Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die thermische Schichtung ist ein wichtiger Parameter bei der energetischen Bewertung von thermischen Speichern. Der elektrische Energieverbrauch in einem Wärmepumpensystem kann mit einem gut schichtenden Speicher um bis zu 40% tiefer ausfallen als bei einem schlecht schichtenden Speicher. (siehe SPF Projekte "StorEx" für Kombispeicher und "DHWstrat" für Trinkwarmwasserspeicher). Für die Definition und die Bestimmung der Schichtungseffizienz sind aber zwei unterschiedlichen Verfahren in Diskussion: Die "SPF" Methode und die "IGTE" Methode der Universität Stuttgart. Die beiden Verfahren sind sehr verschieden. Damit die "thermische Schichtung" ein allgemein anerkannter Kennwert für thermische Speicher mit einem klar definierten Messverfahren wird, ist es wichtig, dass diese beiden Verfahren in einer Vergleichsmessung untersucht werden. Nur so kann später auch ein international akzeptiertes Verfahren etabliert werden, das dann auch die Basis für eine Norm bilden kann.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Thermal stratification is an important parameter in the energy evaluation of thermal storage systems. The electrical energy consumption in a heat pump system can be up to 40% lower with a well stratified storage tank than with a poorly stratified storage tank. (See SPF projects "StorEx" for combined storage tanks and "DHWstrat" for domestic hot water storage tanks). For the definition and the determination of the stratification efficiency, however, two different methods are under discussion: The "SPF" method and the "IGTE" method of the University of Stuttgart. The two methods are very different. In order for the "thermal stratification" to become a generally accepted characteristic value for thermal accumulators with a clearly defined measurement procedure, it is important that these two methods are investigated in a comparative measurement. Only in this way can an internationally accepted procedure be established later on, which can then also form the basis for a standard.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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La stratification thermique est un paramètre important dans l'évaluation énergétique des accumulateurs thermiques. La consommation d'énergie électrique dans un système de pompe à chaleur peut être jusqu'à 40% plus faible avec un accumulateur à bonne stratification qu'avec un accumulateur à mauvaise stratification. (voir les projets SPF "StorEx" pour les accumulateurs combinés et "DHWstrat" pour les accumulateurs d'eau chaude sanitaire). Pour la définition et la détermination de l'efficacité de la stratification, deux méthodes différentes sont en discussion : la méthode "SPF" et la méthode "IGTE" de l'université de Stuttgart. Les deux méthodes sont très différentes. Pour que la "stratification thermique" devienne une valeur caractéristique généralement reconnue pour les accumulateurs thermiques avec une méthode de mesure clairement définie, il est important que ces deux méthodes soient étudiées dans le cadre d'une mesure comparative. Ce n'est qu'ainsi qu'il sera possible d'établir plus tard une méthode acceptée au niveau international, qui pourra ensuite servir de base à une norme.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Effizienz der Schichtung in thermischen Speichern spielt eine entscheidende Rolle für die energetische Leistungsfähigkeit von Wärmepumpensystemen. Seit einigen Jahren kann die Schichtungseffizienz mittels einer vom SPF entwickelten Methode gemessen werden. Diese Methode ermittelt die Entropieproduktion des Speichers an einem typischen Testtag (24-h Profil) im Labor durch einen “Concise Cycle Test” (CCT). Die gemessene Entropieproduktion wird dann mit der maximal zu erwartenden Entropieproduktion eines vollständig durchmischten Speichers oder Speichersystems verglichen. In diesem Projekt werden die Ergebnisse dieses Ansatzes mit der Ermittlung derselben Kennzahl auf der Grundlage von Component Testing – System Simulation (CTSS) verglichen. Bei diesem zweiten Verfahren werden zunächst Speicher-Simulationsparameter auf der Grundlage der Norm EN 12977 ermittelt. Anschließend wird der “typische Testtag” als 24-h Profil mit dem parametrierten Speichermodell simuliert und die Entropieproduktion aus den Simulationsresultaten ermittelt. Die Berechnung der Schichtungseffizienz erfolgt dann wiederum wie beim CCT-Verfahren, indem die Entropieproduktion des - nun simulierten - Speichers mit dem Worst-Case-Szenario eines vollständig durchmischten Speichers verglichen wird. Beide Methoden wurden bei denselben sechs unterschiedlichen Speichern angewendet. Die Messungen nach der CCT-Methode wurden am SPF durchgeführt, während die Bestimmung der Schichtungseffizienz nach der CTSS-Methode am Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart durchgeführt wurde. Die CCT-Methode zeigt eine Schichtungseffizienz von 69 % bis 84 %. Eine hohe Effizienz korreliert sehr gut mit einer niedrigen Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers. Die nach der CTSS-Methode ermittelten Schichtungseffizienzen lagen im Bereich von 67 – 96 %, wobei die Resultate aus dem CTSS um ca. 5% höher als bei CCT. Der tiefste simulierte Wert ist jedoch 5% tiefer, der höchste 19% höher (96% anstatt 81%). Eine gute Übereinstimmung ist somit nicht gegeben. Kritisch ist dabei, dass das im CTSS-Verfahren benutzte Simulationsmodell TRNSYS Type 340 praktisch nur die Höhe der Anschlusspositionen und die effektive vertikale Leitfähigkeit im Speicher nutzt, um Mischungseffekte abzubilden. Mit diesen Parametern kann jedoch das Verhalten des Speichers und dessen Mischungseffekte vor allem bei impulsreicher Einströmung und bei mitreissender Strömung nicht adäquat abgebildet werden. Darüber hinaus wurde eine alternative Modellierung der Speichertemperaturprofile mit expliziten mathematischen Funktionen untersucht, welche die Temperatur des Speichers als stetige und integrierbare Funktion in Abhängigkeit der Speicherhöhe beschreiben. Der Tangens hyperbolicus und Exponentialfunktionen eignen sich prinzipiell zur Abbildung von Speichern mit einer Thermokline, bei mehreren Thermoklinen können diese Funktionen superponiert (addiert) werden. Die Parameter zur Beschreibung des Temperaturprofiles in einem Speicher mit einer Thermokline als mathematische Funktion sind Schärfe und Position (Wendestelle) der Thermokline, sowie die untere und obere Temperaturgrenze der Funktion. Die durch diese Funktionen bestimmten Speichertemperaturprofile stimmten sehr gut mit den tatsächlich gemessenen Temperaturprofilen zu verschiedenen Zeitpunkten der Be- und Entladung sowie des Standby überein.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The efficiency of stratification in thermal stores plays a decisive role in the energy performance of heat pump systems. For some years now, it has been possible to measure stratification efficiency using a method developed by SPF. This method determines the entropy production of the storage tank on a typical test day (24-h profile) in the laboratory using a "Concise Cycle Test" (CCT). The measured entropy production is then compared with the maximum expected entropy production of a fully mixed storage tank or storage system. In this project, the results of this approach are compared with the determination of the same key figure based on Component Testing - System Simulation (CTSS). In this second method, simulation parameters of the storage tank are first determined based on the EN 12977 standard. The "typical test day" is then simulated as a 24-h profile with the parameterized storage model and the entropy production is determined from the simulation results. The stratification efficiency is then calculated in the same way as for the CCT method, by comparing the entropy production of the - now simulated - storage tank with the worst-case scenario of a fully mixed storage tank. Both methods were applied to the same six different storage tanks. The measurements using the CCT method were carried out at the SPF, while the determination of the stratification efficiency using the CTSS method was carried out at the Institute for Building Energy, Thermal Engineering and Energy Storage (IGTE) at the University of Stuttgart. The CCT method shows a stratification efficiency of 69 % to 84 %. A high efficiency correlates very well with a low flow temperature of the heat generator. The stratification efficiencies determined using the CTSS method were in the range of 67 - 96 %, whereby the results from the CTSS were approx. 5 % higher than with CCT. However, the lowest simulated value is 5% lower, the highest 19% higher (96% instead of 81%). There is therefore no good agreement. The critical point here is that the TRNSYS Type 340 simulation model used in the CTSS method practically only uses the height of the connection positions and the effective vertical conductivity in the storage tank to map mixing effects. With these parameters, however, the behavior of the storage tank and its mixing effects cannot be adequately mapped, especially in the case of impulsive inflow and entrained flow. In addition, an alternative modelling of the storage tank temperature profiles with explicit mathematical functions was investigated, which describe the temperature of the storage tank as a continuous and integrable function depending on the storage tank height. In principle, the hyperbolic tangent and exponential functions are suitable for modelling storage tanks with one thermocline; these functions can be superposed (added together) for several thermoclines. The parameters for describing the temperature profile in a storage tank with a thermocline as a mathematical function are the sharpness and position (inflection point) of the thermocline, as well as the lower and upper temperature limits of the function. The storage tank temperature profiles determined by these functions corresponded very well with the temperature profiles actually measured at various times during charging and discharging as well as standby.
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Schlussbericht
(Französisch)
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L'efficacité de la stratification dans les accumulateurs thermiques joue un rôle décisif dans la performance énergétique des systèmes de pompes à chaleur. Depuis quelques années, il est possible de mesurer l'efficacité de la stratification à l'aide d'une méthode développée par SPF. Cette méthode détermine la production d'entropie du réservoir de stockage au cours d'une journée d'essai typique (profil de 24 heures) en laboratoire à l'aide d'un « Concise Cycle Test » (CCT). La production d'entropie mesurée est ensuite comparée à la production d'entropie maximale attendue d'un réservoir de stockage ou d'un système de stockage entièrement mélangé. Dans ce projet, les résultats de cette approche sont comparés à la détermination du même ratio basée sur l'essai des composants - simulation du système (CTSS). Dans cette seconde méthode, les paramètres de simulation du réservoir de stockage sont d'abord déterminés sur la base de la norme EN 12977. La « journée d'essai type » est ensuite simulée comme un profil de 24 heures avec le modèle de stockage paramétré et la production d'entropie est déterminée à partir des résultats de la simulation. L'efficacité de la stratification est ensuite calculée de la même manière que pour la méthode CCT, en comparant la production d'entropie du réservoir de stockage - maintenant simulé - avec le scénario le plus défavorable d'un réservoir de stockage entièrement mélangé. Les deux méthodes ont été appliquées aux mêmes six réservoirs de stockage différents. Les mesures utilisant la méthode CCT ont été effectuées au SPF, tandis que la détermination de l'efficacité de la stratification à l'aide de la méthode CTSS a été effectuée à l'Institut pour l'énergie des bâtiments, le génie thermique et le stockage de l'énergie (IGTE) de l'Université de Stuttgart. La méthode CCT montre une efficacité de stratification de 69 % à 84 %. Une efficacité élevée est très bien corrélée à une faible température de départ du générateur de chaleur. Les rendements de stratification déterminés à l'aide de la méthode CTSS se situent dans une fourchette de 67 à 96 %, les résultats de la méthode CTSS étant environ 5 % plus élevés que ceux de la méthode CCT. Cependant, la valeur simulée la plus basse est inférieure de 5 % et la plus haute supérieure de 19 % (96 % au lieu de 81 %). Il n'y a donc pas de bonne concordance. Le point critique ici est que le modèle de simulation TRNSYS Type 340 utilisé dans la méthode CTSS n'utilise pratiquement que la hauteur des positions de raccordement et la conductivité verticale effective dans le réservoir de stockage pour cartographier les effets de mélange. Avec ces paramètres, le comportement du réservoir de stockage et ses effets de mélange ne peuvent cependant pas être cartographiés de manière adéquate, en particulier dans le cas d'un flux d'entrée impulsif et d'un flux entraîné. En outre, une modélisation alternative des profils de température du réservoir de stockage avec des fonctions mathématiques explicites a été étudiée, qui décrivent la température du réservoir de stockage comme une fonction continue et intégrable dépendant de la hauteur du réservoir de stockage. En principe, les fonctions tangente hyperbolique et exponentielle conviennent pour modéliser les réservoirs de stockage avec une thermocline ; ces fonctions peuvent être superposées (additionnées) pour plusieurs thermoclines. Les paramètres permettant de décrire le profil de température d'un réservoir de stockage avec thermocline sous la forme d'une fonction mathématique sont la netteté et la position (point d'inflexion) de la thermocline, ainsi que les limites de température inférieure et supérieure de la fonction. Les profils de température des réservoirs de stockage déterminés par ces fonctions correspondaient très bien aux profils de température effectivement mesurés à différents moments pendant la charge et la décharge ainsi qu'en mode veille.
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