Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte der Aufbau eines neuartigen Versuchsstandes zum praxisnahen Test von Wandaufbauten (VS-WA; Probendimension: 1,9 m x 1,9 m x 0,5 m). Mit dem VS sind praxisnahe Untersuchungen von Dämm- und Dichtstoffen sowie Wandsegmentmaterialien thermischer Energiespeicher in einer Einheit durchführbar. Aufgrund der drehbaren Lagerung des VS ist es möglich, vertikale (Wandbereich) und horizontale (Deckenbereich) Aufbauten zu untersuchen. Mit dem VS erfolgt eine experimentelle Bestimmung von effektiven Wärmeleitfähigkeiten zweier aussichtsreicher Wärmedämmstoffe (Polyurethan-Granulat und expandierte Polystyrol-Partikel). Die Untersuchungsergebnisse zeigen für den vertikalen Betrieb des VS eine erhöhte effektive Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den Stoffwerten der Hersteller. Der Grund hierfür ist, basierend auf der Auswertung von Temperaturprofilen, ein signifikanter Anteil an freier Konvektion. Dies ist trotz niedriger Permeabilitäten der untersuchten Schüttgüter und demnach entgegen dem aktuellen Stand der Wissenschaft der Fall. Ohne den neuen VS mit den hier realisierten Maßen, wären diese Effekte nicht messbar gewesen (z. B. bei Untersuchungen mit Ein- oder Zwei-Platten-Apparaturen). Die Ergebnisse können dazu beitragen, erhöhte Wärmeverluste an realen Bauwerken zu erklären und zu vermeiden. / Within the context of this thesis, a new test rig for the practical testing of wall structures (VS-WA; sample size: 1.9 m x 1.9 m x 0.5 m) was set up. With the test rig, practical investigations of insulating and sealing materials as well as wall segment materials of thermal energy stores are possible in one unit. Since the test rig is pivoted it is also possible to examine vertical (wall area) and horizontal (ceiling area) structures. The present thesis deals with the experimental determination of the effective thermal conductivity of two promising thermal insulation materials (polyurethane granulate and expanded polystyrene particles). The test results show an increased effective thermal conductivity for the vertical orientation of the VS-WA compared to the material properties given by the manufacturers. The reason for this is, based on the evaluation of temperature profiles, a significant portion of free convection. This is the case despite low permeabilities of the bulk materials investigated and thus contrary to the current state of scientific knowledge. Without the new test rig with the dimensions realized here, the discovered effects could not have been observed (e.g. investigations with one- or two-plate apparatuses). The results can contribute to explain and avoid increased heat losses in real building structures.

Wärmespeicher tragen bei optimierter Integration in Wärme- und Kälteversorgungsanlagen zur Einsparung von installierter Erzeugerleistung, Brennstoffeinsatz und Betriebskosten bei. Leider treten in Wärmespeichern oft noch beachtliche Verluste auf und das Potenzial zur Kosten- und Energieeinsparung wird nicht vollständig ausgeschöpft. Dabei spielen nicht nur Wärmeverluste an die Umgebung, sondern vor allem auch innere Verluste im Speicher eine Rolle. Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit sind die Beschreibung der einzelnen Verluste an Wasserwärmespeichern, die Ermittlung ihrer Ausmaße abhängig von der konstruktiven Gestaltung und der Betriebsweise des Speichers sowie die Auswirkungen der Verluste auf einen vorgelagerten Wärmeerzeuger und den Einsatz von Primärenergie. Die Ergebnisse basieren auf umfangreichen Speichermodellierungen mit dem CFD-Code Fluent sowie experimentellen Untersuchungen an drei Testspeichern. Der quantitative Vergleich der Verluste für ausgewählte Beispiele zeigt bestehende Defizite sowie die Potenziale für die Verbesserung der Konstruktion neuer Wasserwärmespeicher auf. / If hot water storage tanks are optimally integrated in heat or cold supply systems, they contribute to a reduction of required capacity, fuel and operation costs. Unfortunately, even today remarkable heat losses and internal losses occur in hot water storage tanks. The potential for cost and energy reductions is not completely utilized yet. Here, not only heat losses to the ambience, but also internal losses play a decisive role. Main focus of the presented work is the description of the single losses at hot water storage tanks and the determination of the correlation between the losses, the tank design and the mode of operation. Furthermore the effects of the losses in the tank on the efficiency of different types of heat generators and the input of primary energy into the system have been examined. The results are based on extended numerical modeling with the CFD-code Fluent as well as experimental test with three storage tanks. The quantitative comparison of the losses for selected examples shows the current shortcomings but even the potential for an optimized hot water storage tank design.

Im Projekt wurde eine alternative Speicherkonstruktion im Bereich von 500 bis 6000 m3 für den Betrieb in Solar- und Fernwärmesystemen entwickelt. Ausgangspunkt bilden große Kaltwasserspeicher in Segmentbauweise. Die Bautechnologie bietet ein signifikantes Kostenreduktionspotenzial gegenüber geschweißten Flachbodentanks, konnte bisher aber nicht auf Wärmespeicher übertragen werden. Aufgrund der dünnwandigen Bauweise und der Projektziele musste eine Überarbeitung des Wandaufbaus, der Einbauten und der Peripherie erfolgen. Dieser Bericht liefert eine Beschreibung des Speicher-Systems und die Ergebnisse des Verbundvorhabens. Die Funktionsfähigkeit wurde mit einem dreistufigen Verfahren nachgewiesen. Das geplante Vorgehen mit Laborversuchen im kleinen Maßstab bis zum Test mit einem Demonstrator im Realmaßstab (100 m3) war notwendig und zielführend. Die Bearbeitung der Hauptaufgaben (z. B. Materialuntersuchungen, Konstruktion, Betrieb) erfolgte vernetzt durch die beteiligten Forschungsinstitutionen. Das grundlegende Potenzial für eine spätere Anwendung in solaren Nahwärmesystemen oder Sekundärnetzgebieten der klassischen Fernwärme sind gegeben. Vor allem im Bereich der Beladung und im Wandaufbau konnten große Verbesserungen erzielt werden. Weitere Optimierungen und die Umsetzung mit größeren Speichern stehen noch aus. / In the project, an alternative construction for thermal energy stores in the range of 500 to 6000 m3 was developed for operation in solar and district heating systems. Large cold water storage tanks in segmental construction are the starting point. Their construction technology offers a significant potential for cost reduction compared to welded flat-bottom tanks, but could so far not be transferred to hot water storage tanks. Due to the new design and the project objectives, the wall structure, the internals and the periphery had to be completely revised. This report provides a description of the storage system and the results of the joint project. The functionality was proven with a three-stage procedure. The planned procedure with laboratory tests on a small scale up to the test with a demonstrator on a real scale (100 m3) was necessary and purposeful. The main tasks (e.g. material testing, design, operation) were carried out by the participating research institutions in a network. The basic potential for a later application in solar local heating systems or secondary network areas of conventional district heating is given. Significant improvements were realized, especially in regard of the charging system and the wall construction. However, further optimizations and the transfer to larger storage tanks is still pending.

Ziel der Dissertation ist, die Bereitstellung positiver Minutenreserve durch dezentrale Klein-KWK-Anlagen unter technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten zu bewerten. Die Grundlage einer solchen Bewertung bilden detaillierte Kenntnisse des Abrufverhaltens positiver Minutenreserve. Deshalb wird die Inanspruchnahme positiver Minutenreserve untersucht und als stochastischer Prozess modelliert. Auf dieser Basis erfolgen Betrachtungen zur Dimensionierung der Wärmespeicher, zum Netzbetrieb mit hoher Dichte dezentraler Klein-KWK-Anlagen und zur Wirtschaftlichkeit eines solchen Konzeptes. Die abschließende ganzheitliche Betrachtung liefert Hinweise zur optimalen Betriebsweise der Klein-KWK-Anlagen. / From the technical point of view, virtual power plants consisting of small decentralized co-generation plants are able to provide positive tertiary reserve power for the European electricity transmission grid. For serious analyses, detailed knowledge about the load-characteristic of called reserve power is essentially. In order to examine grid operation, heat storage capacity and optimized power plant operation, the switch-on times of co-generation plants and the co-generated heat during reserve power provision have to be estimated. Aiming this, the called positive tertiary reserve power in Germany is analyzed and a mathematical model of the call-characteristic is synthesized. Furthermore, the results of examining grid operation, optimizing heat storage capacity and power plant operation are given. Calls of positive tertiary reserve power usually occur suddenly, non-scheduled and jumpy. Sometimes, there are single calls. Usually, calls occur clustered, i.e. one call is directly followed by further calls. Positive reserve power is much higher frequented under peak-load conditions than under base-load conditions. The characteristic of calling positive tertiary reserve power deeply depends on the control area. From the mathematical point of view, a Poisson-process fits non-scheduled and jumpy occurring events. Each jump marks a call date of positive tertiary reserve power. The values of the called power fit a logarithmical normal distribution. The lengths of the call-clusters satisfactorily fit a geometrical distribution. The expected value of called reserve energy is modeled dependent from the time of the day. The model is essential for simulating all combinations of switch-on times of co-generation plants and of co-generated heat volumes that might occur during providing reserve power. Aiming to optimize the installed heat storage capacity, the quote of heat use has to be examined. From both technical and ecological point of view, installing large heat storages is desirable in order to use all co-generated heat. From the economical point of view, installing any heat storage is not sensible. The solution of this trade-off is installing a heat storage that guarantees less or equal CO2-emissions than a conventional power plant fired with natural gas. The results of this thesis lead to 1 kWh heat storage capacity per 1 kW installed electrical power as rule of thumb. Concerning grid operation in steady state, a much higher density of co-generation plants than expected is technically installable. A general rule for extending the installable decentralized power cannot be deducted. Examining economics, decentalized co-genertation plants are desired to provide balancing power during their stand-by times. Building a virtual power plant only in order to provide reserve power is not economically sensible. From the power plant owners' view, providing positive tertiary reserve power by small decentralized co-generation plants is generally sustainable.

Für den ökonomischen Erfolg konzentrierender Solarkraftwerke und für die Effizienz-steigerung der Industrie durch Weiterverwendung von Abwärme sind skalierbare Hochtemperatur-Wärmespeicher zu vertretbaren Kosten unabdingbar. Bisher sind für dieses Anwendungsgebiet nur sensible Speicher kommerziell verfügbar. Denen gegenüber besitzen chemische Speicher zahlreiche Vorteile. Sie bieten höhere Speicherdichten, geringere Wärmeverluste, die Möglichkeit zur Wärmetransformation durch Variation des Reaktionsdrucks und eine Vielzahl von Reaktionssystemen für eine optimale Prozess-integration. Jedoch befinden sie sich noch in der Entwicklungsphase. Die reversible Gas-/Feststoffreaktion von Calciumoxid und Wasserdampf zu Calcium-hydroxid geschieht bei Temperaturen von 400 – 600 °C und ist damit optimal für solarthermische Anwendungen geeignet. Für die Entwicklung eines Speichers ist neben der thermochemischen Charakterisierung des Speichermaterials ein effizientes, skalierbares Reaktorkonzept nötig. Ein Reaktor mit bewegtem Reaktionsbett ermöglicht die Trennung der zwei charakteristischen Speichergrößen Leistung und Kapazität und stellt damit einen wirtschaftlichen Speicher in Aussicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Aufbau und Inbetriebnahme eines neuen Teststandes, in welchem ein innovatives Reaktordesign erprobt werden soll. Sie beschreibt die Auslegung einer planaren Reaktorgeometrie, die einen Schwerkraftfluss des Bettes und die Modularisierung für größere Anlagen gewährleistet. Bei Vorversuchen stellt sich die homo-gene Bewegung des Reaktionsbettes aufgrund dessen Kompressibilität als schwierig heraus. Der angestrebte homogene Massenfluss des Reaktionsmaterials kann durch die ursprünglich eingesetzten Feindosiereinheiten nicht erzielt werden. Sie zeigen sich jedoch für die Temperierung des Speichermediums und die Gasdichtheit des Reaktionsraumes als geeignet. Das homogene Ausfließen wird einer separaten Austragshilfe zugeteilt, welche konstruiert und umgesetzt wird. Experimente mit einem Schaureaktor identifizieren eine Zahnwelle als beste Option. Für einen kommerziellen Speicher wird ein Schlitzschieber empfohlen. Ebenso erfolgen Auslegung und Errichtung der peripheren Anlagenteile, wie z.B. die Fertigung eines Druckhalters zur Steuerung der Reaktionstemperatur. Am Teststand werden somit alle Vorbereitungen abgeschlossen, um Heißversuche bei Reaktionstemperatur durchzuführen.

Ziel der Dissertation ist, die Bereitstellung positiver Minutenreserve durch dezentrale Klein-KWK-Anlagen unter technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten zu bewerten. Die Grundlage einer solchen Bewertung bilden detaillierte Kenntnisse des Abrufverhaltens positiver Minutenreserve. Deshalb wird die Inanspruchnahme positiver Minutenreserve untersucht und als stochastischer Prozess modelliert. Auf dieser Basis erfolgen Betrachtungen zur Dimensionierung der Wärmespeicher, zum Netzbetrieb mit hoher Dichte dezentraler Klein-KWK-Anlagen und zur Wirtschaftlichkeit eines solchen Konzeptes. Die abschließende ganzheitliche Betrachtung liefert Hinweise zur optimalen Betriebsweise der Klein-KWK-Anlagen. / From the technical point of view, virtual power plants consisting of small decentralized co-generation plants are able to provide positive tertiary reserve power for the European electricity transmission grid. For serious analyses, detailed knowledge about the load-characteristic of called reserve power is essentially. In order to examine grid operation, heat storage capacity and optimized power plant operation, the switch-on times of co-generation plants and the co-generated heat during reserve power provision have to be estimated. Aiming this, the called positive tertiary reserve power in Germany is analyzed and a mathematical model of the call-characteristic is synthesized. Furthermore, the results of examining grid operation, optimizing heat storage capacity and power plant operation are given. Calls of positive tertiary reserve power usually occur suddenly, non-scheduled and jumpy. Sometimes, there are single calls. Usually, calls occur clustered, i.e. one call is directly followed by further calls. Positive reserve power is much higher frequented under peak-load conditions than under base-load conditions. The characteristic of calling positive tertiary reserve power deeply depends on the control area. From the mathematical point of view, a Poisson-process fits non-scheduled and jumpy occurring events. Each jump marks a call date of positive tertiary reserve power. The values of the called power fit a logarithmical normal distribution. The lengths of the call-clusters satisfactorily fit a geometrical distribution. The expected value of called reserve energy is modeled dependent from the time of the day. The model is essential for simulating all combinations of switch-on times of co-generation plants and of co-generated heat volumes that might occur during providing reserve power. Aiming to optimize the installed heat storage capacity, the quote of heat use has to be examined. From both technical and ecological point of view, installing large heat storages is desirable in order to use all co-generated heat. From the economical point of view, installing any heat storage is not sensible. The solution of this trade-off is installing a heat storage that guarantees less or equal CO2-emissions than a conventional power plant fired with natural gas. The results of this thesis lead to 1 kWh heat storage capacity per 1 kW installed electrical power as rule of thumb. Concerning grid operation in steady state, a much higher density of co-generation plants than expected is technically installable. A general rule for extending the installable decentralized power cannot be deducted. Examining economics, decentalized co-genertation plants are desired to provide balancing power during their stand-by times. Building a virtual power plant only in order to provide reserve power is not economically sensible. From the power plant owners' view, providing positive tertiary reserve power by small decentralized co-generation plants is generally sustainable.

Die Professur Technische Thermodynamik der TU Chemnitz und die inetz (Netzbetreiber) haben unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ein hocheffizientes solares Fernwärmesystem (2100 m² Kollektorfläche, 1000 m³ Speicher, max. Netzlast 6-14 MW) für den Stadtteil Brühl in Chemnitz entwickelt. Dieses zeichnet sich durch viele innovative Merkmale (Systemkonzept und -betrieb, Speicher, Hausanschlussstation) aus und berücksichtigt komplexe städtische bzw. gesellschaftliche Zusammenhänge (Akzeptanz, Städtebau, Denkmalschutz, Gebäudeeigentümer, bestehende Versorgungssysteme). In diesem Projekt wurde eine breit angelegte Begleitforschung zur Funktion des Systems durchgeführt. Das Projekt umfasste u. a. die Datenbeschaffung und -auswertung bzgl. des Systems und des Quartiers, die Datenübernahme von der inetz, die Datenverarbeitung und -auswertung sowie die Optimierung des Systems. Es erfolgten spezielle Untersuchungen zur Funktion der Kollektorfelder, des Zwei-Zonen-Speichers, des Nachheizsystems und einer Hausanschlussstation. Aufgrund des Einsatzes von Wasser im gesamten System wurden die Untersuchungen in den Kollektorfeldern mit einem speziellen bzw. mobilen Monitoring realisiert. Numerische Simulationen lieferten das theoretische Verhalten für einen Soll-Ist-Ver gleich. Umgekehrt konnten die Simulationen anhand der Messwerte validiert werden. Die Mess- und Simulationsergebnisse flossen danach in Metamodelle ein. Diese Metamodelle wurden im SolFW-Tool genutzt, um eine einfache und schnelle Berechnung von solaren Fernwärmesystemen in Quartieren zur Verfügung zu stellen. Das SolFW-Tool ist als webbasiertes Simulationsprogramm verfügbar.

Für den ökonomischen Erfolg konzentrierender Solarkraftwerke und für die Effizienz-steigerung der Industrie durch Weiterverwendung von Abwärme sind skalierbare Hochtemperatur-Wärmespeicher zu vertretbaren Kosten unabdingbar. Bisher sind für dieses Anwendungsgebiet nur sensible Speicher kommerziell verfügbar. Denen gegenüber besitzen chemische Speicher zahlreiche Vorteile. Sie bieten höhere Speicherdichten, geringere Wärmeverluste, die Möglichkeit zur Wärmetransformation durch Variation des Reaktionsdrucks und eine Vielzahl von Reaktionssystemen für eine optimale Prozess-integration. Jedoch befinden sie sich noch in der Entwicklungsphase. Die reversible Gas-/Feststoffreaktion von Calciumoxid und Wasserdampf zu Calcium-hydroxid geschieht bei Temperaturen von 400 – 600 °C und ist damit optimal für solarthermische Anwendungen geeignet. Für die Entwicklung eines Speichers ist neben der thermochemischen Charakterisierung des Speichermaterials ein effizientes, skalierbares Reaktorkonzept nötig. Ein Reaktor mit bewegtem Reaktionsbett ermöglicht die Trennung der zwei charakteristischen Speichergrößen Leistung und Kapazität und stellt damit einen wirtschaftlichen Speicher in Aussicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Aufbau und Inbetriebnahme eines neuen Teststandes, in welchem ein innovatives Reaktordesign erprobt werden soll. Sie beschreibt die Auslegung einer planaren Reaktorgeometrie, die einen Schwerkraftfluss des Bettes und die Modularisierung für größere Anlagen gewährleistet. Bei Vorversuchen stellt sich die homo-gene Bewegung des Reaktionsbettes aufgrund dessen Kompressibilität als schwierig heraus. Der angestrebte homogene Massenfluss des Reaktionsmaterials kann durch die ursprünglich eingesetzten Feindosiereinheiten nicht erzielt werden. Sie zeigen sich jedoch für die Temperierung des Speichermediums und die Gasdichtheit des Reaktionsraumes als geeignet. Das homogene Ausfließen wird einer separaten Austragshilfe zugeteilt, welche konstruiert und umgesetzt wird. Experimente mit einem Schaureaktor identifizieren eine Zahnwelle als beste Option. Für einen kommerziellen Speicher wird ein Schlitzschieber empfohlen. Ebenso erfolgen Auslegung und Errichtung der peripheren Anlagenteile, wie z.B. die Fertigung eines Druckhalters zur Steuerung der Reaktionstemperatur. Am Teststand werden somit alle Vorbereitungen abgeschlossen, um Heißversuche bei Reaktionstemperatur durchzuführen.:Kurzfassung.....................................................................II Aufgabenstellung ..............................................................III Inhaltsverzeichnis ..............................................................V Nomenklatur ...................................................................VII Abbildungs- und Tabellenverzeichnis ............................................IX Vorwort ........................................................................XI 1 Einleitung ................................................................... 1 2 Theorie thermischer Energiespeicher .......................................... 3 2.1 Beschreibung von Wärmespeichern ............................................ 3 2.2 Sensible Wärmespeicher ..................................................... 4 2.3 Latente Wärmespeicher....................................................... 9 2.4 Sorptive Wärmespeicher .....................................................12 2.5 Chemische Wärmespeicher ....................................................14 3 Spezifikation des thermochemischen Speichersystems ...........................17 3.1 Thermochemische Grundlagen .................................................17 3.2 Motivation der Aufgabenstellung ............................................20 3.3 Charakterisierung des Reaktionssystems .....................................21 4 Systembeschreibung des Speicherkonzepts ......................................26 4.1 Kurzdarstellung der Ausgangssituation ......................................26 4.2 Weiterentwicklung zum bewegten Reaktionsbett ...............................27 4.2.1 Theorie des bewegten Reaktionsbettes .....................................27 4.2.2 Konstruktion des Reaktors ................................................28 4.2.3 Förderung des Speichermaterials ..........................................31 4.3 Periphere Anlagenteile .....................................................33 4.3.1 Anlagenschema ............................................................33 4.3.2 Entwurf des Druckhalters .................................................35 INHALTSVERZEICHNIS VI 4.3.3 Ausführung der Elektro- und Messtechnik ..................................37 5 Experimentelle Untersuchungen ................................................39 5.1 Versuchsdurchführung .......................................................39 5.2 Betrieb der Fördereinheiten ................................................40 5.3 Optimierung der Fördereinheiten ............................................44 5.3.1 Inaktive Mischpaddel .....................................................44 5.3.2 Modifizierte Mischpaddel .................................................47 5.4 Erkenntnisse ...............................................................49 6 Finales Konzept des Versuchsstandes ..........................................50 6.1 Lösungsansätze für den Massenfluss .........................................50 6.2 Gestaltung der Austragshilfe ...............................................54 7 Zusammenfassung und Ausblick .................................................57 Eidesstattliche Erklärung ......................................................59 Literatur- und Quellenverzeichnis ..............................................60 Anlagen ........................................................................63 A.1. Parametrierung des Temperaturwächters (Kapitel 4.3.3) .....................63 A.2. Inhalt des beigelegten Datenträgers (Einband) .............................63 A.3. Berechnung der Aufheizstrecke des Stickstoffstroms (Kapitel 4.3.1) ........64 A.4. Konstruktionszeichnung des Druckhalters (Kapitel 4.3.2) ...................65 A.5. Dampftafel: Sättigungsdampfdruck von Wasserdampf (Kapitel 4.3.2) ..........66 A.6. Stromlaufpläne und Baugruppenliste des Teststandes (Kapitel 4.3.3) ... ....67 A.7. Ermittlung der Kabelquerschnitte für Stromlaufplan (Kapitel 4.3.3) ........73 A.8. Parametrierung der Frequenzumrichter (Kapitel 5.1) ....................... 74 A.9. Ergebnisse der Kalibiermessungen (Kapitel 5.2) ............................75 A.10. Berechnungen zur Dynamik des Schlitzschiebers (Kapitel 6.1) ............. 76 A.11. Konstruktionszeichnungen der Austragshilfe (Kapitel 6.2) .................77

Wärmespeicher tragen bei optimierter Integration in Wärme- und Kälteversorgungsanlagen zur Einsparung von installierter Erzeugerleistung, Brennstoffeinsatz und Betriebskosten bei. Leider treten in Wärmespeichern oft noch beachtliche Verluste auf und das Potenzial zur Kosten- und Energieeinsparung wird nicht vollständig ausgeschöpft. Dabei spielen nicht nur Wärmeverluste an die Umgebung, sondern vor allem auch innere Verluste im Speicher eine Rolle. Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit sind die Beschreibung der einzelnen Verluste an Wasserwärmespeichern, die Ermittlung ihrer Ausmaße abhängig von der konstruktiven Gestaltung und der Betriebsweise des Speichers sowie die Auswirkungen der Verluste auf einen vorgelagerten Wärmeerzeuger und den Einsatz von Primärenergie. Die Ergebnisse basieren auf umfangreichen Speichermodellierungen mit dem CFD-Code Fluent sowie experimentellen Untersuchungen an drei Testspeichern. Der quantitative Vergleich der Verluste für ausgewählte Beispiele zeigt bestehende Defizite sowie die Potenziale für die Verbesserung der Konstruktion neuer Wasserwärmespeicher auf. / If hot water storage tanks are optimally integrated in heat or cold supply systems, they contribute to a reduction of required capacity, fuel and operation costs. Unfortunately, even today remarkable heat losses and internal losses occur in hot water storage tanks. The potential for cost and energy reductions is not completely utilized yet. Here, not only heat losses to the ambience, but also internal losses play a decisive role. Main focus of the presented work is the description of the single losses at hot water storage tanks and the determination of the correlation between the losses, the tank design and the mode of operation. Furthermore the effects of the losses in the tank on the efficiency of different types of heat generators and the input of primary energy into the system have been examined. The results are based on extended numerical modeling with the CFD-code Fluent as well as experimental test with three storage tanks. The quantitative comparison of the losses for selected examples shows the current shortcomings but even the potential for an optimized hot water storage tank design.

Diese Arbeit stellt die theoretischen Untersuchungen für ein ausgewähltes Wärmepumpen-Speicher-System zur emissionsneutralen Wärmeversorgung eines Quartiers vor. Dabei dient ein Fernwärme-Rücklauf als Wärmequelle für die Wärmepumpen. Die Stromversorgung (u. a. Antriebsenergie) kann sowohl durch erneuerbaren (PV, Wind) als auch konventionellen Strom erfolgen. Zur Abbildung des Systems kamen die Programme TRNSYS und MATLAB mit Solver CPLEX zum Einsatz. Von besonderem Interesse waren die optimale Dimensionierung und der optimale bzw. flexible Betrieb der Anlage. Das Anlagenkonzept mit dem Wärmespeicher ermöglicht eine signifikante Reduktion der CO2-Emissionen sowie eine Senkung der Wärmegestehungskosten bis zu 17,7 % gegenüber einer Referenzauslegung ohne einen Wärmespeicher. Zur Gewährleistung einer hohen Anlagenflexibilität im Betrieb inklusive der Versorgungssicherheit des Quartiers ist ein relativ großer Wärmespeicher mit einem Volumen größer als 30 m³ vorteilhaft und praktisch umsetzbar. Dieses System ermöglicht es kurzfristige (wenige Minuten) und langfristige (saisonale) Schwankungen seitens der erneuerbaren Stromversorgung aufzunehmen und in eine sichere/bedarfsgerechte Wärmeversorgung zu überführen.:1 Einleitung 2 Referenzquartier und -system 3 Transiente Simulation des Wärmepumpen-Speicher-Systems 4 Modell zur Erzeugereinsatzoptimierung 5 Untersuchungen zum praktischen Einsatz vom MATLAB/CPLEX-Modell 6 Flexibilitätspotential Anhang