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Aktives Schichtladesystem für Kaltwasserpufferspeicher

BMWi Euronorm Innokom

04/2019 - 09/2021

Dipl.-Ing. Ronny Mai

+49-351-4081-658

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Temperaturgesteuerte Einschichtung von Kaltwasser mit unterschiedlichem Temperaturniveau

Bedeutung von Pufferspeichern

Der Einsatz von Pufferspeichern in Kaltwassernetzen dient der hydraulischen Entkopplung von Erzeuger- und Verbraucherkreis und der Sicherstellung einer Mindestlaufzeit des Kälteerzeugers. Pufferspeicher unterscheiden sich von klassischen Großkältespeichern durch ihre geringere Baugröße. Sie sind immer als sensibler Kaltwasserspeicher ausgeführt und weisen aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus nur sehr geringe Dichteunterschiede zwischen Speicherfuß und -kopf auf. Eine selbsttägige dichteabhängige Einschichtung von unterschiedlich temperiertem Kaltwasser, wie sie bei Wärmespeichern genutzt wird, ist bei Kaltwasserspeichern somit nicht möglich. Durch die Dominanz der erzwungenen Konvektion gegenüber den natürlichen Auftriebskräften kommt es häufig zur Durchmischung des Pufferspeichers. Dadurch steigt die Netzvorlauftemperatur (unten rechts) an und die Erzeugerrücklauftemperatur (oben links) sinkt. Beide Effekte führen zu Leistungsverlusten.

Lösungsansatz

Ein aktives Be- und Entladesystem hingegen kann durch eine temperaturgesteuerte Ein- und Ausschichtung des Kaltwassers konvektive Mischungsverluste reduzieren und eine Schichtung im Speicher erhalten bzw. aufbauen.

Zur Erreichung dieses Ziels werden sowohl speicherinterne als auch speicherexterne Lösungsansätze verfolgt. Zum einen wird ein höhenveränderlicher Belader entwickelt, der in den Speicher integriert werden kann und auf verschiedenen Konstruktionsarten beruhen kann. Zum anderen wird eine außenliegende Mehrfach-Umschalteinheit entwickelt, die eine Einspeisung in verschiedene Speicheranschlusshöhen ermöglicht. Zusätzlich ermittelt eine integrale Temperaturmessung im Speicherinneren die Temperaturverteilung und die Belade- und Entnahmeleistung. Diese Informationen werden neben der gezielten Einschichtung des Kaltwassers auch für die Ansteuerung des Kälteerzeugers aufbereitet und zur Weiterverarbeitung durch die Gebäudeautomation bereitgestellt. Damit kann sowohl die Effizienz der Kälteerzeugung bei der Speicherbeladung erhöht als auch eine konstante Versorgungssicherheit mit Kaltwasser sichergestellt werden.

Projektziele

Die Zielstellung für das Projekt sieht die Errichtung eines Beladesystems als Prototyp mit folgenden Randbedingungen vor:

Eignung bevorzugt für vertikale Tankspeicher
Pufferspeichervolumen ca. 2 bis 10 m³ (Speicherbauhöhe bis 3 m),
speicherintegriertes höhenveränderliches Beladesystem oder außenliegende Mehrfach-Umschalteinheit
geometrisch an die Einspeiselösung angepasster Belader (Ausströmöffnung)
Antrieb der Mechanik vorzugsweise ohne Hilfsenergie (z.B. bimetallisch)
Anwendung auch als Entladesystem für temperaturgesteuerte Entnahme
Integrales Messsystem zur Erfassung der Temperaturverteilung
SPS-Steuerung für Einspeisung und optimierten Kältemaschinenbetrieb

Grundidee der ortsveränderlichen Einschichtung ist die Tatsache, dass eine mischungsarme Beladung nur erfolgt, wenn das Beladefluid auf der Höhe mit gleicher Temperatur in den Speicher eingeschichtet wird. Um diese Anforderung zu erfüllen, soll ein höhenveränderlicher Belader zum Einsatz kommen oder mehrere Belader eingesetzt werden, bei denen der Fluidstrom außerhalb des Speichers der richtigen Temperaturschicht zugeordnet wird. Beide Lösungen sollen im Zuge der Grundlagenuntersuchungen gemeinsam verfolgt werden und im Laufe des Forschungsprojektes unter Beachtung der Wirtschaftlichkeit eine Entscheidung zur bevorzugten Lösung gefällt werden.

Neben dem Beladesystem wird eine geeignete Messtechnik entwickelt, die eine integrale Aussage zum Speichertemperaturprofil über der Speicherhöhe ermöglicht. Durch die Auswertung der Temperaturänderungsgeschwindigkeiten können Rückschlüsse auf die Strömungsgeschwindigkeiten im Speicher gezogen werden. Gemeinsam mit den Ein- und Austrittstemperaturen des Speichers wird daraus der aktuelle Speicherbelastungsgrad ermittelt. Daraus kann eine Prognose des erforderlichen Kältemaschinenbetriebes erfolgen. Durch die Berücksichtigung von Teillasteffizienzkennwerten von Kältemaschinen kann die Steuerung selbsttätig entscheiden, ob die Kältemaschine im Teillastbetrieb angefordert wird oder nicht. Damit kann eine deutliche Effizienzsteigerung bei der Kälteerzeugung von bis zu 20 % erreicht werden, bei Teillastregelarten mit großen Effizienzunterschieden zwischen Voll- und Teillast (z.B. Heißgasbeipass, Drehzahlregelung) sind noch höhere Einsparungen möglich.

Zusammengefasst ergeben sich die folgenden Projektziele:

Ideale Temperaturschichtung im Kaltwasserspeicher bei variablen Rücklauftemperaturen im Verbraucherkreis
temperaturabhängige Einschichtung mehrerer temperaturvariabler Verbrauchermasseströme (vorzugsweise ohne Hilfsenergie)
temperaturvariable Entnahme verschiedener Verbrauchermasseströme (Bereitstellung von Nieder- und Hochtemperaturkälte aus einem Speichersystem)
Sicherstellung einer hohen (bzw. der höchstmöglichen) Eintrittstemperatur in die Kältemaschine
Einkopplung der Freien Kühlung auch bei Überschreitung der verbraucherseitigen Soll-Vorlauftemperatur zur Erhöhung des Deckungsanteils der Freien Kühlung
Effizienzsteigerung durch optimierten Kältemaschinenbetrieb mit gezielter Teillastregelung