08.05.2015 Schichtungseffizienz von Wärmespeichern und deren Einbindung in LowEx-Systemen Igor Mojic, SPF Forschung Dr. Michel Haller, Leiter SPF Forschung Robert Haberl, SPF Forschung Patrick Persdorf, SPF Forschung Andreas Reber, SPF Forschung Übersicht Was ist Schichtungseffizienz, wo wird sie zerstört? Weshalb ist Schichtungseffizienz wichtig für LowEx? LowEx => Solarwärme, Wärmepumpe, Wärmerückgewinnung Hinweise für die richtige Einbindung von Kombispeicher in Kombination mit WP Neues Testverfahren um die Schichtungseffizienz von Speichern zu ermitteln Resultate erster Messungen an Kombispeicher 2 IG Speicher 14.04.2015 1 08.05.2015 Thermische Schichtung in Speichern Ist ein natürlicher Prozess welcher durch den Dichteunterschied zwischen warmen und kaltem Wasser entsteht Speicher welche die gleiche Menge an Wärme gespeichert haben, können grosse Unterschiede in der Schichtung aufweisen Gute Schichtung Dürftige Schichtung Keine Schichtung Haller et al. 2009, doi:10.1016/j.solener.2009.06.019 3 IG Speicher 14.04.2015 Optionen zur Brauchwasser-Erwärmung mit Kombispeicher Interner Wärmeübertrager Tank-in-Tank Externes Frischwassermodul WW Warmwasser Zone 45-55 °C Raumheizungs Zone 25 – 35 °C WarmwasserVorwärmung 20 – 30 °C KW 4 IG Speicher 14.04.2015 2 08.05.2015 Vorteile von Kombispeicher Warmwasser Warmwasser Speicher Speicher Luft Luft M M Raumheizung Kaltwasser Raumheizung Kaltwasser Kombispeicher-System Zwei Speicher System Vorteile Kombispeicher: - Besseres Oberflächen-Volumen-Verhältnis - Einfachere Installation (nur ein Speicher, weniger Verrohrung im Feld) - geringere Standfläche als bei zwei Speicher 5 IG Speicher 14.04.2015 Generelle Zusammenhänge Die Feinde der Schichtungseffizienz.... S&irr sind Mischung S&irr und Wärmeübertragung diese führen zu exergetischen Verlusten: Schichtungseffizienz = exergetische Effizienz Schichtungseffizienzen dynamischer Speicherprozesse werden berechnet über Entropie- und Exergiebilanzen 6 IG Speicher 14.04.2015 3 08.05.2015 Verbrennungskessel vs. LowEx Speicher Schichtung Verbrennungskessel 800 °C 60 °C kein Problem fast egal LowEx 1 K höhere Senken-Temperatur -> 2-3% tiefere WP-Arbeitszahl (resp. 2-3% höherer Strombedarf) - Solarwärme 60 °C - Wärmepumpe extrem wichtig - Wärmerückgewinnung 7 IG Speicher 14.04.2015 Entscheidend ist das ganze Speicher-System hydraulische Einbindung Speicherschichtung WW Wärmepumpe: Speicher Luft-Wasser oder Sole-Wasser air Tww M Kollektoren Raumheizung Trh M Tsol 8 IG Speicher 14.04.2015 4 08.05.2015 Einbindung und Speichermanagement mit WP Speicher TWW WP TWW 10 cm WW-Ladung Position WW-Fühler > 30 cm über Raumwärmezone 12 18 > 30 cm TRH RH RH-zone Rücklauf bei Warmwasser-Ladung oberhalb der Raumwärmezone 15 21 WW - Ladung RH-zone Zeitfenster für WarmwasserLadung < 2 x 2 h pro Tag: 12 15 21 optimal zwischen 16:00 – 20:00 Uhr Bis zu 50 % zusätzlicher elektrischer Bedarf bei Missachtung der Empfehlungen! 18 9 IG Speicher 14.04.2015 Wärmespeicher generell: Wärmeverluste Vermeiden Lückenlose, eng anliegende Isolation (keine Kamin-Effekte) Kollektoren 15 m Warmwasser 60 °C Verhinderung von Schwerkraftzirkulation in Solarkreis und Wärmeerzeuger-Kreis (Rückschlagventil) 20 °C Kaltwasser Siphonierung der Speicher-Anschlüsse zur Verhinderung der Ein-RohrZirkulation 6 x kein Siphon = 50% mehr Wärmeverlust 10 IG Speicher 14.04.2015 5 08.05.2015 StorEx – Ermittlung der Schichtungseffizienz Reale Tests bestätigen Simulationsanalysen Erarbeitung eines 1-Tages Tests um die Schichtungseffizienz von Speichern zu quantifizieren Vorgehen und Ergebnisse;. 11 IG Speicher 14.04.2015 Schichtungseffizienz Speicher vs. System... Teststand / Emulation Prüfling Teststand / Emulation Bilanzgrenze «System» 45 °C M FWM M Speicher WP TWW,on Simulation M TSH,on M 29 °C Kollektor Simulation Schichtungseffizienz System (inklusive Mischung in Hydraulik) 12 IG Speicher 14.04.2015 6 08.05.2015 Repräsentativität des 24 h Testprofils - Simulationen Elektrischer Bedarf Testzyklus vs. Jahr (simuliert) mit verschieden gut schichtendem Speicher 6500 ganzes Jahr (kWh) 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 15 20 25 30 35 24 h Testzyklus (kWh) 13 IG Speicher 14.04.2015 24 h Testprofil – Raumheizung, Warmwasser, Solar 30 Warmwasser Wärmeleistung (kW) 25 20 15 10 5 0 0 4 8 12 Stunden 16 20 24 14 IG Speicher 14.04.2015 7 08.05.2015 Messung der Schichtungseffizienz 6 6 Speicher von 6 verschiedenen Herstellern Volumen: 800 – 900 Liter WW-Bereitung: X 3 x Frischwassermodul, 3 x Wellrohrwärmetauscher Solar: 5 x Wellrohrwärmetauscher, 1 x Externer WÜ 3 3 Tests je Speicher Standardtest (8 kW WP, mit Zeitfenstern für WW-Bereitung) Ohne Zeitfenster (immer noch 8 kW WP) = Grosse WP (12 kW oder 16 kW, wieder mit Zeitfenster für WW) 18 18 Tests 15 IG Speicher 14.04.2015 Kennzahlen Elektrischer Energiebedarf Schichtungseffizienz = 1 − Wel , sys ∆Sirr , ms ∆Sirr , ref Warmwasser − Verhältnis = El. Bedarf gesamtes System Entropieproduktion gemessen im System Entropieproduktion «worst case» (= vollst. durchmischter Referenzfall) QWW ,WP QWW Warmwasser von WP an Speicher geliefert Warmwasser vom Speicher gezapft 16 IG Speicher 14.04.2015 8 08.05.2015 Messergebnisse - Schichtungseffizienz 100% 80% 60% 40% 20% 0% A B C D E F A Standardtest B C D E F A B ohne Zeitfenster Mischung Hydraulik C D E F grosse WP Mischung Speicher 17 IG Speicher 14.04.2015 Messergebnisse – Warmwasser - Verhältnis 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 A B C D Standard E F A B C D E ohne Zeitfenster F A B C D E F grosse WP 18 IG Speicher 14.04.2015 9 08.05.2015 Messergebnisse – el. Energiebedarf WP Schichtungseffizienz System [%] Standard ohne Zeitfenster grosse WP 90% 85% 80% 75% 70% R² = 0.8899 65% 60% 55% 50% 12 13 14 15 el. Energiebedarf der WP [kWh] 16 17 19 IG Speicher 14.04.2015 Messergebnisse – Vorlauftemperatur WP Schichtungseffizienz System [%] Standard ohne Zeitfenster grosse WP 90% 85% 80% 75% 70% R² = 0.8854 65% 60% 55% 50% 33 35 37 39 41 gewichtetes Mittel der WP-Vorlauftemperatur [°C] 43 20 IG Speicher 14.04.2015 10 08.05.2015 Verluste = Wärmeverluste an die Umgebung grosse WP R² = 0.8289 0 0.5 Standard WP-Stromverbrauch [kWh] ohne Zeitfenster 1 15 10 5 0 0.5 1 2 Verluste [kWh] Standard grosse WP ohne Zeitfenster 20 0 1.5 Schichtungseffizienz System [%] WP-Wärmelieferung [kWh] Standard 52 50 48 46 44 42 2.5 ohne Zeitfenster 3 3.5 4 grosse WP 90% 85% R² = 0.0046 80% 75% 70% R² = 0.8899 65% 60% 55% 50% 1.5 2 13 Verluste [kWh] 12 2.5 3 14 15 el. Energiebedarf der WP [kWh] 3.5 16 4 17 21 IG Speicher 14.04.2015 Schlussfolgerungen Eindeutiger Zusammenhang zw. der Schichtungseffizienz des Speichersystems und dem el. Bedarf für die Wärmepumpe Aussagekräftige Resultate innert kurzer Zeit (24 h) Überraschung: Schichtungseffizienz bei den untersuchten Systemen noch entscheidender als Wärmeverluste (!!) Ein Speicher, der unter Standardbedingungen funktioniert, tut dies nicht zwangsläufig unter anderen Rahmenbedingungen (zum Beispiel ohne Zeitfenster / mit grösserer Wärmepumpe) Warmwasser-Zeitfenster kann die Performance massiv verbessern (Bestätigung der Resultate aus Projekt Sol-Heap) Kombispeicher richtig ausgeführt/integriert zeigen gute Performance 22 IG Speicher 14.04.2015 11 08.05.2015 Flyer mitnehmen... 23 IG Speicher 14.04.2015 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! [email protected], [email protected] [email protected], [email protected] Dieses Projekt wird unterstützt durch: Bundesamt für Energie BFE, Bern Projekt StorEx Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Schichtungseffizienz von Wärmespeichern Vertrags- und Projektnummer: Sl/500935-01 24 IG Speicher 14.04.2015 12 08.05.2015 Speicher ist nicht gleich Speicher 450 kg/h; 1800 kg/h;0.064 0.255m/s m/sfor füra22’’ Zoll inlet Eintritt 25 IG Speicher 14.04.2015 13
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