Licht ins Dunkel der thermischen Schichtung im Wärmespeicher

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| HK-Gebäudetechnik 11/15 |
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Speicherschichtung: Was heisst «gut schichtend»? Die «Schichtungseffizienz» (0 – 100 Prozent) zeigt die Unterschiede
Licht ins Dunkel der thermischen
Schichtung im Wärmespeicher
Der Kombispeicher ist ein zentrales Element von Solaranlagen für Warmwasser und Heizungsunterstützung, denn
er bestimmt die Rahmenbedingungen für andere Komponenten. Über diesen Zusammenhang besteht Konsens in der
Branche. Darüber, wie gross der Einfluss einer guten Temperatur-Schichtung auf die Effizienz der Anlage tatsächlich
ist, wird seit 30 Jahren diskutiert.
Michel Haller, Robert Haberl *
■ Neben thermischen Kollektoren reagieren auch Wärmepumpen besonders
sensibel auf ungenügende Speicherschichtung, denn im Gegensatz zu Verbrennungsanlagen haben diese keine
Exergiereserven, mit denen sie Exergieverluste des Speicher-Systems wieder
kompensieren könnten. Vor diesem
Hintergrund mutet das lückenhafte
Wissen zum Thema thermische Einschichtung und Schichterhaltung genauso seltsam an wie das Fehlen eines
Test-Verfahrens, mit dem die Schichtungseffizienz thermischer Speicher realitätsnah und vergleichbar gemessen
werden kann. Dank der Unterstützung
des Schweizerischen Bundesamtes für
Energie (BFE) wurde nun am Institut
für Solartechnik SPF mit Strömungssimulationen und Labor-Messungen
mehr Licht ins Dunkel des Speicher-Innenlebens gebracht. Gleichzeitig wurde
ein 24-Stunden-Testzyklus entwickelt,
mit dem die thermische Schichtung von
Kombi-Wärmespeichern im realitätsnahen dynamischen Betrieb ermittelt werden kann.
cherschichtung abgebaut wird. Zum
Beispiel ist für einen Anschluss mit zwei
Zoll Innendurchmesser, ohne besondere Massnahmen zur Strömungsberuhigung, bereits ein Volumenstrom von
900 l/h (Temperatur 30 °C, Geschwindigkeit 0.13 m/s, Reynolds-Zahl 8000)
kritisch. Zum Vergleich: Eine Wärmepumpe mit einer thermischen Leistung
von 8 kW wird üblicherweise mit
einem Volumenstrom von mehr als
1000 l/h betrieben. Um den Warmwasser-Vorrat oberhalb der Eintrittsposition zu erhalten, muss deshalb eine
Strömungsberuhigung durch eine Erweiterung des Fliessquerschnitts im Inneren des Speichers erfolgen (vgl.
Abb. 1). Dabei ist es essenziell, dass sich
spätestens am Ende des Beruhigungskanals eine homogene Strömung ausbildet. Abb. 2 zeigt illustrativ die simulierten Geschwindigkeitsverteilungen
im Querschnitt eines T-Stück-Schenkels
zur Fliesskanal-Erweiterung. Bei dem
zu kurz geratenen Schenkel links ist am
Austritt in den Speicher eine deutlich
inhomogene Verteilung der Fliessgeschwindigkeiten zu beobachten. Am
Austritt des längeren Schenkels rechts
jedoch ist die Strömung bereits sehr homogen, respektive gut ausgebildet.
Auf Grund der gemachten Untersuchungen können die folgenden praktischen Empfehlungen gemacht werden:
Strömungssimulationen zeigen
die Einsatzgrenzen
Mit einem 900-Liter-Kombispeicher
wurden Strömungssimulationen direkter Beladungsprozesse durchgeführt.
Das Besondere daran: Es wurde die Beladung der Raumwärmezone in der
Mitte des Speichers simuliert, während
der obere Teil für die Brauchwarmwasser-Bereitung konditioniert war – ein
typischer Vorgang, wie er in der Heizperiode täglich über mehrere Stunden
stattfindet. Diese Strömungssimulationen wurden mit Laborexperimenten
validiert. Dabei zeigte sich deutlich,
dass es für jeden Speicher-Anschluss
einen maximalen Volumenstrom gibt,
mit dem der Speicher beladen werden
kann, ohne dass die bestehende Spei-
Abb. 1: Speicher-Temperaturen aus CFD-Simulationen eines zu Beginn geschichteten Speichers (obere Hälfte
50 °C, untere Hälfte 30 °C) mit Eintritt (ø 2" , 30 °C) auf halber Speicherhöhe. Zustand nach einer Stunde simulierter
Einströmung mit zwei verschiedenen Massenströmen und Eintritts-Geometrien. Die Eintritts-Geschwindigkeit ist
jeweils exemplarisch aufgeführt für ein Rohr mit 2" Innendurchmesser (Di).
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Abb. 2: Fliessgeschwindigkeiten im Rohrquerschnitt eines zu kurz geratenen (links)
und eines genügend langen T-Stück-Schenkels zur Strömungsberuhigung.
 Position WW-Fühler > 30 cm
über Raumwärmezone
10 cm
Speicher
TWW
15
21
TWW
> 30 cm
 Rücklauf bei Warmwasser-Ladung
oberhalb der Raumwärmezone
 Zeitfenster für WarmwasserLadung < 2 x 2 h pro Tag:
12
WP
18
TRH
RH
12
21
optimal zwischen 16:00 20:00 Uhr
WW
15
18
Abb. 3: Empfehlung zur Kombination von Wärmepumpen mit Kombispeichern.
Rot: Warmwasser-Ladung, Grün: Raumheizung RH. (www.spf.ch/solheap, Haller et al. 2014,
vgl. auch HK-GT 11/14, S. 42 – 44)
• Am Austritt des Strömungskanals
sollte die Geschwindigkeit des einströmenden Fluides so weit reduziert
sein, dass für diese Grösse von Speicher eine Reynolds-Zahl von unter
5000 oder Fliessgeschwindigkeiten
kleiner als 0.1 m/s erreicht werden.
• Nach der letzten Strömungsumlenkung oder Querschnittserweiterung
sollte die Beruhigungsstrecke eine minimale Länge von 3 – 6 mal den hydraulischen Durchmesser aufweisen.
Realitätsnaher Speicher-Schichtungstest
prüft Tauglichkeit für Wärmepumpen
Die genannten Empfehlungen können
dazu beitragen, eine gute Schichtung im
Kombispeicher zu erhalten. Bis jetzt gab
es aber keinen Konsens darüber, wie
«gut schichtend» zu definieren ist. Diese
Lücke wurde nun vom SPF durch die
Einführung einer Kennzahl zur Beurteilung der Schichtungseffizienz geschlossen. Dabei macht man sich den zweiten
Hauptsatz der Thermodynamik zunutze. Sowohl die Mischungen von Fluiden
verschiedener Temperatur als auch
Wärmeausgleichsprozesse jeglicher Art
haben immer eine Entropieproduktion
(respektive einen Exergieverlust) zur
Folge. Diese – messbare – Entropieproduktion bildet die Basis für die Testmethode:
Ein Speicher inklusive der Hydraulik
zur Be- und Entladung wird auf dem
Prüfstand installiert und in einem 24stündigen Prüfzyklus getestet. Während
dieses Prüfzyklus werden sowohl die
Wärme-Last eines Einfamilienhauses
(Raumheizung und Warmwasser) als
auch die Wärmequellen (Wärmepumpe
und solarthermische Kollektoren) durch
den Prüfstand simuliert und emuliert.
Während des Tests wird die Entropieproduktion im Speicher-System gemessen. Durch den Vergleich der Entropieproduktion im gemessenen Speicher
mit einem völlig durchmischten Referenzspeicher entsteht eine dimensionslose Grösse für die Schichtungseffizienz,
die sich in Prozenten ausdrücken lässt:
Eine Schichtungseffizienz von 100 %
entspricht dem idealen isentropen Prozess, der in einem realen System nie
ganz erreicht werden kann. Für den völlig durchmischten Speicher wird eine
Schichtungseffizienz von 0 % erwartet.
Mit diesem Verfahren wurden insgesamt 18 Tests an sechs verschiedenen
Kombispeicher-Systemen durchgeführt.
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Die geprüften Speicher hatten ein Volumen von 800 – 900 Litern. Die meisten –
jedoch nicht alle – verwendeten interne
Wärmetauscher für die Solarladung,
drei der sechs Speicher verwendeten ein
Frischwassermodul für die Warmwasserbereitung, die übrigen einen internen
Spiralrohrwärmetauscher.
Alle Speicher-Systeme hielten sich an
die vom SPF publizierte Empfehlung,
dass der Rücklauf zur Wärmepumpe
bei Warmwasserladung oberhalb der
Raumwärmezone entnommen werden
sollte (siehe Abb. 3).
Jeder Speicher wurde mit drei unterschiedlichen Randbedingungen getestet.
Im ersten Test wurde eine Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 8 kW und
einem Durchfluss von 1340 kg/h simuliert, und die Warmwasser-Ladungen
wurden durch Warmwasser-Zeitfenster
auf wenige Stunden am Tag begrenzt.
Als Zweites wurde der gleiche Test ohne Warmwasser-Zeitfenster durchgeführt, und als Drittes wurde eine Wärmepumpe grösserer Leistung und mit
grösserem Durchfluss emuliert, wiederum mit Zeitfenster für die Warmwasser-Beladung.
Es zeigte sich, dass der simulierte Bedarf an elektrischer Energie der geprüften Speicher, hauptsächlich der Wärmepumpe, erstens sehr unterschiedlich
ausfällt und zweitens sehr gut mit der
Schichtungseffizienz der Speicher korreliert (Abb. 4).
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. Ohne die Vorgabe von Zeitfenstern besteht die Gefahr, dass die
Wärmepumpe zu lange mit hohen Vorlauftemperaturen arbeitet, um den oberen für Trinkwarmwasser reservierten
Teil des Speichers zu beladen. Ursache
kann eine ungeschickt gewählte Position des Warmwasser-Sensors oder ungenügende Speicherschichtung sein. Die
Auswirkung ist, dass Wärme, welche
auf dem Temperaturniveau von Trinkwarmwasser erzeugt wurde, in die
Raumheizverteilung wandert und auf
die dort erforderliche Vorlauf-Temperatur von 30 °C oder auf ein noch tieferes
Temperaturniveau gemischt wird. Dies
führt zu exergetischen Verlusten im
System, welche zwangsläufig einhergehen mit schlechteren Arbeitszahlen der
Wärmepumpe.
è
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WW-Verhältnis [-]
Abb. 4: Zusammenhang zwischen Schichtungseffizienz und elektrischem Energiebedarf des Speichersystems
am Test-Tag.
Abb. 5: Von der Wärmepumpe im WW-Modus gelieferte Wärmemenge im Verhältnis zur bezogenen WW-Wärmemenge, aufgeteilt auf die verschiedenen Testbedingungen. Die schraffierten Tests unter «grosse WP» wurden
ohne Zeitfenster durchgeführt, weil mit Zeitfenstern die Komfort-Kriterien nicht eingehalten werden konnten.
Abb. 5 zeigt das Verhältnis von Wärmelieferung der Wärmepumpe im Warmwasser-Modus zur tatsächlich vom Speicher
abgegebenen Trinkwarmwasser-Energie.
Es ist deutlich ersichtlich, dass ohne Warmwasser Zeitfenster bei den meisten – jedoch
nicht bei allen – dieses Verhältnis deutlich
höher ist als mit Zeitfenster. Auch eine Erhöhung der Wärmepumpenleistung und
der damit verbundenen Volumenströme
wirkte sich negativ auf das Ergebnis aus.
Thermische Speicherschichtung wichtiger
als Wärmeverluste !
Was bedeutet dies nun praktisch, wenn
die gemessenen Schichtungseffizienz-Werte im Bereich von 59 – 84 % liegen? Wenn
wir eine Standard-Heizlast annehmen
(hier 3450 kWh/a für Warmwasser und
8000 kWh/a für Raumheizung mit Vorund Rücklauftemperaturen von 35/30 °C
bei Auslegung), so entspricht eine Redukti-
on 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. Auf ein Jahr gerechnet hat die
«schlechteste» gemessene Variante gegenüber der Besten eine um 21 % geringere
Schichtungseffizienz, was einen Mehrbedarf an elektrischer Energie von 860 kWh
mit sich bringt. Damit wird der elektrische
Energiebedarf dieser Systeme weit mehr
durch die Schichtungseffizienz des Speicher-Systems bestimmt als durch die Wärmeverluste des Speichers. Die Mehr-Investition in einen besseren Kombispeicher
zahlt sich in solchen Fällen aus. Die Frage,
die in diesem Zusammenhang bisher nie
beantwortet werden konnte, war jedoch
immer: Welches ist denn der am besten
schichtende Speicher? Diese Frage kann
nun mit dem neuen 24-Stunden-Test-Zyklus endlich beantwortet werden.
■
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* Autoren
Michel Haller und Robert Haberl vom Institut für Solartechnik SPF
an der Hochschule für Technik Rapperswil HSR, unter Mitwirkung von:
Patrick Persdorf, Andreas Reber, Andreas Huggenberger, Matthias Kaufmann, Jason Podhradsky, Lukas Lötscher, Corsin Gwerder, Simon Boller,
Boris Meier, Igor Mojic.
Danksagung: Die Autoren danken den Herstellern und Anbietern von
Speichern, die an dem Projekt mitgewirkt haben, sowie dem Bundesamt
für Energie, welches diese Arbeiten finanziell unterstützt hat.
Literatur
• Haller, M.Y., Haberl, R., Persdorf, P. & Reber, A., 2015.
StorEx – Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur
Schichtungseffizienz von Wärmespeichern. Institut für Solartechnik
SPF, Hochschule für Technik HSR, Rapperswil, www.spf.ch/storex
• Haller, M.Y., Haberl, R., Carbonell, D., Philippen, D. & Frank, E.,
2014. SOL-HEAP – Solar and Heat Pump Combisystems. Institut
für Solartechnik SPF, Hochschule für Technik HSR, Rapperswil,
www.spf.ch/solheap
www.spf.ch
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