SI/502508

Schlussbericht

Die Effizienz der Schichtung in thermischen Speichern spielt eine entscheidende Rolle für die energetische Leistungsfähigkeit von Wärmepumpensystemen. Seit einigen Jahren kann die Schichtungseffizienz mittels einer vom SPF entwickelten Methode gemessen werden. Diese Methode ermittelt die Entropieproduktion des Speichers an einem typischen Testtag (24-h Profil) im Labor durch einen “Concise Cycle Test” (CCT). Die gemessene Entropieproduktion wird dann mit der maximal zu erwartenden Entropieproduktion eines vollständig durchmischten Speichers oder Speichersystems verglichen. In diesem Projekt werden die Ergebnisse dieses Ansatzes mit der Ermittlung derselben Kennzahl auf der Grundlage von Component Testing – System Simulation (CTSS) verglichen. Bei diesem zweiten Verfahren werden zunächst Speicher-Simulationsparameter auf der Grundlage der Norm EN 12977 ermittelt. Anschließend wird der “typische Testtag” als 24-h Profil mit dem parametrierten Speichermodell simuliert und die Entropieproduktion aus den Simulationsresultaten ermittelt. Die Berechnung der Schichtungseffizienz erfolgt dann wiederum wie beim CCT-Verfahren, indem die Entropieproduktion des - nun simulierten - Speichers mit dem Worst-Case-Szenario eines vollständig durchmischten Speichers verglichen wird. Beide Methoden wurden bei denselben sechs unterschiedlichen Speichern angewendet. Die Messungen nach der CCT-Methode wurden am SPF durchgeführt, während die Bestimmung der Schichtungseffizienz nach der CTSS-Methode am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart durchgeführt wurde. Die CCT-Methode zeigt eine Schichtungseffizienz von 69 % bis 84 %. Eine hohe Effizienz korreliert sehr gut mit einer niedrigen Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers. Die nach der CTSS-Methode ermittelten Schichtungseffizienzen lagen im Bereich von 67 – 96 %, wobei die Resultate aus dem CTSS um ca. 5% höher als bei CCT. Der tiefste simulierte Wert ist jedoch 5% tiefer, der höchste 19% höher (96% anstatt 81%). Eine gute Übereinstimmung ist somit nicht gegeben. Kritisch ist dabei, dass das im CTSS-Verfahren benutzte Simulationsmodell TRNSYS Type 340 praktisch nur die Höhe der Anschlusspositionen und die effektive vertikale Leitfähigkeit im Speicher nutzt, um Mischungseffekte abzubilden. Mit diesen Parametern kann jedoch das Verhalten des Speichers und dessen Mischungseffekte vor allem bei impulsreicher Einströmung und bei mitreissender Strömung nicht adäquat abgebildet werden. Darüber hinaus wurde eine alternative Modellierung der Speichertemperaturprofile mit expliziten mathematischen Funktionen untersucht, welche die Temperatur des Speichers als stetige und integrierbare Funktion in Abhängigkeit der Speicherhöhe beschreiben. Der Tangens hyperbolicus und Exponentialfunktionen eignen sich prinzipiell zur Abbildung von Speichern mit einer Thermokline, bei mehreren Thermoklinen können diese Funktionen superponiert (addiert) werden. Die Parameter zur Beschreibung des Temperaturprofiles in einem Speicher mit einer Thermokline als mathematische Funktion sind Schärfe und Position (Wendestelle) der Thermokline, sowie die untere und obere Temperaturgrenze der Funktion. Die durch diese Funktionen bestimmten Speichertemperaturprofile stimmten sehr gut mit den tatsächlich gemessenen Temperaturprofilen zu verschiedenen Zeitpunkten der Be- und Entladung sowie des Standby überein.