Kältespeicher: Grundlagen, Technik, Anwendung
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| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Thesis Book |
| Language: | German |
| Published: |
München
Oldenbourg
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XXVII, 473 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783486707762 |
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IMAGE 1
INHALTSVERZEICHNIS
SYMBOLVERZEICHNIS X V
1 E I N L E I T U N G 1
1.1 MOTIVATION UND AUSRICHTUNG 1
1.2 KONZEPT 1
1 G R U N D L A G E N 3
2 K AE L T E V E R S O R G U N G 5
2.1 EINORDNUNG, BEGRIFFE, DEFINITIONEN 5
2.2 VERBRAUCHER 6
2.2.1 ANWENDUNGSGEBIETE 6
2.2.2 BEDARF 8
2.2.3 RAUMKUEHLUNG, KLIMATISIERUNG 8
2.2.4 KUEHLUNG TECHNISCHER PROZESSE 9
2.3 KAELTEMASCHINEN 10
2.3.1 UEBERSICHT 10
2.3.2 THERMODYNAMISCHE ASPEKTE 11
2.3.3 KOMPRESSIONSKAELTEMASCHINEN 14
2.3.3.1 FUNKTION UND AUFBAU 14
2.3.3.2 VERDICHTER 17
2.3.3.3 KAELTEMITTEL 21
2.3.3.4 VERFLUESSIGER 22
2.3.3.5 VERDAMPFER 26
2.3.4 ABSORPTIONSKAELTEMASCHINEN 27
2.3.4.1 UEBERSICHT 27
2.3.4.2 EINSTUFIGE H^O-LIBR-ABSORPTIONSKAELTEMASCHINEN . . . . 28 2.3.4.3
BETRIEBSVERHALTEN 33
2.3.4.4 VERGLEICHENDE BETRACHTUNG 35
2.3.5 ADSORPTIONSKAELTEMASCHINEN 37
2.3.5.1 AUFBAU UND FUNKTION 37
2.3.5.2 BETRIEB, EINSATZ, VERGLEICH 40
2.3.6 DAMPFSTRAHLKAELTEMASCHINEN 42
2.3.6.1 PRINZIP DER VERDICHTUNG 42
2.3.6.2 ANLAGENAUFBAU UND -FUNKTION, BETRIEB 45
2.3.6.3 EINSATZ 47
2.3.7 RUECKKUEHLTECHNIK 47
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IMAGE 2
VIII INHALTSVERZEICHNIS
2.3.7.1 PRINZIP * 48
2.3.7.2 TROCKENKUEHLTURM 49
2.3.7.3 NASSKUEHLTURM 49
2.3.7.4 HYBRIDKUEHLTURM 52
2.3.7.5 EINSATZ VON WASSER IN OFFENEN KREISLAEUFEN 53
2.3.7.6 SYSTEMEINBINDUNG, AUFSTELLUNG 54
2.3.7.7 AUSLEGUNG 55
2.3.7.8 SONDERVERFAHREN . 55
2.3.8 BAUARTEN, TYPEN, EINSATZ 57
2.3.8.1 LUFTKUEHLUNG 57
2.3.8.2 WASSERKUEHLUNG 58
2.4 KAELTEQUELLEN 60
2.4.1 ATMOSPHAERE 60
2.4.1.1 DIREKTE NUTZUNG UND SPEICHERBELADUNG 61
2.4.1.2 KUENSTLICHE HERSTELLUNG VON SCHNEE 62
2.4.2 ERDREICH 63
2.4.2.1 OBERFLAECHENNAHE GEOTHERMIE 63
2.4.2.2 TIEFENGEOTHERMIE . . . 64
2.4.3 GEWAESSER 64
2.4.3.1 NUTZUNG DES WASSERS 64
2.4.3.2 EISABBAU 65
2.4.4 TECHNISCHE PROZESSE 66
2.4.4.1 SONDERVERFAHREN '. 68
2.5 KALTWASSERSYSTEME 68
2.5.1 ZENTRALE ERZEUGUNG 69
2.5.2 NETZE " 70
2.5.2.1 STRUKTUR, AUFBAU 70
2.5.2.2 AUSLEGUNG 73
2.5.2.3 UEBERGABESTATIONEN 76
2.5.2.4 BETRIEBSVERHALTEN 78
2.5.3 LEITTECHNIK . 84
2.5.4 RECHTLICHE ASPEKTE 91
3 V O R G E L A G E R T E E N E R G I E V E R S O R G U N G 9 3
3.1 ENERGIEQUELLEN 93
3.2 ELEKTROENERGIE 94
3.3 WAERME 99
3.4 FAZIT 104
4 T H E R M I S C H E E N E R G I E S P E I C H E R 1 0 9
4.1 ALLGEMEINES 109
4.2 DEFINITIONEN 110
4.3 SYSTEMATISIERUNG 119
4.3.1 GRUNDLEGENDE SPEICHERFUNKTIONEN 119
4.3.2 NUTZUNG VON EFFEKTEN 121
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS IX
4.3.2.1 TEMPERATURAENDERUNG 121
4.3.2.2 PHASENWECHSEL 123
4.3.2.3 SORPTION 124
4.3.2.4 CHEMISCHE REAKTION 126
4.3.3 EINFLUSS VON GROESSE UND FORM . . . 126
4.3.4 ZU- UND ABFLUSS BEI DIREKTER BE- UND ENTLADUNG 128
4.3.4.1 VERDRAENGUNGSSPEICHER 128
4.3.4.2 UMLADESPEICHER 130
4.3.5 HYDRAULISCHE EINBINDUNG UND POSITION DES SPEICHERS IM SYSTEM . 131
4.4 EIGENSCHAFTEN UND ANFORDERUNGEN 132
4.4.1 MERKMALE, VORTEILE, EINSATZMOEGLICHKEITEN 132
4.4.2 LIMITIERENDE FAKTOREN 135
4.4.3 AUSWAHLKRITERIEN 135
4.4.4 ANFORDERUNG VON HERSTELLERN 136
4.5 EINSATZGEBIETE BEI DER WAERMESPEICHERUNG 136
II K AE L T E S P E I C H E R U N G 1 4 1
5 S P E I C H E R S T O F F E 1 4 3
5.1 MEHRSTOFFSYSTEME 143
5.1.1 VOLUMETRISCHE EFFEKTIVWERTE FUER STOFFSYSTEME 143
5.1.2 WAERMELEITFAEHIGKEIT 143
5.1.3 INNERE OBERFLAECHE 144
5.1.4 PERMEABILITAET UND EFFEKTIVER DRUCKVERLUST 144
5.2 DIREKTE SPEICHERUNG MIT UND OHNE PHASENWECHSEL 145
5.2.1 SPEICHER OHNE LATENTE EFFEKTE 145
5.2.2 SPEICHER MIT LATENTEN EFFEKTEN 148
5.2.3 DISKUSSION 149
5.3 FLUESSIGKEITEN UND FESTSTOFFE 149
5.3.1 KAELTETRAEGER 150
5.3.1.1 WASSER 150
5.3.1.2 WASSER-GEMISCHE 151
5.3.2 KONSTRUKTIONSWERK- UND BAUSTOFFE 156
5.4 PHASENWECHSELSTOFFE 158
5.4.1 ERSTARRUNGS- UND SCHMELZVERHALTEN 158
5.4.1.1 UNTERKUEHLUNG UND KRISTALLISATION 158
5.4.1.2 SYSTEM MIT EINER KOMPONENTE 160
5.4.1.3 SYSTEM MIT MEHREREN KOMPONENTEN 161
5.4.1.4 PHASENTRENNUNG 162
5.4.2 WASSEREIS 162
5.4.3 SCHNEE 163
5.4.4 EISBREI 165
5.4.5 PARAFFINE UND -GEMISCHE 165
5.4.6 SALZHYDRATE UND -GEMISCHE 167
IMAGE 4
X
INHAL TSVERZEICHNIS
5.4.7 MEHRWERTIGE ALKOHOLE 169
5.4.8 FETTSAEUREN 169
5.4.9 BESONDERHEITEN 171
5.4.10 VERARBEITUNG VON PCMS 172
5.4.10.1 VERKAPSELUNG * 173
5.4.10.2 EINLAGERUNG 175
5.4.10.3 VERBESSERUNG DES INNEREN WAERMEUEBERGANGS 177
5.4.10.4 VERMEIDUNG VON UNTERKUEHLUNG 178
5.4.10.5 MISCHUNG VERSCHIEDENER PCMS 179
5.4.10.6 DIREKTER KONTAKT MIT WAERME- UND KAELTETRAEGER 180
5.4.10.7 FLUIDE STOFFSYSTEME MIT PHASENWECHSELSTOFFEN 182 5.4.11
KAELTEMISCHUNGEN 186
5.4.12 BEISPIELE 186
5.4.12.1 PARAFFIN-KUEHLENERGIESPEICHER MIT INNEN LIEGENDEM WAER
MEUEBERTRAGER 188
5.4.12.2 SPEICHER MIT MAKROVERKAPSELTEN PCMS 189
5.5 SORPTIVE STOFFSYSTEME 190
5.5.1 FESTE SORBENZIEN * 191
5.5.1.1 ZEOLITHE 191
5.5.1.2 SILIKAGEL 192
5.5.2 PHYSISORPTION VON WASSER 193
5.5.3 INDIREKTE SPEICHERUNG MIT ADSORPTION . 195
5.5.4 SPEICHER MIT ZEOLITHEN 1 198
6 S Y S T E M A S P E K T E 2 0 1
' 6.1 BEWERTUNGSGROESSEN FUER ERZEUGER, SPEICHER UND LASTEN . 201
6.2 EINTEILUNG VON LEISTUNGS- UND LASTBEREICHEN 203
6.3 KURZZEIT-SPEICHER-EINSATZ 203
6.3.1 BETRIEBSSTRATEGIEN 204
6.3.2 BETRIEBSWEISEN 205
6.3.3 AUSWIRKUNGEN 205
6.3.4 BETRACHTUNG ZU ENGPAESSEN 208
6.3.5 LASTPROGNOSE UND ANPASSUNG DER BELADUNG 210
6.4 LANGZEIT-SPEICHER-EINSATZ 212
6.4.1 GRUNDLEGENDE MERKMALE 212
6.4.2 KOMBINIERTE KAELTE- UND WAERMESPEICHERUNG 213
6.5 ENTWURF, UNTERSUCHUNG, PLANUNG GROSSER SYSTEME 214
6.5.1 VORGEHEN 214
6.5.2 ANFORDERUNGEN, RANDBEDINGUNGEN 215
6.5.3 LASTBESTIMMUNG 216
6.5.4 ANLAGENSIMULATION 217
7 K A L T W A S S E R S P E I C H E R 2 1 9
7.1 ANFORDERUNGEN 219
7.1.1 FUNKTION 219
IMAGE 5
INHALTSVERZEICHNIS XI
7.1.2 KONSTRUKTION 220
7.1.3 BETRIEB 220
7.1.4 ALLGEMEIN 220
7.2 KONSTRUKTIVE ASPEKTE 222
7.2.1 WAERMEDAEMMUNG * 222
7.2.2 ABDICHTUNG 224
7.2.2.1 FLAECHEN 225
7.2.2.2 FUGEN * - . . . 227
7.2.3 EINSATZ VON WASSER-GEMISCHEN 228
7.3 TANKSPEICHER . . . . . ' 228
7.3.1 EINORDNUNG 228
7.3.2 STAHL-TANKSPEICHER 229
7.3.2.1 ALLGEMEINES 229
7.3.2.2 DRUCKBEHAELTER 230
7.3.2.3 FLACHBODENTANK 231
7.3.2.4 WANDAUFBAU . 234
7.3.2.5 BODENAUFBAU 236
7.3.2.6 DACHBEREICH 237
7.3.2.7 INNERES TRAGWERK 242
7.3.3 GFK-TANKSPEICHER 244
7.3.3.1 WERKSTOFFE, WANDAUFBAU 244
7.3.3.2 SPEICHER IN SEGMENTBAUWEISE 245
7.3.4 BETON-TANKSPEICHER 247
7.3.4.1 WERKSTOFFE 247
7.3.4.2 KONSTRUKTION UND TECHNOLOGIE 248
7.4 BECKENSPEICHER * * 252
7.4.1 KONSTRUKTION UND BAUTECHNIK 252
7.5 DIREKTE BE- UND ENTLADUNG 256
7.5.1 PRINZIPIEN 256
7.5.1.1 VERDRAENGUNGS- UND UMLADESPEICHER 256
7.5.1.2 STROMFUEHRUNG 257
7.5.1.3 TRENNUNG DER ZONEN 257
7.5.1.4 SPEICHERGESTALTUNG 258
7.5.2 SCHICHTUNGSBETRIEB * 259
7.5.2.1 SCHICHTENMODELLANSATZ UND KENNGROESSEN 260
7.5.2.2 LADEZUSTAND 261
7.5.2.3 TEMPERATURGRADIENT 262
7.5.2.4 HOEHE DER UEBERGANGSZONE 262
7.5.2.5 BESTIMMUNG DER TEMPERATURVERTEILUNG 263
7.5.2.6 MITTLERE TEMPERATUR IN DER KALTEN ZONE 265
7.5.3 BE- UND ENTLADEEINRICHTUNG 265
7.5.3.1 DIFFUSOREN 266
7.5.3.2 ANORDNUNG UND VERROHRUNG 269
7.6 SYSTEMINTEGRATION 272
7.6.1 SCHALTUNGEN 272
IMAGE 6
XII INHALTSVERZEICHNIS
7.6.1.1 SPEICHER OHNE DRUCKENTKOPPLUNG 273
7.6.1.2 SPEICHER MIT DRUCKERHOEHUNG UND -MINDERUNG 274
7.6.1.3 SPEICHER MIT WAERMEUEBERTRAGERN 275
7.6.2 BETRIEB 276
7.6.2.1 UBERGABE VON MESSWERTEN . 276
7.6.2.2 ANSAETZE AUF BASIS DER VOLUMENSTROEME 277
8 EIS- U N D S C H N E E S P E I C H E R 2 8 1
8.1 HERSTELLUNG UND TRANSPORT VON EIS 281
8.1.1 BLOCKEIS 282
8.1.2 ROEHRENEIS 283
8.1.3 PLATTENEIS 284
8.1.4 SCHERBEN- UND SCHUPPENEIS 285
8.1.5 EISBREI 286
8.1.6 TRANSPORT VON KLEINEN EISSTUECKEN 290
8.1.7 LAGERUNG VON KLEINSTUECKIGEM EIS 290
8.2 SPEICHERUNG UND ANWENDUNG VON KUENSTLICHEM EIS 291
8.2.1 SYSTEMATISIERUNG 291
8.2.2 SYSTEME MIT INNENLIEGENDEM WAERMEUEBERTRAGER 292
8.2.2.1 EXTERNE SCHMELZE 295
8.2.2.2 INTERNE SCHMELZE 296
8.2.2.3 HYBRIDE KONZEPTE 300
8.2.3 SYSTEME MIT EISERNTEMASCHINEN 300
8.2.4 SYSTEME MIT GEKAPSELTEM EIS 306
8.2.5 SYSTEME MIT EISBREI 310
8.3 NUTZUNG VON NATUERLICHEM UND KUENSTLICHEM SCHNEE 315
8.3.1 HISTORISCHE ENTWICKLUNG 315
8.3.2 MOTIVATION UND VORAUSSETZUNGEN 315
8.3.3 AUFBAU UND FUNKTION 315
8.3.4 BEISPIELE 317
8.3.4.1 BECKENSPEICHER IN SUNDSVALL (SCHWEDEN) 317
8.3.4.2 SCHNEEANWENDUNGEN IN JAPAN 318
8.3.4.3 SCHNEEENTSORGUNG FLUGHAFEN ARLANDA (SCHWEDEN) . . . 319
9 S P E I C H E R I M U N T E R G R U N D 3 2 1
9.1 THERMISCHE NUTZUNG DES UNTERGRUNDES 321
9.1.1 MOTIVATION UND KONZEPT 321
9.1.2 RECHTLICHE ASPEKTE 322
9.2 AQUIFERSPEICHER 324
9.2.1 BEGRIFFE 324
9.2.2 AUFBAU UND FUNKTION 324
9.2.2.1 PRINZIP, EINORDNUNG, STANDORTE 324
9.2.2.2 SCHALTUNGEN, ANORDNUNGEN 326
9.2.2.3 SPEZIELLE ANFORDERUNGEN 329
9.2.3 GRUNDWASSERSTROEMUNG 330
IMAGE 7
INHALTSVERZEICHNIS XIII
9.2.4 STAND DER TECHNIK 332
9.3 ERDSONDENSPEICHER 333
9.3.1 AUFBAU VON VERTIKALEN ERDSONDEN, TECHNOLOGIE 334
9.3.2 THERMAL RESPONSE TEST 336
9.3.3 SONDENFELDER, SPEICHER 342
9.3.3.1 AUFBAU, FUNKTION, INTEGRATION 342
9.3.3.2 EINORDNUNG 342
9.4 KAVERNENSPEICHER . 343
9.4.1 BEGRIFFE UND EINORDNUNG . 1 343
9.4.2 AUFBAU UND FUNKTION 344
9.4.3 BEISPIEL 344
9.5 FUNDAMENTSPEICHER 344
9.5.1 AUFBAU UND FUNKTION 344
9.5.2 BEISPIEL 346
9.6 HYBRIDE KONZEPTE 347
9.6.1 KOPPLUNG VON SPEICHERN 347
9.6.2 HYBRIDER SPEICHERAUFBAU 348
QUELLENVERZEICHNIS 3 5 1
A K A L T W A S S E R S P E I C H E R - B E I S P I E L P R O J E K T 3
7 5
A.L EINLEITUNG 375
A.2 FERNKAELTE IN CHEMNITZ 375
A.2.1 BESTANDSSYSTEM (1993-2006) 375
A.2.2 SPEICHERNACHRUESTUNG (2007) 376
A.2.3 ENERGIEWIRTSCHAFT UND BETRIEB 376
A.3 KALTWASSERSPEICHER 378
B B E R E C H N U N G V O N N A H - U N D F E R N K AE L T E S Y S T E M
E N M I T U N D O H N E S P E I C H E R 3 8 1 B.L BILANZIERUNG 382
B.2 LEISTUNGEN UND LASTEN 384
B.3 VERBRAUCH 385
B.3.1 GRUNDLEGENDE ASPEKTE ZUR ANWENDUNG VON KENNZAHLEN 385 B.3.2
KAELTEMASCHINEN 386
B.3.3 HILFSENERGIE UND -STOFFE 387
B.3.4 BERECHNUNGSANSATZ 389
B.4 KOSTENBERECHNUNG 390
B.4.1 JAHRES-GESAMTKOSTEN 390
B.4.2 KAPITALKOSTEN 390
B.4.3 VERBRAUCHSGEBUNDENE KOSTEN 391
B.4.4 BETRIEBSGEBUNDENE KOSTEN 392
B.4.5 SONSTIGE KOSTEN 392
B.4.6 BEMERKUNGEN 392
B.5 SPEICHERERRICHTUNGSKOSTEN 393
IMAGE 8
XIV
INHALTSVERZEICHNIS
C A N L A G E N S I M U L A T I O N U N D B E R E C H N U N G E N FUER D
E N E I N S A T Z V O N K A L T W A S S E R S P E I C H E R N 3 9 7
C . L RANDBEDINGUNGEN 397
C.2 ANLAGENSIMULATION 399
C.3 UBERGEORDNETE BERECHNUNGEN 403
C.4 ERGEBNISSE UND AUSWERTUNG 406
D T R N S Y S - M O D E L L F UE R O B E R I R D I S C H E K A L T W A S
S E R S P E I C H E R 4 1 7
D . L EINLEITUNG, MOTIVATION 417
D.2 MODELLIERUNG 417
D.3 IMPLEMENTIERUNG UND NUMERISCHE LOESUNG 420
D.4 VALIDIERUNG UND DISKUSSION 424
E R A D I A L E DIFFUSOREN 4 2 7
E . L STROEMUNG IM DIFFUSOR 427
E . L . L GRUNDLAGEN 427
E.L.2 UNTERSUCHUNGSOBJEKT 428
E.1.3 VERTEILUNG DES VOLUMENSTROMS 428
E.1.4 AUSLEGUNG 429
E.1.5 UNTERSUCHUNGEN FUER IDEALE RANDBEDINGUNGEN 431
E.L.6 UNTERSUCHUNGEN FUER REALE RANDBEDINGUNGEN 433
E.1.7 SCHLUSSBEMERKUNGEN 435
E.2 SCHICHTUNGSAUFBAU IM NAHFELD 435
E.2.1 BEDEUTUNG UND VORARBEITEN 436
E.2.2 STROEMUNGSMECHANISCHE BESCHREIBUNG 438
E.2.3 MODELLIERUNG 439
E.2.4 AUFBAU DER SCHICHTUNG 441
E.2.5 BEWERTUNG DER THERMISCHEN SCHICHTUNG 443
E.2.6 VARIATION DES VOLUMENSTROMS 444
E.2.7 AENDERUNG DES WANDABSTANDS 447
E.2.8 SCHLUSSBEMERKUNGEN 454
E.3 DICHTEINVERSION 455
F B E T R I E B V O N K A L T W A S S E R S P E I C H E R N 4 5 7
F . L SOMMERBETRIEB 457
F. 1.1 BETRIEBSWEISE 457
F. 1.2 RANDBEDINGUNGEN 457
F. 1.3 SCHICHTUNGSVERHALTEN 458
F.2 WINTERBETRIEB 458
F. 2.1 BETRIEBSWEISE 458
F. 2.2 RANDBEDINGUNGEN 461
F.2.3 SCHICHTUNGSVERHALTEN 462
F.3 ZUSAMMENFASSUNG 463
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