HyTES – Optimierung Hybrider Saisonaler Wärmespeichersysteme mithilfe von Phasenwechselmaterialien

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502171

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das Projekt HyTES «Optimierung hybrider saisonaler Wärmespeichersysteme mithilfe von Phasenwechselmaterialien» ermittelt unterirdische saisonale Wärmespeicher mit minimalen Gesamtsystemkosten für Mehrfamilienhäuser. Neue Speichersystemkonzepte mit makroverkapselten Phasenwechsel-materialien (PCM) werden erarbeitet und das Potential von PCMs bzgl. Kosten- und Volumenreduktion vom thermischen Energiespeichersystem wird ermittelt. Das zu untersuchende System besteht aus einem Hybridspeicher (Wasser und PCM) in Kombination mit einer PV-Anlage und einer Wärmepumpe. Um die genannten Punkte zu quantifizieren, werden bestehende Simulationsmodelle erweitert, optimiert und mit eigenen Messdaten experimentell validiert. Die Optimierung erfolgt auf Basis von Jahressimulationen, welche mit einem open-source Code gekoppelt sind, um die Levelized Cost of Energy Storage (LCOES) zu minimieren.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The project HyTES "Optimization of hybrid seasonal thermal energy storage (STES) systems using phase change materials" investigates underground STES systems with minimum total system costs for residential buildings. New storage concepts using macro-encapsulated phase change materials (PCMs) are developed and the potential of PCMs in terms of cost and volume reduction of the thermal energy storage system is determined. The system under investigation consists of a hybrid storage (water and PCM) in combination with a PV system and a heat pump. In order to quantify the above points, existing simulation models are extended, optimized and experimentally validated with own measurement data. The optimization is performed based on annual simulations coupled with an opensource code to minimize the Levelized Cost of Energy Storage (LCOES).

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Im ersten Jahr von HyTES wurden die Modellentwicklung (AP1) und die Definition relevanter Referenzszenarien (AP2) vorangetrieben. Das thermische Energiespeichermodell wurde in C++ implementiert und mit Messdaten, die im HSLU-Labor in enger Zusammenarbeit mit Cowa erfasst wurden, experi-mentell validiert. Die zusätzlichen Komponentenmodelle (PV und Wärmepumpe) wurden integriert und mit dem Speichermodell in der C++ Umgebung gekoppelt. Das gesamte Systemmodell wurde außer-dem an den NOMAD-Optimierungscode gekoppelt, um die gleichzeitige Optimierung mehrerer Design-Parameter mit dem Ziel der Reduzierung der Wärmegestehungskosten zu ermöglichen. Alle erforderlichen Parameter und Randbedingungen wurden in Zusammenarbeit mit Cowa und planergie festgelegt.

Die erfolgreiche Modellimplementierung (AP1) und die Definition von Referenzszenarien (AP2) haben es ermöglicht, die Projektgrundlagen zu schaffen, was sich im erfolgreichen Abschluss der ersten ganz-jährigen Systemsimulationen in Kombination mit NOMAD (AP3) widerspiegelt. Die kommenden Arbeiten werden sich auf die systematische Optimierung des Speicherdesigns (PCM-Material und Menge, PCM-Kapselgeometrie und -Volumen, Speichervolumen, -geometrie und -integration usw.) unter sorg-fältiger Berücksichtigung der praktischen Möglichkeiten und Grenzen für eine tatsächliche Implementierung konzentrieren.

Zugehörige Dokumente

• Zwischenbericht [PDF] 1'752 kB

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Significant progress has been made during the first year of HyTES, particularly in relation to the model development (WP1) and the definition of relevant reference scenarios (WP2). The in-house thermal energy storage model has been implemented in C++ and experimentally validated using measured data acquired at the HSLU laboratory in close collaboration with Cowa. The additional component models (PV and heat pump) have been integrated and coupled to the storage model in the C++ environment. The entire system model has been further coupled to the NOMAD optimization code to allow simultaneous optimization of multiple design parameters with the goal of reducing the Levelized Cost of Heat. All required parameters and boundary conditions have been defined in collaboration with Cowa and planergie.

The successful model implementation (WP1) and the definition of reference scenarios (WP2) has allowed to set the project foundations, which has translated in the successful completion of first full-year system simulations in combination with NOMAD (WP3). The upcoming work will be focused on the systematic optimization of the storage design (PCM material and amount, PCM capsule geometry and volume, storage volume, geometry, and integration, etc.) under careful consideration of the practical possibilities and limitations for an actual implementation.