Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Ein zuverlässiges dynamisches Modell des Sorptionswärmespeichers auf der Basis von flüssigem, wässrigem Natriumhydroxid, wie es im vom BFE finanzierten Projekt SI/501605-01 entwickelt wurde, ist Voraussetzung für dessen Weiterentwicklung. Die nächsten Schritte in der Technologieentwicklung sind die Kombination des Speichersystems mit einer Kompressionswärmepumpe und die Umsetzung dieses kombinierten Systems in einem Felddemonstrator (Frauenfeld-System). In unserem Projekt wird ein Simulationsmodell des Sorptionswärmespeichersystems erstellt und anhand des bestehenden (SI/501605-01) und des Labordemonstrators der zweiten Generation validiert. Dieses Modell wird in eine Simulationsplattform implementiert, die Gebäude, Wärmepumpe, PV und Hausbatterie umfasst, um die beste Implementierungspraxis und das Betriebspotenzial in Bezug auf saisonale Lastverschiebung, Systemgröße und Preis zu ermitteln. Das Sorptionswärmespeichersystem ermöglicht eine teilweise Verlagerung der elektrischen Heizlast (Wärmepumpe) vom Winter in den Sommer, wodurch die elektrische Last im Winter reduziert wird. Ziel dieser Arbeit ist es, ein gutes Modell des Sorptionswärmespeichersystems zu erstellen und es mit einer Wärmepumpe zu kombinieren, um ein Basismodell für moderne Simulationsplattformen und eine weitere Leistungsbewertung unter verschiedenen Bedingungen (Gebäude, Klima usw.) bereitzustellen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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A reliable dynamic model of the liquid aqueous sodium hydroxide-based sorption heat storage system, as developed in the SFOE-funded project SI/501605-01, is a prerequisite for its further development. The next steps in technology development are to combine the storage system with a compression heat pump and to implement this combined system in a field demonstrator. The sorption heat storage system allows a partial transfer of the electrical heating load (heat pump) from winter to summer, thus reducing the electrical load in winter. In our project a dynamic simulation white model of the sorption heat storage system will be built and validated against the existing (SI/501605-01) and the secondgeneration laboratory demonstrator (Frauenfeld system). This model will be linked to an existing model of a compression heat pump to evaluate the combined operation. During the charging process, the compression heat pump simultaneously cools the sorption heat storage condenser and heats the desorber (closed loop). The input to the closed system is electric only. In this setting optimal operating temperatures and dynamic operation are evaluated. In the discharge mode, the mechanical heat pump and the sorption heat storage system (sorption heat pump with sorption potential storage tank) are connected in series. In this setting, the sorption heat storage supports the compression heat pump by providing part of the temperature increase (10K to 25K). Depending on the temperature of the heat source (ambient, ground) and the heat sink (building, domestic hot water), an optimal operating condition is expected in terms of sorption heat storage energy density, system size and cost, and electrical load shifting. It is also expected that some operational settings are more favourable than others, for example, reaching hight temperatures for domestic hot water.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Un modèle dynamique fiable de l'accumulateur de chaleur par sorption à base d'hydroxyde de sodium liquide et aqueux, tel qu'il a été développé dans le projet SI/501605-01 financé par l'OFEN, est une condition préalable à son perfectionnement. Les prochaines étapes du développement technologique consistent à combiner le système de stockage avec une pompe à chaleur à compression et à mettre en œuvre ce système combiné dans un démonstrateur de terrain (système de Frauenfeld). Dans notre projet, un modèle de simulation du système de stockage de chaleur par sorption sera créé et validé à l'aide du démonstrateur existant (SI/501605-01) et du démonstrateur de laboratoire de deuxième génération. Ce modèle sera implémenté dans une plateforme de simulation comprenant le bâtiment, la pompe à chaleur, le PV et la batterie domestique afin de déterminer la meilleure pratique d'implémentation et le potentiel d'exploitation en termes de déplacement saisonnier de la charge, de taille du système et de prix. Le système de stockage de chaleur par sorption permet de déplacer partiellement la charge de chauffage électrique (pompe à chaleur) de l'hiver vers l'été, ce qui réduit la charge électrique en hiver. L'objectif de ce travail est de créer un bon modèle du système de stockage de chaleur par sorption et de le combiner avec une pompe à chaleur afin de fournir un modèle de base pour les plateformes de simulation modernes et une évaluation plus poussée des performances dans différentes conditions (bâtiment, climat, etc.).
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines umfassenden Modells eines Sorptionswärmespeichersystems, wie es im Demonstrator des vom SFOE finanzierten Projekts SI/501605-01 veranschaulicht wird. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung eines detaillierten mathematischen Modells zur Analyse von Massen- und Wärmetransportprozessen in diesem System. Der Ansatz dieses Modells ist eindimensional, stationär und gleichgewichtsorientiert und konzentriert sich auf die Prinzipien der Massen- und Energiebilanz. Dieser Ansatz ermöglichte eine segmentierte, eingehende Untersuchung verschiedener Systemkomponenten, darunter der Absorber/Desorber, die Wärmeträgerflüssigkeit (HTF) und die Spiralrohrrippe. Die Hauptergebnisse des Modells werden aus der Anwendung von Massenbilanzgleichungen abgeleitet, um Sorptionsprozesse im Absorber/Desorber zu verfolgen, insbesondere um Veränderungen der Sorptionsmittelmasse zu beobachten. Energiebilanzgleichungen, die zusammen verwendet werden, ermöglichen eine komplexe Analyse der Wärmeübertragungsdynamik und heben die Wechselwirkung zwischen dem Sorptionsmittel, dem HTF und der Spiralrohrrippe hervor. Ein wesentlicher Teil der Studie ist dem Verständnis der Dampfströmungsdynamik gewidmet, insbesondere der Bewegung des Dampfes zum oder vom Absorber/Desorber, einem entscheidenden Faktor bei der Lösung der Bilanzgleichungen. Das Projekt hat Fortschritte beim Verständnis der Rolle der natürlichen Konvektion bei der Dampfaufnahme erzielt. Dies wird durch die Betonung der Bedeutung dimensionsloser Zahlen bei der Charakterisierung von Stoffaustauschprozessen erreicht. Die Validierung des Modells umfasst die Kurvenanpassung für Absorptions- und Desorptionsprozesse, wozu auch die Ableitung von Korrelationen aus experimentellen Daten gehört. Der Schwerpunkt der Studie auf Aspekte des Wärmetransports liegt darauf, ein umfassendes Verständnis für jede Komponente innerhalb der Bilanzgleichungen zu erlangen und die notwendigen Korrelationen für die Berechnung der Wärmeübertragungskoeffizienten zu ermitteln. Parallel zur Entwicklung der mathematischen Beschreibungen wird ein Modell mit der Programmiersprache Modelica erstellt. Zunächst wird ein Medienmodell erstellt, um das Verhalten des Sorptionsmittels (wässrige Natriumhydroxidlösung) nachzuahmen.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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The aim of the project is to develop a comprehensive model of a sorption heat storage system, as exemplified by the demonstrator from the SFOE-funded project SI/501605-01. The focus is on the development of a detailed mathematical model for the analysis of mass and heat transport processes in this system. The approach of this model is one-dimensional, steady-state and equilibrium-based, focusing on mass and energy balance principles. This approach allowed for a segmented, in-depth study of various system components, including the absorber/desorber, the heat transfer fluid (HTF), and the spiral tube fin. The primary results of the model are derived from the application of mass balance equations to track sorption processes in the absorber/desorber, in particular to observe changes in sorbent mass. Energy balance equations, used in tandem, allow for a complex analysis of the heat transfer dynamics, highlighting the interplay between the sorbent, the HTF, and the spiral tube fin. A significant portion of the study is dedicated to understanding the vapor flow dynamics, specifically the movement of the vapor toward or away from the absorber/desorber, a critical factor in solving the balance equations. The project has made progress in understanding the role of natural convection in vapor uptake. This is achieved by emphasizing the importance of dimensionless numbers in characterizing mass transfer processes. Validation of the model includes curve fitting for absorption and desorption processes, which includes deriving correlations from experimental data. The focus of the study on heat transport aspects is to gain a comprehensive understanding of each component within the balance equations and to identify necessary correlations for the calculation of heat transfer coefficients. In parallel with the development of the mathematical descriptions, a model is built using the Modelica programming language. First, a media model is constructed to mimic the behavior of the sorbent (aqueous sodium hydroxide).
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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L'objectif du projet est de développer un modèle complet d'un système de stockage de chaleur par sorption, tel qu'illustré par le démonstrateur du projet SI/501605-01 financé par l'OFEN. L'accent est mis sur le développement d'un modèle mathématique détaillé pour l'analyse des processus de transport de masse et de chaleur dans ce système. L'approche de ce modèle est unidimensionnelle, basée sur l'équilibre et l'état stable, et se concentre sur les principes d'équilibre de la masse et de l'énergie. Cette approche a permis une étude segmentée et approfondie de divers composants du système, notamment l'absorbeur/désorbeur, le fluide caloporteur (HTF) et l'ailette du tube en spirale. Les principaux résultats du modèle proviennent de l'application d'équations d'équilibre de masse pour suivre les processus de sorption dans l'absorbeur/désorbeur, en particulier pour observer les changements de masse de sorbant. Les équations d'équilibre énergétique, utilisées en tandem, permettent une analyse complexe de la dynamique du transfert de chaleur, mettant en évidence l'interaction entre le sorbant, le HTF et l'ailette du tube en spirale. Une partie importante de l'étude est consacrée à la compréhension de la dynamique du flux de vapeur, en particulier le mouvement de la vapeur vers ou loin de l'absorbeur/désorbeur, un facteur critique dans la résolution des équations d'équilibre. Le projet a progressé dans la compréhension du rôle de la convection naturelle dans l'absorption de la vapeur. Pour ce faire, l'accent a été mis sur l'importance des nombres sans dimension dans la caractérisation des processus de transfert de masse. La validation du modèle comprend l'ajustement des courbes pour les processus d'absorption et de désorption, ce qui inclut la dérivation des corrélations à partir des données expérimentales. L'étude des aspects liés au transport de chaleur vise à acquérir une compréhension globale de chaque composante des équations d'équilibre et à identifier les corrélations nécessaires au calcul des coefficients de transfert de chaleur. Parallèlement au développement des descriptions mathématiques, un modèle est construit à l'aide du langage de programmation Modelica. Tout d'abord, un modèle de milieu est construit pour imiter le comportement du sorbant (hydroxyde de sodium aqueux).
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