Entwicklung eines numerischen Modells eines PCM-Speichers für die Anwendung in Wärmepumpensystemen
Creators: name: Meister, Martin
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2019
Subjects: Wärmespeicher
Phasenwechselspeicher
PCM-Speicher
Latentwärmespeicher
620: Ingenieurwesen

description: Zur Energiewende werden Energiespeicher benötigt, um die Energie nach Bedarf nutzen zu können. Beim Einsatz von Wärmepumpen kommen thermische Speicher, sowohl auf der Primär-als auch auf der Sekundärseite, infrage. In dieser Arbeit wird die Optimierung eines Speichers auf der Primärseite als Wärmequelle für die Wärmepumpe untersucht. Solche Speicher müssen viel Wärme im Temperaturbereich von 0 bis 20 °C speichern können, damit die Wärmepumpe bei hohen Leistungszahlen betrieben werden kann. Dafür eignen sich Speicher mit Phasenwechselmaterialien (PCM; engl. phase change material), sogenannte PCM-Speicher. In diesem Temperaturbereich kann in einem PCM-Speicher ca. 70 % mehr Wärme als in einem gleich grossen sensiblen Speicher gespeichert werden. PCM-Speicher weisen jedoch eine geringere Lade- und Entladeleistung als sensible Speicher auf, wodurch die höhere Wärmekapazität von PCM-Speichern bei ungünstiger Auslegung nicht genutzt wird.
Um die zusätzliche Wärmekapazität von PCM-Speichern zu nutzen, muss der PCM-Speicher abhängig von verschiedenen Einflüssen ausgelegt werden. Dafür muss das Speicherverhalten von PCM-Speichern sowie die Einflüsse der Parameter verstanden werden. Für dieses Verständnis wurde in dieser Arbeit ein Simulationsmodell eines PCM-Speichers mit kugelförmig verkapseltem Phasenwechselmaterial entwickelt. Beim untersuchten PCM-Speicher erfolgt der Wärmeübergang zwischen PCM und Wärmetransportfluid (HTF; engl. heat transport fluid) durch die Umströmung der PCM-Kugeln.
Die Simulationen bestätigten grundsätzlich das aus der Literatur bekannte Verhalten. Der Wärmeübergang zwischen PCM und HTF steigt mit höherer Wärmeleitfähigkeit des PCMs degressiv, bei kleineren PCM-Radien progressiv und bei steigender Durchflussgeschwindigkeit im Speicher proportional. Ein grösserer Wärmeübergang verbessert das Lade- und Entladeverhalten in jedem Fall. Bei einer zu hohen Wärmekapazität kann der Speicher nicht vollständig geladen werden, wodurch im Speicher tiefere Temperaturen vorliegen und die Leistungsentnahme gesenkt wird. Über die Fülldichte kann definiert werden, wie viel Wärme bei hoher Leistung entnommen werden kann. Bei tiefer Fülldichte kann mehr Wärme bei hoher Leistung entnommen werden als bei hoher Fülldichte. Auch die gewählten Temperaturbereiche beeinflussten das Speicherverhalten. Bei tiefen Schmelztemperaturen des PCMs, kann der PCM-Speicher schneller geladen, aber dafür langsamer entladen werden.
Zur Entscheidung in welchen Wärmesystemen welche PCM-Parameter zu bevorzugen sind, sollte das Wärmesystem über ein Jahr simuliert werden.
description: Abstract:
Energy storage systems allow to use renewable energy whenever needed. In heat pump systems thermal storage can be used on both, the primary and secondary, sides. In this paper, the optimization of a storage tank on the primary side is researched as a heat source for the heat pump. Such storages need a high heat capacity in temperature ranges from 0 to 20 °C in order to operate at a high coefficient of performance (COP). Suitable for this purpose are storages with phase change materials (PCM), so-called PCM-storage. In this temperature range, approx. 70 % more heat can be stored in a PCM-storage than in a sensitive storage of the same size. However, PCM-storages have a lower charging and discharging capacity than sensitive storages, therefore the higher heat capacity of the PCM-storage is not used if the design is inappropriate.
The PCM-storage must be designed depending on various influences, in order to use the additional heat capacity of it. For this reason, the storage behaviour of PCM-storages and the influences of the parameters must be understood. In this thesis, a simulation model of a PCMstorage with spherically encapsulated phase change material was developed. In the researched PCM-storage, the heat transfer between PCM and heat transport fluid (HTF) occurs through the flow around the PCM spheres.
The simulations basically confirmed the behaviour known from the literature. The heat exchange between PCM and HTF increases degressively with higher thermal conductivity of the PCM, progressively with smaller PCM radii and proportionally with increasing flow velocity in the storage tank. The increase in heat transfer improves the storage behaviour. If the heat capacity is too high, the storage tank cannot be fully charged, resulting in lower temperatures in the storage. Due to the lower temperatures in the storage, the power consumption is reduced. The filling density can be used to define how much heat can be extracted at high output. More heat can be extracted at high power and at low filling density than at high filling density. The selected temperature ranges also influenced the storage behaviour. At low melting temperatures of the PCM, the PCM-storage can be charged faster, but discharged slower.
The heating system should be simulated over a one-year period, in order to decide, which parameters are to be preferred with it.