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News | 27.6.2016
Saisonaler Warmwasserspeicher für Gebäude

Speicher können draußen bleiben

Der neu entwickelte StoEx-Pilot-Wärmespeicher wird außen aufgestellt.
© Markus Gerschitzka, ITW/TZS
Der schematische Aufbau zeigt den Pilotspeicher und die eingesetzte Messtechnik am Außenprüfstand für Großspeicher des ITW/TZS an der Universität Stuttgart.
© Markus Gerschitzka, ITW/TZS

Warmwasserspeicher werden in Wohnhäusern meist für die

Trinkwassererwärmung und als Pufferspeicher für die Heizung eingesetzt.

Große Speicher, die solare Wärme über Monate speichern können, nehmen

innerhalb des Gebäudes viel Platz in Anspruch. Forscher verfolgten daher

einen neuen Ansatz: Sie entwarfen einen Warmwasserspeicher, der außen

aufgestellt wird. Dank einer neuartigen Wärmedämmung und speziellen Be-

und Entladeeinrichtungen ist er besonders effizient.

In Deutschland sind solarthermische Anlagen zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung mit solaren Deckungsanteilen von circa 15 bis 30 Prozent inzwischen etabliert. Um einen möglichst hohen solaren Deckungsanteil zu erreichen, sind großvolumige und gleichzeitig preiswerte Warmwasserspeicher erforderlich. Insbesondere dann, wenn der Wärmebedarf weitgehend vollständig solarthermisch gedeckt werden soll. Jedoch ist die Aufstellung von solchen großen Warmwasserspeichern innerhalb eines Wohnhauses auch mit deutlichem Raumverlust und höheren Kosten verbunden.

Um die Wärme – etwa zur Raumheizung – verlustarm über mehrere Monate speichern zu können, entwarfen Wissenschaftler des Forschungs-und Testzentrums (TZS) am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart in Kooperation mit der Firma Sirch Tankbau-Tankservice Speicherbau eine Baureihe von Warmwasserspeichern mit einem Volumen von rund fünf bis 100 Kubikmetern. Die Speicher werden außerhalb des Gebäudes aufgestellt. Die spezifischen Kosten inklusive Wärmedämmung sollen für große Speicher bei rund 750 bis 900 Euro pro Kubikmeter Wasservolumen liegen – beispielsweise bei einem Gesamtvolumen von 60 Kubikmeter.

Effiziente thermische Schichtung

Oberste Priorität ist es, die internen und externen Verluste des Energiespeichers zu reduzieren. Interne Verluste bezeichnen den Verlust an effektiv nutzbarer Wärme durch Vermischung von Wasser unterschiedlicher Temperaturen innerhalb des Speichers. Dann spricht man von Exergie-Verlusten. Damit Wärmeerzeuger, wie Sonnenkollektoren und Wärmepumpen, möglichst effizienten arbeiten, muss beim Beladen des Warmwasserspeichers eine ausgeprägte thermische Schichtung erhalten bleiben, damit diese Wärmeerzeuger auf einem möglichst niedrigen Temperaturniveau betrieben werden können. Hierzu werden sogenannte Schicht-Beladeeinrichtungen eingesetzt.

Die Mischung der Hülle macht´s

Geht Wärme durch die Speicherhülle verloren, spricht man von externen Verlusten. „Um diese Verluste zu vermeiden, setzten wir hocheffiziente Dämmmaterialien und -techniken in Verbindung mit einer transparenten Wärmedämmung ein. Das reduziert die effektive Wärmeleitfähigkeit um cirka den Faktor 5 gegenüber konventionellen Wärmedämmungen von Warmwasserspeichern“, erklärt Dr. Harald Drück, Leiter des TZS. Hierzu untersuchten die Wissenschaftler die transparente Wärmedämmung und die Vakuumdämmung.

Weiterhin konstruierte die Firma Sirch gemeinsam mit den Forschern das Speicherinnere so, dass es besser zugänglich wurde (Abbildung links). „Das lässt sich auch bei doppelwandigen Speicherkonstruktionen mit Vakuumdämmung umsetzen. So kann der Speicher problemlos an geänderte Systemrandbedingungen, wie etwa eine größere Kollektorfläche oder einen anderen Wärmeerzeuger, angepasst werden“, fügt  der wissenschaftliche ITW-Mitarbeiter Markus Gerschitzka hinzu, der das Projekt maßgeblich bearbeitet.

Speicher im Technikumsmaßstab und Pilotspeicher

Nach ersten Laboruntersuchungen entwickelten die Forscher zunächst mehrere kleine Speicher mit einem Volumen von 1,5 Kubikmetern im Technikumsmaßstab. Dabei untersuchten sie, wie sich das Dämmmaterial-Volumen fertigungstechnisch mit schüttfähigen Material befüllt lässt, welches Füllmaterial sich am besten eignet und welches Setzungsverhalten das Material zeigt.
Im nächsten Schritt entwickelten sie einen Pilotspeicher mit einem Volumen von 12 Kubikmetern. Diesen untersuchten sie am ITW messtechnisch mittels eines neu errichteten Außenprüfstands für Großspeicher. Der Pilotspeicher besitzt eine thermische Schichtbelade-Einrichtung, eine transparente Wärmedämmung aus gebogenem Glas und eine Vakuumwärmedämmung mit einem speziellen Füllmaterial. Für die nachträgliche Zugänglichkeit befindet sich ein Mannloch im Boden des Speichers. So kann beispielsweise die installierte Schichtbelade-Einrichtung an geänderte Betriebsbedingungen des Speichers angepasst werden.

Der Außenprüfstand verfügt über eine Vielzahl an Messsensoren. Neben der Temperatur der Umgebungsluft gilt es mögliche Einflüsse durch solare Einstrahlung, Wind und Niederschlag zu erfassen und zu quantifizieren. Zusätzlich wird die Temperatur im Speicher an insgesamt 45 Stellen erfasst, um die thermische Schichtung im Speicher zu ermitteln.

Den Einfluss der transparenten Wärmedämmung bestimmen die Forscher durch Messung der Global- und Diffusstrahlung und des resultierenden inhomogenen Temperaturfelds auf der Oberfläche des Speicheraußenmantels. Gerschitzka führt aus: „Die Versuche sollten zeigen, ob die transparente Wärmedämmung die höheren Wärmeverluste durch die Außenaufstellung des Speichers kompensieren oder sogar überkompensieren kann.“

Standards für die Abnahme

Zusätzlich zur Untersuchung der thermischen Schichtbelade-Einrichtungen werden mit den am Außenprüfstand durchgeführten Prüfungen auch die Grundlagen für ein standardisiertes Abnahmeverfahren für Großspeicher entwickelt. Weitere Untersuchungsaspekte betreffen die Skalierbarkeit von passiven Schichtbelade-Einrichtungen. Durch den direkten Vergleich der Labormessungen und Messungen im Pilotspeicher können die Forscher Rückschlüsse daraus ziehen, inwieweit sich diese Erkenntnisse übertragen und einzelne Größen skalieren lassen.

Speicher weiterentwickeln für Mehrfamilienhäuser und solare Nahwärmesysteme

Damit sich der außen aufgestellte Warmwasserspeicher am Markt behaupten kann, muss sichergestellt sein, dass er lange hält, zuverlässig arbeitet sowie flexibel angewendet und einfach installiert werden kann. Dafür forschen die Wissenschaftler an neuen Behältermaterialien und weiteren innovativen Wärmedämmkonzepten für Warmwasserspeicher, die diesen Anforderungen genügen. Daneben wollen die Forscher den hier vorgestellten StoEx-Warmwasserspeicher weiterentwickeln und prüfen, ob sich derartige Speicher auch für Mehrfamilienhäuser und industrielle Anwendungen bis hin zu kleinen solaren Nahwärmesystemen eignen.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

20. Februar 2017
OTTI: Stationäre Energiespeicher und deren Netzintegration

21. Februar 2017
7. EnergieSpeicherSymposium

8. März 2017
32. Symposium Photovoltaic

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Infobox

Wie stabil ist das Vakuum?

Die Langzeitstabilität des Vakuumdrucks muss gewährleistet sein, da insbesondere große Warmwasserspeicher eine Gebrauchsdauer von bis zu 50 Jahre haben. Auf dem Prüfstand des ITW wird der Vakuumdruck kontinuierlich erfasst. Die effektive Wärmeleitfähigkeit des evakuierten Füllmaterials hängt stark vom Vakuumdruck beziehungsweise der mittleren Temperatur innerhalb der Vakuumwärmedämmung ab. Dies beeinflusst sowohl die effektiven Wärmeverluste des Warmwasserspeichers als auch die Temperaturverteilung im Speicher.