CFD-Simulationen für einen Wärmespeicher

Von ZAEBayern | am 05.10.2023

Die Geometrie des Kellerraums, in dem der Wärmespeicher für die BHKW- und ORC-Abwärme installiert werden soll, ist gewöhnlich. Für einen thermischen Energiespeicher ist sie jedoch sehr ungewöhnlich. In der Regel sind solche Speicher möglichst hoch und schlank, damit die verschiedenen Temperaturen durch den Dichteunterschied voneinander getrennt über die Höhe eingeschichtet werden können. Im Fall des Winterling-Areals handelt es sich jedoch um einen Raum mit einer 550 m² großen Grundfläche und einer Raumhöhe von nur 2,9 m. Um zu untersuchen, wie sich die geplanten Temperaturniveaus von 82, 60 und 35 °C in den Speicher einbringen lassen, wurden von den beiden Instituten iwe und ZAE Fluidsimulationen durchgeführt. Verwendet wurden die Programme COMSOL Multiphysics und Simcenter STAR-CCM+.

Es ging zum einen darum zu testen, ob sich die Temperaturen über die geringe Höhe gut voneinander trennen lassen. Zum anderen sollte untersucht werden, wie die Be- und Entladeeinrichtungen aussehen müssen und wo sie idealerweise platziert werden sollten. Ziel war es, möglichst wenig Vermischungsverluste zu realisieren. Zu berücksichtigen war, dass es acht Säulen und zwei lange Unterzüge gibt. Diese sind aus statischen Gründen für die große Spannweite des Raums nötig und können für den Speicher nicht entfernt werden.

Durch das große Wasservolumen von 1.240 m³ ergeben sich sehr zeitaufwändige Rechenmodelle, wenn das System in 3D betrachtet werden soll. Daher wurden hauptsächlich 2D-Simulationen durchgeführt und, wo möglich, Symmetrien ausgenutzt. Für die Untersuchungen wurden mehrere Modelle aufgebaut und unterschiedliche virtuelle Schnitte durch den Raum gelegt. So konnten die einzelnen Fragestellungen genau beleuchtet werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass eine Schichtung möglich ist. Als Beladeeinrichtung wurden Tassen ausgewählt, wie sie z. B. in den saisonalen Speichern in Deutschland und den sehr großen Erdbeckenspeichern in Dänemark zum Einsatz kommen. Die Säulen im Raum haben durch die relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten am Auslass der Tassen einen zu vernachlässigenden Einfluss. Da sich jedoch durch die Unterzüge im oberen Bereich des Raums drei getrennte Kammern ergeben, muss zur Entnahme des heißen Wassers in jeder Kammer eine Tasse angebracht werden. Über die Höhe sollen drei oder sogar für eine noch bessere Schichtung vier Tassen installiert werden. Diese dienen sowohl für die Beladung von heißem Wasser von den Erzeugern (BHKW, ORC) als auch für die Entnahme der Heizungs- und Prozesswärme. Die Tassen auf mittlerer Höhe werden für den Vorlauf der Fußbodenheizungen im Gebäude sowie für die Einschichtung des Rücklaufs der Prozesswärme genutzt.