Rechnerunterstützte Entwicklung von Warmwasser-Wärmespeichern für Solaranlagen

Abstract

Vor dem Hintergrund der Diskussion um eine nachhaltige Energieversorgung kommt der Solarthermie eine wichtige Rolle zu, da sie insbesondere im Bereich der Wärmeversorgung von Gebäuden sehr stark die fossilen Energieträger ersetzen kann. Sie birgt ein hohes Entwicklungspotential, für dessen Erschließung neue Werkzeuge benötigt werden. Eines davon sind numerische Strömungsrechnungen (CFD), die es ermöglichen, das Verhalten neuer oder bestehender Komponenten in solarthermischen Anlagen komplett an Rechnern zu simulieren. Diese Art der Entwicklung ist im Bereich der Solarthermie aufgrund der beträchtlichen Einarbeitungszeit und dem mangelnden Vertrauen in die Richtigkeit der Simulationsergebnisse momentan noch sehr wenig verbreitet. Ziel dieser Arbeit ist es, die Ergebnisse numerischer Strömungssimulationen für die Beladung von solaren Warmwasserspeichern genauer zu betrachten. Dazu wurde eine Anlage zur Untersuchung von Einströmvorgängen in einen Warmwasserspeicher gebaut. Die Untersuchungen fanden mit Hilfe von Temperaturfühlern und den laser-optischen Systemen PIV und LIF statt. Mit dem Softwarepaket Fluent wurden Modelle erstellt und gerechnet, die diese Messungen simulieren sollen. Für die untersuchten Fälle konnten die CFD-Berechnungen die Messergebnisse und Beobachtungen in einer zufriedenstellenden Art wiedergeben, womit validierte Modelle zur Verfügung standen. Aufgrund dieser Simulationen wurden Faktoren und Parameter benannt, die das Rechenergebnis in Bezug auf Qualität und Zeit beeinflussen, auch unter Berücksichtigung auftriebsdominierter Strömungen, wie sie in der Solarthermie oft vorkommen. Besonderes Gewicht wird auf die Berücksichtigung der auftretenden Turbulenz gelegt. Dies geschieht in einem Fall mit Hilfe eines problemangepassten, hochauflösenden Gitters und in den anderen Fällen durch die Verwendung von Zwei-Gleichungsturbulenzmodellen zur Lösung der zeitabhängigen Navier-Stokes-Gleichungen. Mit Änderungen an den validierten Modellen werden Modifikationen an den kommerziellen Schichtbeladeeinrichtungen untersucht, um so zu demonstrieren, welche Möglichkeiten zur Zeit- und Kosteneinsparung die Simulation als Entwicklungswerkzeug bietet.

Against the background of the discussion about a sustainable energy supply, solar thermal energy will play an important role, since - especially for heat supply for buildings - it is capable to substitute fossil energy. Moreover solar thermal technology has a high potential for development, which will require new design tools. One of these is computational fluid dynamics (CFD), which allows simulation of the behaviour of complete new or already existing components of solar thermal systems. This procedure is still quite uncommon in R&D for solar thermal systems due to the relatively long training time and the missing confidence in the obtained CFD-results. It is hence one aim of this work to have a closer look at the results of CFD-simulations for the charging process of solar hot water stores. For this reason a test facility to study the inflow of warm water into a solar store was designed and constructed. The examinations were done with temperature sensors and the laser-optical systems PIV and LIF. Computer models to simulate these measurements were compiled with the help of the software package FLUENT. For all examined cases the CFD-calculations were able to reproduce the measurements and observations, so validated models were gained. Based on these simulations, factors and parameters were described which influence the numerical result with respect to quality and computation time, especially taking into consideration buoyancy dominated flows, which are quite common in solar thermal systems. Consideration of turbulence in the flow is another important point. This is done either with the help of a problem-adapted, high-resolution grid in one case, or in the other cases by using two-equation turbulence models to solve the time dependent Navier-Stokes-Equations. Finally, to demonstrate which potentials to save time and costs are offered by using CFD-simulations as a R&D tool, modifications to the original stratifying systems are examined.