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Betrachtung von Wasserspeichern mit innenliegenden Wärmeübertragern

Oliver Truninger

Titel

Betrachtung von Wasserspeichern mit innenliegenden Wärmeübertragern

Autor/in

Datierung

09.06.2023

Beschreibung

An die Warmwasserversorgung werden zunehmend hohe Anforderungen gestellt. Einerseits
benötigen moderne Heizungssysteme tiefe Rücklauftemperaturen, andererseits verschärften sich die
Temperaturanforderungen zur Sicherstellung der Warmwasserhygiene. Zur Erzeugung und
Speicherung haben sich in der Praxis Warmwasserpseicher mit innenliegendem Heizregister etabliert.
Bisher übliche Fabrikate weisen nur kleine Heizregister auf, welche keine ausreichende Abkühlung
des Rücklaufs ermöglichen. Die Fernwärmebranche gibt Empfehlungen zur Auswahl geeigneter
Warmwasserpseicher mit innenliegenden Heizregistern ab, mit denen tiefe Rücklauftemperaturen
möglich sein sollen. Über die Wirksamkeit der Empfehlungen liegen keine allgemein bekannte
Informationen vor, welche das Ladeverhalten dokumentieren und die Einhaltung der Normen
belegen. Die Fragestellungen der vorliegende Arbeit betrachten die Vereinbarkeit der Anforderungen,
dass einerseits bei Ladungsende das gesamte Bereitschaftsvolumen auf über 55°C erwärmt ist und
andererseits der Heizungsrücklauf bis dahin nicht auf über 45°C ansteigt. Zur Beantwortung der
Fragestellungen wird ein vereinfachtes Speichermodell verwendet, welches in vier
Berechnungsvarianten den Ladeverlauf simuliert. Zur numerischen Berechnung der Wärmeübergänge
in Python werden Nusselt-Zahlen oder Näherungsgleichungen verwendet, der resultierende
Wärmedurchgang wird fortlaufend iterativ angenähert. Die Modellabstraktion repräsentiert einen
handelsüblichen Speicher. Dieser Referenzspeicher entspricht den Optimierungsempfehlungen der
Fernwärmebranche. Die vier Modellvarianten weisen sehr ähnliche Resultate auf, die darauf
hinweisen, dass die gegensätzlichen Temperaturanforderungen mit dem Referenzspeicher nicht
gleichzeitig erfüllt werden können. Die Rücklauftemperatur erreicht nach rund 45 Minuten den
Grenzwert von 45°C mit einem Ladegrad des Bereitschaftsvolumen von 45%. Das Ladeende, bei dem
das gesamte Warmwasservolumen die geforderten 55°C aufweist, wird nach 75 Minuten erreicht, die
Rücklauftemperatur liegt zu diesem Zeitpunkt bei rund 59°C. Die getroffenen Modellannahmen und
die Auswertung der Simulation lassen darauf schliessen, dass die Ergebnisse einen ausgeprägten und
rein theoretischen Optimalfall abbilden, der dennoch plausibel und zur grundsätzlichen Beurteilung
der Fragestellung geeignet erscheint. Das Simulationsmodell bedarf in einem nächsten Schritt einer
Gegenüberstellung mit Messdaten oder einer CFD Simulation, um die Abweichung der Ergebnisse zur
Optimierung des Algorithmus nutzen und die vorliegenden Erkenntnisse bestätigen zu können.

Hot water systems are subject to increasing requirements. Modern heating systems demand
increasingly low return flow temperatures while temperature requirements to ensure hot water
hygiene have become more stringent. Hot water tanks with an internal heating coil are an
established solution for hot water production and storage. Such models commonly feature small
heating coils, which achieve insufficient cooling of the return flow temperature. The district heating
industry describes approaches to optimize these storage systems, which should enable low return
temperatures. There is no publicly available information on the effectiveness of the approaches,
which demonstrate the charging behaviour and prove compliance with the standards. The research
question of the present study examines the compatibility of the requirements to achieve 55°C in the
entire standby volume at the end of a charging cycle while the heating return flow remains below
45°C until then. To answer the research question a simplified storage model is used, which simulates
the charging process in four calculation variants. For the numerical calculation of the heat transfer
coefficients in Python Nusselt numbers or approximate equations are employed, an iterative
procedure is used to solve the total heat transfer. The model abstraction represents a commercially
available storage tank, this reference storage tank corresponds to the optimisation recommendations
of the district heating industry. The four model variants show very similar results, indicating that the
contrary temperature requirements cannot be achieved together with the reference storage tank.
The return flow temperature reaches the limit value of 45°C after approximately 45 minutes with a
standby volume charging level of 45%. The end of charge is reached after 75 minutes, at which the
entire standby volume meets the required 55°C, while the return temperature reached 59°C. The
model assumptions made together with the evaluation of the simulation suggest that the results
represent a distinct and purely theoretical best case, which nevertheless appears plausible and
suitable for a fundamental assessment of the issue. The conclusions that have been drawn to answer
the research question can be evaluated after the model results have been verified.

Urheberrechtshinweis