizierung der konstruktionsbedingten inneren Verluste in Speichern sowie deren Vorhersage bereits im Entwicklungsstadium. Für die praktische Umsetzung soll eine Speicherberechnungsmethode auf Basis der halbempirischen Beziehungen erstellt werden.
Weiterhin erfolgen Testmessungen an liegenden Wärmespeichern und ein Vergleich stehender und liegender Speicher.

Ergebnisse

Auslegungsempfehlungen für die Praxis

Konstruktionsempfehlungen für die Speichereinströmung
Die Einströmung in den Speicher sollte so ruhig erfolgen, dass nur minimale Mischungseffekte zwischen Speichermedium und einströmenden Medium auftreten.
Die dimensionslose Richardson-Kennzahl RiH eignet sich als Maßstab für die Dimensionierung der Einströmvorrichtung, zum Beispiel einer Prallplatte mit parallelem Spalt, aus dem das einströmende Medium mit stark reduziertem Impuls austritt.
Generell wird eine Auslegung auf Ri_H ≥ 2 für das Erreichen einer sehr guten thermischen Schichtung und die Vermeidung von Mischung bei der Einströmung empfohlen. Eine gleichmäßige Verteilung des einströmenden Mediums ist der Einströmung dicker Strähnen und runder Freistrahlen vorzuziehen.
Hierfür eignet sich der Einbau von Prallplatten. Mit Hilfe der Richardson-Kennzahl lassen sich die Abmessungen der Prallplatte berechnen. Detaillierte Dimensionierungsvorgaben werden im Abschlussbericht des Forschungsvorhabens erläutert.

Konstruktionsempfehlungen für den Speicherbehälter
Die bereits im Forschungsbericht [Huh02 ] vorgeschlagenen konstruktiven Maßnahmen wurden durch die hier durchgeführten detaillierten Speicheruntersuchungen bestätigt und die damit verbunden energetischen Auswirkungen quantifiziert. Anhand der Berechnungsgleichungen können für den jeweils speziellen Fall einige der Verluste vorherberechnet werden und eine Abschätzung der Wirtschaftlichkeit der konstruktiven Variationen durchgeführt werden.
Zusammenfassend können grundsätzlich wichtige Aspekte genannt werden:

• Einbau von optimal ausgelegten Prallblechen über den Einströmöffnungen am Boden und am Deckel des Speichers
• Leitungsdurchführungen möglichst durch den Behälterboden, nicht durch den Deckel
• Anschlussleitungen am Speichermantel schräg nach unten herausführen und nicht aus gut wärmeleitendem Material ausführen (z.B. Kupfer), ggf. die Rohrinnenseite isolieren [Mei01]
• Lückenlose Isolierung aller Speicherteile (auch Boden, Fühlerstutzen, Anschlussrohre u.a.), bzw. Vermeidung von Bereichen mit reduzierter Dämmstärke (Handlochabdeckung)
• Großes Höhen-Durchmesser-Verhältnis wählen (H/D = 2 … 3  für kleine Speicher, Speicher im m³-Bereich noch schlanker)
• Verwendung von Behältermaterialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit (z.B. Edelstahl, Kunststoff), dünnwandige Ausführung
• Keine unnötigen zusätzlichen sensiblen Wärmekapazitäten im Speicher außer dem Speichermedium selbst und ggf. Wärmeübertrager

Eine genaue Abwägung der Vor- und Nachteile der Einbindung latenter Speichermedien wurde hier nicht unternommen.

Empfehlungen für die Speicherbetriebsweise
Sofern die Bedarfsanforderungen an den Speicher es zulassen, kann es – insbesondere bei Versorgung mit Fernwärme – sinnvoll sein, den Speicher nicht bei jeder Nachladung vollständig aufzuladen. Dadurch können die Hauptmischverluste in der Anfangsphase der Entladung vermieden werden. Weiterhin verringert sich bei Ladung mit innenliegendem Wärmeübertrager die Zeit, in der erhöhte Rücklauftemperaturen zum Wärmeerzeuger hin auftreten. Ebenso können die Wärmeverluste des Speichers auf diese Weise reduziert werden.
Gerade bei fossil befeuerten Wärmeerzeugern steht gegen obige Option der mittlere Kesselnutzungsgrad in Abhängigkeit der Brennerbetriebszeiten und der Anzahl der Brennerstarts. Hier kann sich die obige Empfehlung als bedingt sinnvoll herausstellen.
Einmal täglich sollte der Speicher – im Falle eines Trinkwarmwasserspeichers – jedoch vollständig auf 60 °C beladen werden, wie es das DVGW-Arbeitblatt W 551 [DVGW04] fordert.

Empfohlene Kennzahlen
Nach Auswertung der Kennzahlen auch für liegende Speicher bestätigt sich wie im Forschungsvorhaben 12588 B, dass folgende Kennziffern für eine Bewertung der Speicher in der Praxis sinnvoll sind:
-    Energetischer Gesamtnutzungsgrad
-    Exergetischer Gesamtnutzungsgrad
-    Energetischer Nutzungsgrad
-    Volumenanteil der Mischzone bei Lade- und Entladeversuch
-    Schichtungsabbaufaktor (nur für stehende Speicher)

Auch das in der Prüfvorschrift erläuterte Kennziffern-Bewertungssystem kann sowohl für liegende als auch stehende Speicher zur Darstellung der äußeren und inneren Verluste im Wärmespeicher verwendet werden.
Weiterhin wird empfohlen, auch die aus den konstruktiven Angaben des Speicherbehälters und den Auslegungsparametern herleitbaren Kennziffern
-    Kapazitätsverhältnis
-    Wandeinflussfaktor
-    Ideale Richardson-Zahl
mit zu bestimmen. Diese Kennziffern sind zusätzlich zu den Auslegungsparametern für den getesteten Speicher anzugeben, da sich hieraus bereits die inneren Verluste bei Betrieb des Speichers abschätzen lassen.

Potentielle Energieeinsparmöglichkeiten
Die in den Speichertests und auch in den numerischen Berechnungen ermittelten Volumenanteile der Mischzone bei Ladung und Entladung führen zwar zu Einbusen bei der Ausnutzung des Speichervolumens und der Qualität der eingesetzten Beladeenergie, aber sie stellen nicht direkt Energieverluste oder erforderlichen Brennstoffenergiemehraufwand dar.
Durch die inneren Speicherverluste wird eine zeitigere und häufigere Nachladung des Speichers erforderlich. Gemeinsam mit den höheren Rücklauftemperaturen, die durch Mischung und Abbau der thermischen Schichtung im Speicher entstehen, führt dies zu schlechteren Wirkungsgraden im vorgelagerten Wärmeerzeuger (Heizkessel, Solarkollektor, Wärmepumpe, Fernwärmenetz, u.a.) und durch häufigere kürzere Betriebsintervalle aufgrund der vielen Anfahrverluste zu noch niedrigeren energetischen Nutzungsgraden dieser Komponenten. Die Auswirkungen der Erhöhung der Rücklauftemperatur vom Speicher auf die Wärmeerzeuger wurden bereits in [Huh02] vereinfacht abgeschätzt. Ausführlicher werden sie in [Huh07a] analysiert.
Die Höhe des Temperaturfühlers, der die Nachladung auslöst und dessen Sollwert für die Nachladung seien für zwei Speichervarianten gleich. Durch einen stärkeren Abbau der thermischen Schichtung in einem der Speicher, z.B. durch erhöhte vertikale Wärmeleitung in einer dickeren Behälterwand mit besserer Wärmeleitfähigkeit und durch stärkere Mischungseffekte, wird in diesem Speicher die Nachladung eher ausgelöst und im Bereich unterhalb des Schalttemperaturfühlers ist noch ein höherer Energieinhalt zu verzeichnen. Der kann über die Mitteltemperatur ausgedrückt werden. Dies wird auch in untenstehender Abbildung ersichtlich.  Dadurch erfolgt bei der Nachladung eine geringere Energiezufuhr in den Speicher. Da die insgesamt zuzuführende Energiemenge über einen Betriebszeitraum nur von den Zapfungen und den Wärmeverlusten abhängt, kann die Änderung der Häufigkeit n der Nachladungen aus der nachzuladenden thermischen Energiemenge abgeleitet werden.

Ausblick
Die verlustbehafteten Vorgänge in Wärmespeichern sind äußerst vielschichtig und von der speziellen Anlagenkonfiguration abhängig. Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden die inneren und äußeren Verluste von Warmwasserwärmespeicher detailliert untersucht und beschrieben. Dabei konnten viele Fragestellungen nicht ausreichend beantwortet werden.
Die Auswirkungen der Verluste in Speichern auf vorgelagerte Wärmeerzeuger bei dynamischen Betriebsbedingungen stellen eine besondere Herausforderung dar und sollten näher untersucht werden.
Die Einbindung latenter Speichermaterialien in Wärmespeicher wurde bereits an mehreren Stellen erforscht und getestet. Die Auswirkungen auf die inneren Verluste (Kapazitätsverhältnis, Temperaturausgleichsvorgänge) zwischen den sensiblen und latenten Speichermaterialien sollten hier exergetisch genauer analysiert werden.
Die Ermittlung und Umsetzung einer optimierten Speicherbetriebsweise in Zusammenhang mit der Speicherregelung und der Anordnung der Messfühler stellt für jede individuelle Anlage eine Herausforderung dar. Hier liegt besonders für die praktische Umsetzung ein hohes Verbesserungspotenzial.
Ebenso konnte eine Optimierung zwischen Speichergröße, Fühlerposition für Beginn und Ende der Nachladung und Häufigkeit der Nachladungen / der Brennerstarts im Rahmen dieser Forschung nicht durchgeführt werden.
Vordergründig stellt die Anwendung der Berechnungsmethode für die Speicherverluste und der Empfehlungen für eine verbesserte Speicherkonstruktion sowie die Einbindung der ohne praktische Tests zu ermittelnden Kennzahl fa,A in bestehende Speicherberechnungssoftware z.B. TRNSYS einen unmittelbarer Nutzen des Forschungsvorhabens dar. Die Anwendung der vorgeschlagenen Prüfvorschrift für liegende und stehende Speicherbehälter sollte für Speicherhersteller verbindlich sein und zu einer besseren Bewertung der Speicher beitragen sowie zu konstruktiven Verbesserungen anregen.

Literatur

[DVGW04]
DVGW-Arbeitsblatt W 551 - Trinkwassererwärmungs- und Trinkwasserleitungsanlagen; Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums; Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser-Installationen. Bonn, 04/2004
[Huh02]
Huhn, Robert, Tödter, J.: Evaluierung der konstruktiven Gestaltung und Betriebsführung von Wärmespeichern nach einem einheitlichen Kennziffernsystem. AiF-Projekt Nr. 12588 B, Abschlussbericht. TU Dresden/ FFI Hannover, Dezember 2002. Zusammenfassung (pdf-Dokument)
[Huh07a]
Huhn, R.: Beitrag zur thermodynamischen Analyse und Bewertung von Wasserwärmespeichern in Energieumwandlungsketten. Dissertationsschrift, TU Dresden, TUDpress, ISBN-13 978-3-940046-32-1, Dresden 2007. (HSSS)
[Mei01]
Dr. rer. nat. Rolf Meißner, Dipl.-Ing. Andreas Siegemund, Dr.-Ing. Ulrich Leibfried: Mehrtagesspeicher für Solaranlagen – Ein Gemeinschaftsprojekt von Consolar und Paradigma. Quelle: Presseberichte Frankfurt/M, 06/2001 und http://www.consolar.de/aktuell.html.


Der Abschlussbericht des Forschungsvorhabens kann über die Professur Energiesystemtechnik und Wärmewirtschaft (Sekretariat) als CD-Rom bestellt werden.