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In diesem Planungsleitfaden wird ein typischer Planungsablauf zur Auslegung von solchen Be- und Entladesystemen beschrieben. Er gibt wichtige Hinweise und Richtlinien für die Planung, Entwicklung und Auslegung von Be- und Entladesystemen. Andere Vorgehensweisen und Varianten werden damit aber nicht ausgeschlossen. Die Ausführungen beruhen im Wesentlichen auf dem Abschlussbericht zum Forschungsprojekt „Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher“ [1] innerhalb des Förderkonzeptes „Solarthermie 2000plus“ und stellen eine Zusammenstellung der für die Planung solcher Systeme relevanten Ergebnisse dar.

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 „Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher“ des Forschungsprogramms „Solarthermie 2000plus“ wurden von 2004 bis 2008 unterschiedliche Konstruktionen zur Be- und Entladung thermischer Speicher experimentell und mit Hilfe von Simulationsrechnungen untersucht. Wesentliche Ziele dieses Projektes waren: - die Systematisierung und Analyse bestehender Konstruktionen, - die Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen, - die Ableitung von Richtlinien für Planung und Auslegung, - die Untersuchung der Übertragbarkeit vom Experiment auf Mittel- und Großspeicher sowie - die Einbindung von Industriepartnern (Kooperation und Praxistests). Das Projekt wurde an der Technischen Universität Chemnitz in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Technische Universität Ilmenau durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen und die gewonnenen Erkenntnisse werden im Bericht detailliert erläutert.

In diesem Planungsleitfaden wird ein typischer Planungsablauf zur Auslegung von solchen Be- und Entladesystemen beschrieben. Er gibt wichtige Hinweise und Richtlinien für die Planung, Entwicklung und Auslegung von Be- und Entladesystemen. Andere Vorgehensweisen und Varianten werden damit aber nicht ausgeschlossen. Die Ausführungen beruhen im Wesentlichen auf dem Abschlussbericht zum Forschungsprojekt „Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher“ [1] innerhalb des Förderkonzeptes „Solarthermie 2000plus“ und stellen eine Zusammenstellung der für die Planung solcher Systeme relevanten Ergebnisse dar.

Im Projekt „Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher“ des Forschungsprogramms „Solarthermie 2000plus“ wurden von 2004 bis 2008 unterschiedliche Konstruktionen zur Be- und Entladung thermischer Speicher experimentell und mit Hilfe von Simulationsrechnungen untersucht. Wesentliche Ziele dieses Projektes waren: - die Systematisierung und Analyse bestehender Konstruktionen, - die Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen, - die Ableitung von Richtlinien für Planung und Auslegung, - die Untersuchung der Übertragbarkeit vom Experiment auf Mittel- und Großspeicher sowie - die Einbindung von Industriepartnern (Kooperation und Praxistests). Das Projekt wurde an der Technischen Universität Chemnitz in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Technische Universität Ilmenau durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen und die gewonnenen Erkenntnisse werden im Bericht detailliert erläutert.

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.

Solarthermie trägt wesentlich zur Verbrauchsreduzierung fossiler Energieträger bei. Die für eine thermische Zwischenspeicherung verwendeten Warmwasserspeicher werden häufig mittels schwerkraftbasierten Schichtenladern beladen. Bisher sind die komplexen Strömungsvorgänge im Beladesystem und deren Auswirkungen auf die Speichereffizienz begrenzt bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt daher eine detaillierte Auseinandersetzung mit den hydrodynamischen Effekten in einem Schichtenlader. Dreidimensionale CFD-Untersuchungen zeigen, dass im Belader Strömungsschwankungen auftreten, welche mit dem Ausströmverhalten korrelieren und den Schichtungsaufbau negativ beeinflussen. Variationen der Betriebsparameter und Beladergeometrie verdeutlichen deren Einflussnahme auf die Strömungseffekte im Beladesystem. Experimentelle PIV/PLIF-Untersuchungen bestätigen die mit der CFD gewonnenen Erkenntnisse wie z. B. Strömungsasymmetrien im Beladerrohr und ein teilweise periodisches Ausströmen. Zusätzlich identifizieren die experimentellen Messungen starke Instationaritäten der Strömung. / Solar thermal energy makes a significant contribution to reducing the consumption of fossil fuels. Hot water storage tanks are often equipped with gravity-based stratification devices. Up to now, the complex flow in the loading system and the effects on storage efficiency are only been rudimentarily known. In this Phd thesis, therefore, detailed examination of the hydrodynamic effects in a stratification device is conducted. 3D-CFD investigations show that a fluctuating flow exists in the device which correlate with the outflow behaviour and has a negative influence on the thermal stratification in the storages. Variations of the operating parameters and device geometry illustrates their influence on flow effects in the loading system. Experimental PIV/PLIF investigations confirm the results obtained from the CFD, such as flow asymmetries in the stratification device and a temporally periodic outflow. In addition, the experimental measurements identify strong instationarities of the flow.

Radiale Diffusoren beeinflussen signifikant die Qualität der thermischen Schichtung in Warmwasserspeichern. Um die Effizienz der Energiespeicherung zu verbessern, ist das Verständnis des komplexen Strömungsverhaltens notwendig. Diese Arbeit liefert Grundlagen zur Beschreibung der auftretenden Effekte und stellt ein geeignetes CFD-Simulationsmodell vor. Als Untersuchungsobjekt dient eine neuartige Speicherkonstruktion, wobei der Radialdiffusor direkt an einer schwimmenden Decke montiert ist. Vorteile dieser Anordnung werden aufgezeigt, die auftretenden Strömungseffekte beschrieben sowie der Einfluss verschiedener Beladergeometrien auf die thermische Schichtung untersucht. Für das Entladen bis 98 °C bei Atmosphärendruck wurde ein strömungsoptimierter Freiformdiffusor entwickelt, um Kavitation beim Ansaugen zu vermeiden. Die Untersuchungen zeigen außerdem, dass bei der Beladung über dem Umfang des Radialdiffusors ein stark asymmetrisches und einseitig gerichtetes Ausströmen auftreten kann. Gegenmaßnahmen in Form von Leit- und Lochblechen stellen ein nahezu symmetrisches Ausströmen wieder her und verbessern damit die Schichtungsqualität. Neben umfangreichen numerischen Studien mit RANS und LES fanden zahlreiche Experimente im Labor und an einem 100 m³-Speicher statt. / Radial diffusers have a significant influence on the quality of thermal stratification in hot water storage tanks. In order to improve the efficiency of energy storage, it is necessary to understand the complex flow behaviour. This thesis provides a basis for describing the effects and introduces a CFD simulation model. An innovative storage tank construction is used as the object of investigation, whereby the radial diffuser is mounted directly to a floating ceiling. Advantages of this arrangement are shown, flow effects are described and the influence of different loader geometries on the thermal stratification is investigated. For discharging up to 98 °C at atmospheric pressure, a flow-optimized free-form diffuser was developed to avoid cavitation inside the loading device. The tests also show that a highly asymmetrical and unidirectional flow over the circumference of the radial diffuser can occur during loading. Thanks to countermeasures like baffles and perforated plates, an almost symmetrical outflow can be restored and the stratification quality improved. In addition to numerical studies with RANS and LES, numerous experiments in the laboratory and at a 100m3 store were performed.