Praktikumsskript

Solarthermische Komponentenund Systeme

Teil 5: Speicher

Universitat Kassel

Fachbereich MaschinenbauFachgebiet Solar- und Anlagentechnik

5 Solarspeicher

Inhaltsverzeichnis

5 Solarspeicher 3

5.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

5.2 Prufstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

5.3 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

5.3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

5.3.2 Der Solarspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

5.3.3 Der Warmeubertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

5.4 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5.5 Versuchsdurchfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5.6 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.7 Keywords . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Literaturverzeichnis 17

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5.1 Lernziele

· Be- und Entladeverhalten eines Speichers

· Temperaturschichtung im Speicher

· UA-Wert eines Warmeubertragers in Abhangigkeit von Volumenstrom und Tempe-

ratur

· Mathematische Beschreibung einer thermosiphonischen Stromung, Berechnung von

Steiggeschwindigkeit und Antriebsdruck

5.2 Prufstand

Der Prufstand besteht aus zwei Speichern (A und B) und der Peripherie-Hydraulik (Abb.

5.1). Speicher A hat drei unabhahgige Zulaufe: einen normalen Zulauf, ein Schichtbelade-

Steigrohr und einen Zulauf mit Prallplatte. Speicher B hat einen internen Warmeubertrager,

der mit einem thermosiphonischem Steigrohr verbunden ist. Verschiedene Messsensoren

(Temperaturfuhler, Durchflussmesser) sind an das Agilent-Messdatenerfassungssystem

angeschlossen.

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Abbildung 5.1: Darstellung des Speicher-Prufstandes

5.3 Grundlagen

5.3.1 Einleitung

Warmespeicher helfen als Systemkomponente die Dynamik der solaren Einstrahlung zu

glatten und somit die Kollektoren effektiver zu nutzen. Meist fallen solares Energiean-

gebot und Warmebedarf zeitlich auseinander. Die Spitzenwerte des Warmwasserbedarfs

liegen in den Morgen- und Abendstunden, wohingegen das solare Energieangebot mittags

am großten ist. Nach einem sonnigen Tag kann ein Regentag folgen. Aus diesen Grunden

stellt der Warmespeicher einen entscheidenden Baustein in thermischen Solaranlagen dar.

In einer thermischen Solaranlage wird die Solarstrahlung absorbiert, in Warmeenergie um-

gewandelt und uber einen Warmeubertrager in einen Speicher ubertragen. Die Entladung

des Speichers erfolgt in Abhangigkeit des auftretenden Bedarfs.

Warmespeicher konnen gemaß unterschiedlicher Kriterien klassifiziert werden:

· nach der Temperatur in Nieder- (< 100 ◦C), Mittel-, und Hochtemperaturspeicher

(> 500 ◦C)

· nach Dauer der Warmespeicherung in Kurz- (1..3 Tage) oder Langzeit-Warmespeicher

bis hin zu Saisonalen-Warmespeichern

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· nach dem physikalischen Prinzip in sensible (fuhlbare), latente und chemische Spei-

cher

· nach dem Speichermedium z.B. in Wasserspeicher, Gesteinsspeicher

Die meisten der heute im Einsatz befindlichen Warmespeicher zahlen zu den Speichern

fur sensible Warme, in denen Warmeenergie uber eine Temperaturerhohung des Mediums

gespeichert wird, wobei die Speichermedien Wasser und Gestein dominieren. Speicher

fur latente Warme, in denen die Anderung des Aggregatzustandes (Schmelz- oder Ver-

dampfungswarme) eines Mediums genutzt wird, konnten bei Anforderungen an eine hohe

Energiedichte bzw. an eine Ein- und Ausspeicherung bei nahezu demselben Tempera-

turniveau eingesetzt werden. Im Vergleich zur Speicherung sensibler Warme spielt dieses

Speicherprinzip aufgrund wirtschaftlicher und okologischer Kriterien derzeit aber nur eine

untergeordnete Rolle.

5.3.2 Der Solarspeicher

Tabelle 5.1: Anwendungsbereiche fur Solarwarmespeicher,Als eine zentrale Komponente fast jeder thermischen Solaranlage, bietet der Warmespei-

cher die Moglichkeit, warmes Wasser auch zu den Zeiten bereitzustellen, an denen nur

geringe oder keine Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Im Hinblick auf den Verwendungs-

zweck werden Trinkwasserspeicher fur Dusche, Bad etc., Heizungs-Pufferspeicher fur die

Versorgung der Raumheizung und Kombispeicher, die beide Anwendungen ermoglichen,

unterschieden. Der Solarspeicher sollte sich durch eine gute Temperaturschichtung, ge-

ringe Warmeverluste, gutes Be- und Endladeverhalten und Korrosionsbestandigkeit der

Speichermaterialien auszeichnen. In Tabelle 5.1 werden typische Anwendungsbereiche fur

Solarspeicher beschrieben.

Zur solarunterstutzten Trinkwasserbereitung fur Ein- und Zwei-Familienhauser sind Spei-

cher von 200 bis 500 Liter Fassungsvermogen mit Anschlussen fur zwei Warmeubertrager

ublich: einem Unteren fur den Anschluss an den Kollektorkreis zur solaren (Vor-)Erwar-

mung des Wassers und einem Oberen fur den Anschluss an die Nacherwarmung durch

einen Heizkessel. Aufgrund der unterschiedlichen Dichte von kaltem und warmem Wasser

bildet sich im Speicher eine Temperaturschichtung, indem sich das warme Wasser oben

und das kalte Wasser unten im Speicher ansammelt. Diese Trinkwarmwasserspeicher sind

in der Regel als Druckspeicher konzipiert und fur den normalen Druck des offentlichen

Trinkwassernetzes (0,4 bis 0,6 MPa) ausgelegt. Da meist gleichzeitig kaltes und warmes

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Wasser im Speicher ist und es zu keiner Durchmischung kommen darf (+ lauwarmes

Wasser), sind der Aufbau und die Erhaltung einer guten Temperaturschichtung wich-

tig. Sobald oben Warmwasser entnommen wird, stromt unten kaltes nach, das sich nicht

mit dem bereits erwarmten Wasser vermischen soll. Die Temperaturschichtung ist um-

so ausgepragter, je schlanker und hoher der Speicher ist. Stehende Speicher sollten ein

Hohen-Durchmesser-Verhaltnis von mindestens 2,5:1 aufweisen. Der Temperaturausgleich

zwischen den Schichten ist bei schlanken Speichern außerhalb der Ladezeiten gering.

Um heißes Wasser sofort nutzen zu konnen, ohne dass erst der ganze Speicher erwarmt

werden muss, wurden fur die Beladung von Solarspeichern (Speicherinhalte> 250 l) beson-

dere Vorrichtungen (Prallplatten, Steigrohr) entwickelt. Eine selbstregelnde Ladevorrich-

tung (Steigrohr) kann hierbei fur eine Einschichtung von Wasser variabler Temperatur in

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unterschiedlichen Hohen sorgen. Dadurch entsteht eine gute Temperaturschichtung inner-

halb des Speichers: heißes Wasser oben (schnelles Erreichen der Nutztemperatur), warmes

Wasser darunter, kaltes Wasser unten (hoher Kollektorwirkungsgrad). Durch Schichten-

beladung wird der Temperaturniveauverlust bei der Durchstromung kalterer Schichten

vermieden, die Durchmischung des Speichers weitgehend unterbunden und ggf. die Ein-

schaltfrequenz der Nachheizung deutlich verringert.

Neben einer guten Temperaturschichtung sollten die Warmeverluste durch eine ausrei-

chende Dammung und sinnvolle Konstruktion (geringes Oberflachen-Volumenverhaltnis,

Vermeidung von Warmebrucken wie unisolierte Flansche) moglichst gering gehalten wer-

den.

5.3.3 Der Warmeubertrager

Zur Ubertragung der solar gewonnenen Warme an das Trinkwasser ist in Zweikreissyste-

men ein Warmeubertrager erforderlich. Auf der Primarseite des Warmeubertragers fließt

das Warmetragerfluid (meist ein Wasser-Glykol-Gemisch), auf der Sekundarseite befindet

sich das zu erwarmende Wasser. Soll ein Warmestrom von Primar- zur Sekundarseite flie-

ßen, ist eine Temperaturdifferenz erforderlich. Je großer diese Differenz ist, desto hoher

ist auch die Warmeubertragungsleistung.

Warmeubertrager konnen grundsatzlich in interne und externe aufgeteilt werden. Bei

internen Warmeubertragern kommen haufig Rohrwendelwarmeubertrager zum Einsatz,

wobei die Rohrschlangen entweder aus glattwandigem oder geripptem Kupfer- oder Edel-

stahlrohr bestehen. Wahrend Glattrohrwarmeubertrager wegen der hohen erforderlichen

Rohrlange meistens werksseitig fest eingebaut sind, konnen Rippenrohrwarmeubertrager

durch die kompaktere Konstruktion mittels spezieller Flansche oft auch noch nachtraglich

in den Speicher eingesetzt werden. Glattwandige Warmeubertrager besitzen eine hohere

Warmeubertragungsleistung pro Quadratmeter Ubertragerflache als gerippte und sind we-

niger durch Verkalkung gefahrdet. Allerdings benotigen sie aufgrund großerer Rohrlangen

im Speicher mehr Platz. Als Faustformel fur die Dimensionierung von internen Warme-

ubertragern kann bei Verwendung von glattwandigen (bzw. gerippten) Rohren eine Flache

von 0, 20 m2 (bzw. 0, 35 m2) Ubertragungsflache pro m2 Kollektorflache angenommen wer-

den.

In einem externen Warmeubertrager (Platten- oder Rohrbundelwarmeubertrager) wer-

den die beiden Flussigkeiten”Warmetragermedium“ und

”zu erwarmendes Trink- oder

Heizungswasser“ aneinander vorbeigefuhrt, es findet hierbei keine Stoffubertragung statt.

Externe WUT werden i.d.R. mit vorgefertigten Warmedammschalen isoliert.

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Externe Warmeubertrager bieten gegenuber internen den Vorteil, dass sie mehrere Spei-

cher beladen konnen und wegen der hoheren Stromungsgeschwindigkeiten beider Fluide

eine hohere Warmeubertragungsleistung1 besitzen. Nachteilig sind der hoherer Anschaf-

fungspreis und die Notwendigkeit einer zusatzlichen sekundarseitigen Pumpe.

Die an der Warmeubertragung beteiligten Fluidstrome konnen auf verschiedene Weise

gefuhrt werden. Bei Gleichstrombetrieb stromen das heiße und kalte Fluid in gleicher Rich-

tung, bei Gegenstrombetrieb in entgegengesetzter Richtung und bei Kreuzstrombetrieb

orthogonal zueinander.

Entlang der Ubertragungsflache A kuhlt sich das heiße (primarseitige) Fluid von der Ein-

trittstemperatur Th auf die Austrittstemperatur Th′ ab. Im Warmeubertrager wird das

kalte (sekundarseitige) Fluid von der Eintrittstemperatur Tc auf die Austrittstemperatur

Tc′ erwarmt. Wird das Gegenstromprinzip angewendet, so tritt das kalte Fluid mit der

Temperatur Tc am Ende der Heizflache, wo sich der primare Austritt befindet, ein und mit

erhohter Temperatur Tc′ am Anfang der Heizflache aus. Beim Gegenstrombetrieb kann

mehr Warmeenergie vom warmen aufs kalte Fluid ubertragen werden (Abb. 5.2).

Abbildung 5.2: Fluidtemperaturen in einem Doppelrohr-Warmeubertrager links: Gegen-stromfuhrung, rechts: Gleichstromfuhrung, aus (Polifke & Kopitz, 2009), S. 171

Der Vorgang der Warmeubertragung setzt sich aus dem Warmeubergang an der einen

Seite der Trennwand, der Warmeleitung durch die Trennwand und dem Warmeubergang

1Bei internen Warmeubertragern ist die Ubertragungsleistung durch die freie Konvektion des Spei-cherwassers am Warmeubertragerrohr begrenzt.

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an der anderen Seite der Trennwand zusammen. Er wird Warmedurchgang genannt und

durch folgende Gleichung beschrieben.

dQ = U · dA (Th′ − Tc′) = U · dA ·∆T (5.1)

Der Warmestrom dQ, der durch das Flachenelement dA hindurchtritt, ist also zu der

Flache und der Temperaturdifferenz proportional. Der Proportionalitatsfaktor ist der

Warmedurchgangskoeffizient U in W/m2K, der die Einzelvorgange des Warmedurchgangs

beinhaltet. Durch die Integration uber die gesamte warmeubertragende Flache A erhalt

man die Warmeleistung (Gl. 5.2).

Q = U · A ·∆Tm (5.2)

Die mittlere Temperaturdifferenz ∆Tm lasst sich wie folgt bestimmen (Gl. 5.3):

∆Tm =|∆T0 −∆T1|

ln(

∆T0

∆T1

) (5.3)

mit: ∆T0 = Th − Tc′ und ∆T1 = Th′ − Tc (fur Gegenstrom-WUT).

Es handelt sich hier um den logarithmischen Mittelwert der ortlichen Temperaturdifferen-

zen. Im Grenzfall ∆T0 → ∆T1 geht der logarithmische Mittelwert in den arithmetischen

Mittelwert uber:

∆Tm =∆T0 + ∆T1

2= ∆T0 = ∆T1 (5.4)

Sind die ubertragene Warmeleistung Q und die mittlere Temperaturdifferenz ∆Tm be-

kannt, so kann die Kenngroße des Warmeubertragers nach Gl. 5.5 ermittelt werden.

UA =Q

∆Tm(5.5)

5.4 Versuchsaufbau

Wie bereits beschrieben, besteht der Versuchsaufbau aus zwei Speichern (A und B, siehe

Abb. 5.3).

Speicher A verfugt uber unterschiedliche Zulaufe (Zulauf normal, Schichtbelade-Steigrohr,

Zulauf mit Prallplatte), uber welche der Speicher befullt werden kann. Mittels eines exter-

nen Plattenwarmeubertragers (im Gegenstrombetrieb) kann das Wasser bei der Befullung

des Speichers auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden. Mithilfe von bis zu 12

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Abbildung 5.3: Schematischer Aufbau des Speicher-Versuchstandes, Quelle: SAT

Temperatursensoren, die an einer Lanze im Abstand von jeweils 10 cm angebracht sind,

kann die sich einstellende Temperaturschichtung ermittelt und zeitgleich auf dem Monitor

beobachtet werden.

Speicher B besitzt einen internen Warmeubertrager, der mit einem thermosiphonischem

Steigrohr verbunden ist. Die Beheizung beider Speicher geschieht uber den Heizkreis,

welcher einen 9 kW-Heizstab beinhaltet (VORSICHT!). In Abb. 5.4 wird die thermosi-

phonische Stromung, bzw. die Beladung des Speichers veranschaulicht.

Wahrend einer Speicherbeladung wird zunachst das Speicherwasser innerhalb des Poly-

Propylen-Kastens erwarmt. Das erwarmte Speicherwasser steigt dann aufgrund seiner ver-

minderten Dichte (im Vergleich zum Speicherwasser in der Umgebung des Kastens) durch

ein Acrylglasrohr (Durchmesser = 16 mm, Lange = 730 mm) in den oberen Speicherbe-

reich und beladt so den Speicher. Der Warmeubertrager ist innerhalb des Speichers mit

Metallwellrohr verbunden, die zu den Speicheranschlussen fuhren.

Die Einschicht-Einrichtung besteht aus dem Acrylglasrohr mit einer Abdeckscheibe sowie

vier Ovallochern. Mit dieser Konstruktion wird das nach oben stromende Wasser in die

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Abbildung 5.4: Veranschaulichung der thermosiphonischen Stromung, Quelle: SAT

Horizontale umgelenkt. So wird vermieden, dass das erwarmte Speicherwasser direkt in

die obersten Speicherschichten stromt und sich mit diesen vermischt (falls der Speicher

noch hoher ware und z.B. eine Nachheizung besitzen wurde).

In Kreislaufen, die durch Dichteunterschiede eines Fluids angetrieben werden, sind Tem-

peraturverteilung und Reibung (Druckabfall) entlang eines Stromungskanals die maßgeb-

lichen Großen.

Mit einem eindimensionalen Ansatz ergibt sich der Antriebsdruck ∆pdriv fur die Zirkula-

tion des Speicherwassers jeweils durch Integration der Dichteverteilung entlang des Kreis-

laufes. Der Antriebsdruck setzt sich aus den beiden Dichteintegralen der senkrecht verlau-

fenden kommunizierenden Wassersaulen im und parallel zum Stromungskanal zusammen.

∆pdriv = g

∣∣∣∣∫ h2

h1

ρ (TWS1) dh′ −∫ h2

h1

ρ (TWS2) dh′∣∣∣∣ (5.6)

Hier ist ∆pdriv der Antriebsdruck in Pa, TWS1,2 die Temperatur der Wassersaule 1 bzw. 2

in K, ρ die Dichte in kg/m3 und g=9, 81 m/s2 die Schwerebeschleunigung.

Im Gleichgewicht entspricht der Antriebsdruck dem Druckverlust des entlang des Kreis-

laufes stromenden Fluids durch Reibungskraft (Scherkrafte). Fur die Druckbilanz gilt

somit:

∆pdriv = ∆pshear = ζρWS1

2ν2pipe (5.7)

Mit dem Reibungsdruckabfall ∆pshear in Pa, dem Druckverlustkoeffizient ζ und der Fluid-

geschwindigkeit im Steigrohr νpipe in m/s.

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Da die Geschwindigkeit des Speicherwassers außerhalb des Stromungskanals gegenuber

derjenigen im Stromungskanal vernachlassigt werden kann, erfolgt der Druckabfall der

Speicherwasserzirkulation uberwiegend im Stromungskanal (Steigrohr und Warmeuber-

trager-Kasten) und ist maßgeblich durch den Steigrohrdurchmesser ( 16 mm) mitbe-

stimmt.

Der Druckverlustkoeffizient ζ berechnet sich wie folgt:

ζ = ζ0 + ζ1 = ζ0 +0, 3164

Re0,25· hpipedpipe

(5.8)

mit ζ0 = 1, 44 und Re =ρ · νpipe · dpipe

η.

Hierbei ist Re die Reynoldszahl (einheitenlos), ρ die Dichte des Wassers in kg/m3, η die

dynamische Viskositat in Pa·s, dpipe der Durchmesser des Steigrohrs (16 mm) und hpipe

die Hohe des Steigrohres (ca. 730 mm).

Die Gleichung lasst sich somit nicht ohne Weiteres nach der Geschwindigkeit im Steigrohr

νpipe auflosen. Mithilfe einer Nullstellensuche (z.B. mit Excel) kann sie jedoch einfach be-

stimmt werden. Dabei wird νpipe in der Gleichung solange variiert, bis folgende Bedingung

erfullt ist:

∆pdrive −∆pshear = 0. (5.9)

5.5 Versuchsdurchfuhrung

Speicher A, Teil 1

1. Kontrollieren Sie die Ventil-Stellungen:

(a) Der Boden-Einlass (Ventil 7) muss geoffnet sein

(b) Der Einlass des Belade-Rohres (Ventil 8) muss geschlossen sein

(c) Der Einlass der Prallplatte (Ventil 9) muss geschlossen sein

2. Die Temperatur-Messlanze muss sich im Speicher A befinden

3. Agilent-Datenlogger und Notebook einschalten

4. Das Messprogramm”Speicher A“ starten

(Das Programm lauft wahrend des gesamten Versuches “Speicher A”mit!)

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5. Die Pumpe des Primar-Kreislaufes einschalten (Netzstecker an der Wand).

6. Pumpe auf hochste Stufe stellen (kleiner Drehschalter an der Pumpe)

7. Sekundaren Volumenstrom auf ca. 1 l / 20 s einstellen (Hausleitungs-Kaltwassernetz):

(a) Nutzen Sie hierzu das 1-Liter-Volumengefasses und eine Stoppuhr

(b) Stellen Sie den Volumenstrom zunachst am Ablaufbecken ein

(c) Anschließend wird das Kugelventil (roter Griff) in Richtung Speicher gestellt

8. Schalten Sie nun die Heizung (grune Taste) ein und stellen die Heizleistung auf 33 %

bzw. 3 kW (mithilfe der schwarzen +/- Tasten)

9. Beobachten Sie am Monitor Tin,primaer, bis maximal 65 ◦C erreicht werden!

10. Bei Erreichen der 65 ◦C (Tin,primaer) offnen Sie das rote Kugelventil am Plattenwarmeubertrager

(blaue Farbe)

Achtung: Messen Sie die Fullzeit fur die ersten 30 l erwarmenten Wassers mithilfe

einer Stoppuhr

11. Beobachten Sie nun auch Tout sec:

(a) Bringen Sie Tout,sekundaer durch schrittweise Veranderung der Heizleistung auf

min. 43 ◦C

(b) Achtung: Tin,primaer darf nicht uber 70 ◦C steigen (sonst lost die Thermosiche-

rung des Heizstabes aus)

12. Bei erreichen der 30 l-Markierung (Klebe-Etikett, obere Kante) schließen Sie das

rote Kugelventil am Plattenwarmeubertrager und notieren sich die Zeit.

13. Schalten Sie bitte sofort die Heizung und die Pumpe AUS!

14. (Anhaltswerte fur diese Dauer des Versuch-Abschnittes ca. 10 Minuten, bei 3 l/min)

15. Bestimmen Sie (zuhause) fur den soeben benutzten Plattenwarme-Ubertrager den

UA-Wert!

Speicher A, Teil 2

1. Schliessen Sie Ventil 7 und offnen Sie Ventil 9

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2. Kontrollieren Sie erneut den Wasser-Zulauf von 1 l / 20 s mit dem Messbecher

3. Befullen Sie Speicher A mit 20 l kaltem Wasser durch Offnen des roten Kugelventiles

4. Beobachten Sie die Stromungsverhaltnisse in Speicher A (am Monitor):

Entsteht evtl. eine Schichtung? (Versuchsdauer ca. 6 – 8 Minuten)

5. Schliessen Sie bei Erreichen der nachsten Markierung (Summe 50 l, obere Kante)

das rote Kugelventil am Plattenwarmeubertrager und warten Sie bitte 2 Minuten bis

die Temperatur-werte der Lanze (TLanze10 bis TLanze50) im Speicher A sich scheinbar

stationar verhalten

6. Schliessen Sie bitte Ventil 9 und offnen Sie Ventil 7 (Bodeneinlass)

7. Kontrollieren Sie erneut den Wasser-Zulauf von 1 l / 20 s mit dem Messbecher.

8. Befullen Sie nun den Speicher A mit 10 l kaltem Wasser bis zur nachsten Markierung.

Bleibt eine evtl. vorhandene Schichtung bestehen oder wird Sie gestort oder zerstort?

9. Schliessen Sie das rote Kugelventil bei Erreichen der 60 l - Markierung

10. Schliessen Sie Ventil 7, offnen Sie Ventil 8 (SOLVIS-Steigrohr) und warten Sie bitte

2 Minuten bis die Temperaturwerte der Lanze (TLanze10 bis TLanze60) im Speicher A

sich scheinbar stationar verhalten

11. Befullen Sie nun den Speicher A mit 10 l kaltem Wasser durch Offnen des roten

Kugelventils am Plattenwarmeubertrager

(a) Was beobachten Sie, nachdem sich das Steigrohr komplett gefullt hat?

(b) Welche Klappen mussen sich logischerweise offnen?

(c) Beobachten Sie zeitgleich die Temperaturwerte der Lanze (TLanze10 bis TLanze70)

12. Schliessen Sie das rote Kugelventil am Plattenwarmeubertrager bei Erreichen der

70 l – Markierung.

13. Schalten Sie nun die Pumpe des Primar-Kreislaufes ein (Netzstecker an der Wand)

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14. Stellen Sie die Heizung wieder AN und stellen die Leistung auf 44 % von 9 kW ein,

Tin,primaer soll auf 65 ◦C aufgeheizt werden

15. Befullen Sie den Speicher A bis zu der 80 l - Markierung mit warmen Wasser durch

Offnen des roten Kugelventiles am Plattenwarmeubertrager

(a) Beobachten Sie, welche Klappen sich logischerweise offnen

(b) Beobachten Sie zeitgleich die Temperaturwerte der Lanze (TLanze10 bis TLanze800)

16. Bei Erreichen der 80 l - Markierung stellen Sie die Heizung und die Primar-

kreislauf-Pumpe ab

17. Schliessen Sie das rote Kugelventil am Plattenwarmeubertrager und das”grune“

Ventil des Hausleitungs-Anschlusses

18. Warten Sie bitte 2 Minuten bis die Temperatur-Werte der Lanze (TLanze10 bis

TLanze110) im Speicher A sich scheinbar stationar verhalten und Speichern Sie

ihre Daten ab

Speicher B

1. Vorbereitung:

(a) Lassen Sie die Temperaturlanze von Speicher A in den Speicher B setzen

(ubernimmt der Betreuer)

(b) Laden Sie das Programm”Speicher B“, legen Sie sich eine neue Messdatei an

und starten die Messung

(c) Schließen Sie das Ventil auf der Saugseite der Primarkreis-Pumpe (nicht gedammte

Leitung) und offnen Sie die Kugelventile, die bisher die schwarz gedammten

Schlauche abgesperrt haben

2. Stellen Sie die Pumpe mit kleinster Leistung (Volumenstrom 80 bis 100 l/h) und

den Heizstab im Primarkreis mit P = 2 kW (22 %) an

3. Warten Sie ca. 10..15 Minuten ab und beobachten Sie die Vorgange im Speicher und

Steigrohr:

(a) Nach ca. 5..10 Minuten bilden sich erste Schlieren am Austritt des thermosi-

phonischen Steigrohres

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(b) Nach ca. 15 Minuten sollten scheinbar stationare Verhaltnisse herrschen d.h.

die Sekundarstromung im Speicher B (thermosiphonische Stromung) ist relativ

konstant geworden

4. Stellen Sie die Pumpe nun auf maximale Leistung

Da das Ausgangssignal der Pumpe elektrisch begrenzt ist (sichtbar am Monitor als

negativer Durchfluss), lesen Sie den Durchfluss in m3/h direkt am MID orange als

Zahlenwert ab

5. Warten Sie ca. 15 Minuten ab, bis sich wieder scheinbar konstante Werte ergeben

und stellen Sie die Pumpe wieder auf minimale Leistung

6. Warten Sie erneut ca. 15 Minuten ab, bis sich wieder scheinbar konstante Werte

ergeben

7. Sichern Sie ihre Messdatei, stellen sie die Heizung und die Pumpe AUS

5.6 Auswertung

Speicher A

1. Berechnen Sie den UA-Wert des Platten-Warmeubertragers (extern)

2. Beschreiben Sie ihre Beobachtungen und interpretieren Sie diese.

Speicher B

· Berechnen Sie den UA-Wert des internen Lamellen-Warmeubertragers

· Ermitteln Sie mithilfe der Energiebilanz am Warmeubertrager den Volumenstrom

im Steigrohr und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem Messwert (der MID im

Speicher B zeigt 8% zu viel an)

· Berechnen Sie den Antriebsdruck uber die Dichteintegrale mithilfe der gemessenen

Temperaturen und schließen Sie daraus wiederum auf den thermosiphonischen Vo-

lumenstrom im Steigrohr

· Diskutieren Sie die Abweichungen zwischen den drei vorliegenden Werten fur den

Volumenstrom im Steigrohr

· Wann kommt die thermosiphonische Stromung prinzipiell zum Stillstand?

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Tabellenverzeichnis

5.7 Keywords

Keywords

· Kriterien der Speicherklassifizierung

· Solarspeicher

· Warmeubertrager

· Thermosiphonische Stromung

Literaturverzeichnis

Polifke, W., & Kopitz, J. 2009. Warmeubertragung: Grundlagen, analytische und

numerische Methoden. Pearson Studium. 2. Auflage.

Abbildungsverzeichnis

5.1 Darstellung des Speicher-Prufstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

5.2 Fluidtemperaturen in Doppelrohr-Warmeubertragern . . . . . . . . . . . . 8

5.3 Schematischer Aufbau des Speicher-Versuchstandes . . . . . . . . . . . . . 10

5.4 Veranschaulichung der thermosiphonischen Stromung . . . . . . . . . . . . 11

Tabellenverzeichnis

5.1 Anwendungsbereiche fur Solarwarmespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

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