HP-BIG - Senkung des Wärmepreises bei solarthermischen Grossanlagen mit Heatpipe-Vakuumröhrenkollektoren. Dimensionierungs- und Simulationsprogramm

Abstract

Unter der Leitung des Instituts für Solarenergieforschung ISFH und in Kooperation mit dem Institut Nachhaltigkeit und Energie am Bau INEB und den Industriepartnern AKOTEC GmbH und Narva GmbH wurde das Forschungsprojekt «HP-BIG: Senkung des Wärmepreises bei solarthermischen Grossanlagen mit Heatpipe-Vakuumröhrenkollektoren» durchgeführt. Im Rahmen des Arbeitspaketes Thermohydraulik wurden am INEB Modelle für die stationäre und transiente Rohrnetzanalyse von solarthermischen Grossanlagen mit Heatpipe-Vakuumröhrenkollektoren erarbeitet. Ausserdem wurde das Rechenprogramm HP-BIG in Visual Basic for Applications (VBA) unter Excel entwickelt. Dieses basiert auf den erarbeiteten Modellen und besitzt Eingabemöglichkeiten zur Modellierung des Kollektorfeldes, des Solarkreises und der drehzahlgeregelten Pumpe sowie zur Definition von Anfangs- und Randbedingungen. Anhand der Übereinstimmung der stationären Rechnung mit dem stationären Grenzfall der transienten Simulation wurde die korrekte Implementierung beider Methoden nachgewiesen. Es können Kollektorfelder mit mehreren Modulreihen und abgestuften Verteil- und Sammelleitungen modelliert werden. Das Kollektorfeld kann einseitig oder nach Tichelmann angeschlossen sein. Die Anwendung des Programms wurde anhand von zwei Beispielen demonstriert. Die optimalen Leitungsdimensionen und der geeignete Pumpentyp können mit Hilfe der stationären Methode bestimmt werden. Nach Modellierung der Pumpe kann die transiente Simulation ausgeführt werden. Resultate werden für vorgebbare Knoten, Rohrelemente und Module ausgegeben und grafisch dargestellt. Die Simulation dient zur Bestimmung der hydraulischen und thermischen Zeitkonstanten, die zur Festlegung der Regelparameter dienen. Sie zeigt aber auch zwei Effekte, die durch stationäre Rechnung nicht erfasst werden können. • Aufgrund der Massenträgheit und des Druckverlustes fällt der Druck an gewissen Stellen des Kreislaufs unter den Referenzdruck der Druckhaltung. Um Unterdrucksituationen zu vermeiden, muss der üblicherweise vorgesehene Referenzdruck gemäss VDI 4708-1 (2012) um das Maximum dieses Druckabfalls erhöht werden. • Nach dem Pumpenstart kann die Temperatur des letzten Moduls einer Reihe während einigen Minuten die Temperatur des stationären Betriebs weit übersteigen. Der zeitliche Verlauf und das Maximum der Temperatur sind von der Anzahl Module pro Reihe, vom Massenstrom und von den Randbedingungen abhängig. Dieser Effekt muss bei der Konzeption des Reglers berücksichtigt werden. Ausserdem muss der Referenzdruck der Druckhaltung so festgelegt werden, dass Dampfbildung bei der zu erwartenden Maximaltemperatur vermieden wird.