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Ausgewählte Ausgabe: 02-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Einfluss der mittleren Speichertemperatur auf die Effizienz einer Heizungsanlage

Im folgenden Beitrag wird der Zusammenhang zwischen der mittleren Speichertemperatur eines Pufferspeichers und der Effizienz einer Heizungsanlage beschrieben. In den Fokus der Betrachtungen*) wird die Fragestellung gerückt, in wieweit die Effizienz einer Heizungsanlage durch die mittlere Speichertemperatur beeinflusst werden kann und was die möglichen Chancen für alternative Speichertechniken, z. B. die Verwendung von Phasenwechselmaterialien (PCM), sind.


Die folgenden Betrachtungen werden exemplarisch für ein Einfamilienhaus (Altbau (17 000 kWh/a) und Neubau (7 000 kWh/a)) durchgeführt. Weiterhin wird zwischen dem Anwendungskonzept mit Heizkörpern und mit Fußbodenheizung unterschieden und vereinfachend für beide Heiztechniken davon ausgegangen, dass in dem Anlagenkonzept ein sehr gut wärmegedämmter Pufferspeicher integriert ist. Es werden zwei verschiedene Speichergrößen (300 l und 750 l) analysiert. Der Wärmeverlust beträgt ca. 1,1 kWh/d für den 300 l Speicher und 1,5 kWh/d für den 750 l Speicher.
Um eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu erreichen, wird für die verschiedenen Speicherkonzepte von einer gleichen minimalen Speichersolltemperatur Tmin ausgegangen. Diese beträgt für die Fußbodenvariante 30 °C und für die Heizkörper-Variante 40 °C. Insgesamt sollen drei unterschiedliche Speicherbauweisen miteinander verglichen werden. Die erste Speichervariante ist ein reiner Warmwasserspeicher. In der zweiten und dritten Lösung wird der Warmwasserspeicher jeweils zur Hälfte mit PCM gefüllt (Wärmekapazität des PCM: 160 kJ/kg für den Bereich +/- 10 K um den Phasenwechsel). Der Wärmeübergang zwischen dem Wasser und dem PCM ist ideal. Für die Studie wird davon ausgegangen, dass ein passendes PCM mit den gewünschten Materialeigenschaften (Phasenwechseltemperatur) existiert. Dabei wird zum einen ein fiktives Paraffin (Phasenwechselbereich +/-7K) und zum anderen ein Salzhydrat (Phasenwechselbereich +/-5K) untersucht. Die maximale Speichersolltemperatur der unterschiedlichen Speichertypen wurde ermittelt, indem für eine Beladung bei gleichem Massenstrom der gleiche Energieinhalt im Speicher erzielt wurde. Das bedeutet, dass in allen Heizsystemen der Salzhydratspeicher die niedrigste mittlere Speichertemperatur besitzt.
Für die verschiedenen Anlagenkonzepte ergeben sich demnach die in Tabelle 1 stehenden maximalen Speichersolltemperaturen.

Tabelle 1 Zuordnung der maximalen Speichersolltemperaturwerte zu den entsprechenden Speichertypen

Tabelle 1
Zuordnung der maximalen Speichersolltemperaturwerte zu den entsprechenden Speichertypen


Mit diesen Annahmen kann für das Anlagensystem mit Niedertemperaturkessel über den thermischen Nutzungsgrad des Systems und für das Anlagenkonzept mit einer Wärmepumpe analog über die Leistungszahl der Einfluss auf die Effizienz des Anlagensystems bestimmt werden.
Für das Anlagenkonzept mit Niedertemperaturkessel kann der thermische Nutzungsgrad (bei Vernachlässigung der Verluste der Erzeugung) über Gl. (1) bestimmt werden.
Um die zusätzliche Temperaturerhöhung der Speichersolltemperatur, bezogen auf die Werte des Salzhydratspeichers, explizit zu beschreiben, kann die Gl. (1) in Gl. (2) umformuliert werden, in dem diese durch einen Faktor f1,∆T ergänzt wird. Mittels dieses Faktors (siehe Gl. (3)) kann für die verschiedenen Systeme gezeigt werden, inwieweit der Speichertyp, inkl. des Einflusses der Temperaturerhöhung der Sollwerte, einen direkten Einfluss auf den Nutzungsgrad des Systems besitzt.

Bild 1 Ergebnisse der berechneten Reduktionsfaktoren f1,ΔT für die verschiedenen Speichergrößen und Speichermaterialien

Bild 1
Ergebnisse der berechneten Reduktionsfaktoren f1,ΔT für die verschiedenen Speichergrößen und Speichermaterialien

Alle oben berechneten Reduktionsfaktoren f1,∆T erreichen Werte um eins (Ergebnisse siehe Bild 1).

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Autoren

Dr.-Ing.  Corinna Leonhardt

(Jahrgang 1983) war von 2008 bis 2013 als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik der RWTH Aachen tätig und ist im Anschluss daran in die Industrie gewechselt.

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