Thermische Speicher mit Phasenwechselmaterialien im Heizsystem

Aachen (2016, 2017) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (xx, 140 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Thermische Speicher finden sich in vielen Hydrauliksystemen wieder und bilden oft ein Bindeglied zwischen erneuerbaren Energien und dem Heizsystem eines Gebäudes. Sie stellen einen zentralen Bestandteil des Hydraulikkonzeptes einer Heizungsanlage dar. In einer energetischen und exergetischen Analyse werden thermische Speicher in Kombination mit Heizsystemen für Einfamilienhäuser untersucht.Der Einfluss der Speicher auf das thermische Verhalten der Systeme wird in dieser Arbeit für den Warmwasserspeicher mit und ohne PCM (phase-change material) mittels eindimensionalen Modellierungen und dynamischen Simulationen analysiert. Zu Beginn werden die Grundlagen thermischer Speicher und die unterschiedlichen Modellierungsweisen vorgestellt. Es werden Modelle der Speicher entwickelt und validiert. Begonnen wird mit den Messungen und Modellentwicklungen des Warmwasserspeichers, gefolgt von den Messungen und Modellentwicklungen des Latentwärmespeichers. Das am Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik vorhandene Warmwasserspeichermodell wird an einen Trinkwasserspeicher adaptiert und weiteren Parametermodifikationen unterzogen. In einer Parameterstudie wird untersucht, wie groß der Einfluss der Schichtenzahl des Speichers und die effektive Wärmeleitfähigkeit ist. Das PCM-Modell enthält als Hauptelement die Implementierung der Wärmekapazität in Abhängigkeit von der Temperatur. Weitere Elemente sind die Konvektion zwischen dem PCM und dem Fluid und die Wärmeleitung innerhalb des PCM. Mittels dieser Basiselemente werden drei verschiedene Latentwärmespeichermodelle, Abbildung als einzelne Platten, Abbildung als Stack bis hin zur Implementierung des PCM als Kugelschüttung, entwickelt. In einer Parameterstudie wird der Wärmeübergang zwischen Wasser und PCM, sowie der Einfluss der Diskretisierung untersucht und anschließend das Modell validiert.Im fünften Kapitel werden verschiedene Speicher (Schichten-, Puffer-, Paraffin- und Salzhydratspeicher) theoretisch und in dynamischen Systemen analysiert. Das theoretische Potential der Phasenwechselmaterialien in einem Speicher wird untersucht und anhand einer energetischen und exergetischen Analyse bewertet. In den Systemsimulationen werden sechs verschiedene Hydraulikkonzepte, bestehend aus Kessel/Wärmepumpe mit Radiatoren oder Fußbodenheizungen mit/ohne Solarthermie in zwei Gebäuden von 1984 bzw. 2009, miteinander verglichen. Die Systeme werden energetisch sowie exergetisch bewertet. Es zeigt sich, dass primärenergetisch betrachtet die Systeme mit Salzhydratspeicher den geringsten Bedarf haben. Den zweitgeringsten Bedarf besitzen die Systeme mit Paraffinspeicher. An dritter Stelle liegen die Konzepte mit Schichtenspeicher. Den höchsten Bedarf haben die Pufferspeicherkonzepte. Der thermische Nutzungsgrad und eine exergetische Bewertung der Systeme ermöglichen nicht immer eine Unterscheidung dieser, sondern zeigen, dass die Systeme exergetisch annähernd gleichwertig sind. Eine Bilanzierung der Speicher im System weist die individuellen exergetischen Speicherverluste erkennbar auf.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Leonhardt, Corinna

Gutachterinnen und Gutachter

Müller, Dirk
Zeller, Manfred

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-082932
  • REPORT NUMBER: RWTH-2016-08293