Auslegungsmethodik für Eisspeicheranlagen

Zusammenfassung:

Ziel dieser Arbeit war es eine Auslegungsmethodik für Eisspeicheranlagen zu entwickeln, die auf dimensionslosen Kennzahlen basiert. Es wurde besonders darauf geachtet, dass die Methodik flexibel auf fast alle Auslegungsfälle anwendbar ist. Sie beschränkt sich also nicht nur auf die TGA, sondern deckt nahezu alle Anwendungen mit Kältespeichern ab.

Die Zielgrößen sind die Kältemaschinenleistung und die Eisspeicherkapazität bzw. deren dimensionslosen Größen, das Auslegungsverhältnis r AL und die Volllastentladezeit tVE, die jeweils auf die maximale Kühllast bezogen sind. Außerdem ist es nötig nachzuweisen, dass der Eisspeicher die nötige Entladeleistung erbringt.

Außer den oben genannten dimensionslosen Größen wurden im Laufe der Untersuchungen zwei weitere Größen gefunden. Die Ähnlichkeit α spiegelt die Eigenschaft des Lastprofils wider, das Betriebsverhältnis β beschreibt die betriebstechnischen Umstände.

Zur Überprüfung der Entladeleistung wurde ein Diagramm entwickelt, mit dessen Hilfe es möglich ist, durch Einzeichnen eines Betriebspunktes abzuschätzen, ob es hinsichtlich der Entladeleistung zu Problemen kommen kann. Mit der entwickelten Auslegungsmethodik ist es also möglich alle für die Planung wichtigen Größen, ohne ein Computerprogramm zu berechnen.

Inhaltsverzeichnis:

1 Einleitung 5ff

1.1 Vorteile beim Einsatz von Kältespeichern 6

1.2 Nachteile beim Einsatz von Kältespeichern 6

1.3 Verschiedene Typen von Kältespeichern 7

1.4 Überblick über verschiedenen Speicherarten 8

1.5 Spezifische Speicherkapazität 9

2 Grundlage zur Dimensionierung von Eisspeicheranlagen 10ff

2.1 Grundlegende Gleichungen 11

2.2 Bilanzierung 12

3 Verwendete Formeln und Formelzeichen 13f

3.1 Formelzeichen 13

3.2 Formeln 14

4 Allgemeine Kühllastprofile 15ff

4.1 Rechteck mit Peak 15f

4.2 Beliebiges Kühllastprofil mit ΔtE = Δt B 17

5 Anlagenkonzept der Vollspeicherung 18

6 Entladeleistung 19ff

6.1 Randbedingungen 19

6.2 Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Eis und Wasser 20ff

6.2.1 Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit w im Eisspeicher 20ff

6.2.2 Ermittlung der Nusselt – Zahl für längsumströmte Rohre 24ff

6.3 Dimensionslose Kenngröße für die Entladeleistung 25f

6.4 Spezifische Entladeleistung bei Eisspeichern mit interner Schmelze 27

6.5 Übersicht über die spezifischen Entladeleistungen 28

6.6 Grenzbetrachtung der spezifische Entladeleistung 28

6.7 Bedingung für die Spezifische Entladeleistung 29

6.8 Grenzkurve 30

6.9 Folgerung für die Auslegung 31

6.10 Ermittlung der Entladekurve 32

7 Bezug zur Diplomarbeit von Herrn Peter Hofmann 33ff

7.1 Randbedingungen 33

7.2 Auslegungsverhältnis AL r als Funktion der Gleichmäßigkeit γ 34ff

7.3 Zusammenfassung und Fazit 38

7.4 Volllastentladezeit VE t als Funktion des Zeitverhältnisses τ 39ff

7.5 Zusammenfassung und Fazit 42

8 Erläuterung der Auslegungsmethodik 43

8.1 Ausgangsgrößen 43f

8.2 Auslegung 45

8.3 Berechnung der Kältemaschinenleistung und Eisspeicherkapazität 46

8.4 Überprüfung der Entladeleistung 47

9 Auslegungsschieber 48

10 Auslegungsbeispiele 49ff

11 Spezielle Lastprofile 57ff

11.1 Dreiecksprofil 57ff

11.2 Trapezprofil 60ff

11.3 Rechteckprofil 63ff

11.4 Parabelprofil 65ff

11.5 Sinusprofil 69ff

12 Zusammenfassung und Fazit 72

13 Literaturverzeichnis 73

14 Anhang 74ff

14.1 Berechnungen zum Dreiecksprofil 74ff

14.2 Berechnungen zum Trapezprofil 77ff

14.3 Berechnungen zum Parabelprofil 83ff

14.4 Berechnungen zum Sinusprofil 102ff

14.5 Berechnungen zum Rechteckprofil mit Peak 113ff

15 Formelübersichtsblatt 114

1 Einleitung

In der technischen Gebäudeausrüstung gibt es kaum eine Anwendung, die durch konstante Größen gekennzeichnet ist. Nahezu jeder Prozess unterliegt Schwankungen, die durch unterschiedliche Maßnahmen ausgeregelt werden. Die Kühllast eines Gebäudes stellt solch eine nicht konstante Größe dar. Die Schwankung wird einerseits durch den Arbeits- und Prozessablauf im Gebäude und andererseits durch die nicht konstanten äußeren Lasten, also durch Änderung der Sonneneinstrahlung und der Temperatur hervorgerufen. In der Regel wird die Kühlleistung einer Kältemaschine der Kühllast durch verschiedene Regelungsarten angepasst. Eine weitere Möglichkeit ist die Speicherung von Kälte in bedarfschwachen Zeiten.

Ohne Kältespeicher muss die Kältemaschine auf die größte Kühllastspitze ausgelegt

werden. Ein Kältespeicher wird in den Zeiten, in denen die Kühllast geringer

als die installierte Kälteleistung ist, geladen und in Zeiten hoher Kühllast entladen.

Er unterstützt die Kälteanlage und kann auch ausgeprägte Kühllastspitzen abdecken.

1.1 Vorteile beim Einsatz von Kältespeichern

Da die Kältemaschine die benötigte Kältearbeit eines Zyklus über einen längeren Zeitraum erzeugen kann, verringert sich die nötige Kältemaschinenleistung. Dies führt zu einer ebenfalls kleineren Peripherie, wie Rückkühler oder Schaltschrank. Aufgrund der kleineren Kältemaschine wird eine kleinere Anschlussleistung benötigt und es verringert sich folglich der Anschlusspreis. Da der Kältespeicher einen Teil der Kühllastschwankungen ausgleicht, ist ein Betrieb bei gleich bleibender Last möglich, was dazu führt, dass eine bessere Leistungszahl und ein schonender Betrieb erreicht werden. Es ist ebenfalls möglich den Eisspeicher in Niedrigtarifzeiten zu laden.

1.2 Nachteile beim Einsatz von Kältespeichern

Da zum Laden des Speichers (insbes. eines Eisspeichers) tiefere Temperaturen nötig sind als im normalen Betrieb, verringert sich aufgrund des niedrigeren Verdampferdruck die Kältemaschinenleistung im Ladebetrieb. Da der Speicher meistens nachts geladen wird, wird dies zum Teil durch die meist tieferen Temperaturen und den dadurch niedrigeren Kondensationsdruck ausgeglichen. Der Platzbedarf für eine Kälteanlage mit Eisspeicher ist in der Regel größer als der ohne Eisspeicher.

1.3 Verschiedene Typen von Kältespeichern

Das erste Kriterium nach dem sich Kältespeicher unterscheiden lassen, ist das verwendete Medium für die Speicherung. Das zweite Merkmal ist der verwendete Kälteträger zum Laden bzw. Entladen des Speichers.

Kaltwasserspeicher (sensibel)

Die Aufnahme bzw. Abgabe von Wärme basiert beim Kaltwasserspeicher ausschließlich auf der Erhöhung bzw. Verminderung der Temperatur des Wassers - also rein sensibel. Das Medium mit dem der Speicher geladen und entladen wird ist Wasser.

Eisspeicher (latent)

Beim Eisspeicher wird beim Entladen der größte Teil der Wärme durch den Phasenwechsel von Eis zu Wasser aufgenommen. Beim Laden wird das Wasser wieder eingefroren. Eisspeicher lassen sich zusätzlich nach dem Kälteträger beim Laden bzw. Entladen unterscheiden.

Eiskugelsystem

Beim Eiskugelsystem wird Wasser, welches sich in Kunststoffkugeln befinde, eingefroren bzw. beim Entladen wieder aufgetaut. Diese Kugeln schwimmen in Sole, welche auch Kälteträger beim Laden und Entladen ist.

Eisbanksystem

Beim Eisbanksystem ist ein mit Wasser gefüllter Behälter mit Rohren durchzogen, die mit Sole durchströmt werden. Diese Sole ist Kälteträger beim Laden und beim Entladen. Der Eisanbau erfolgt definiert um die Rohre.

Eisbauersystem

Beim Eisbauersystem erfolgt die Ladung ebenfalls über eine Sole, die durch Rohre strömt. Nach dem Laden verbleibt ein Rest flüssiges Wasser im Speicher. Der Speicher wird danach über dieses Wasser entladen. [...]