Sind Sie schon einmal unter die Dusche in einem Hotel getreten und haben sich gefragt, ob das Warmwasser nachhaltig und so effizient wie möglich erzeugt wird?
Für Gebäudeeigentümer und Anlagenplaner gewinnt diese Frage zunehmend an Bedeutung. Warmwassersysteme lassen sich nicht ohne Weiteres dekarbonisieren, da sie relativ hohe Wassertemperaturen erfordern. Eine CO₂-Wärmepumpe ist eine der nachhaltigen Lösungen, die zur Bewältigung dieser Herausforderung zur Verfügung stehen.
Diese Wärmepumpen erreichen ihre höchste Leistung, wenn der Temperaturunterschied im Speicher groß ist. Dies erfordert eine sorgfältige Optimierung des Warmwasserspeichersystems unter Berücksichtigung sowohl des Warmwasserbedarfs als auch der Wärmeerzeugung, wobei der Nutzerkomfort stets oberste Priorität haben muss. Beschwerden über kaltes oder lauwarmes Duschwasser sind schlichtweg inakzeptabel.
Die Herausforderung, einen Speicher mit optimaler Leistung zu konzipieren, ist daher entscheidend für die Realisierung eines nachhaltigen und zuverlässigen Warmwassersystems.
Um diese Herausforderungen besser zu verstehen, untersuchten , Alklima und Femto Engineering mithilfe von computational fluid dynamics (CFD) Simulationen (Computational Fluid Dynamics), wie sich ein CO₂-Wärmepumpen-Puffersystem im realistischen Alltagsbetrieb verhält.
“Die Zusammenarbeit mit Femto Engineering war eine sehr positive Erfahrung. Das Team hat nicht nur fundiertes Fachwissen im Bereich der CFD-Simulation unter Beweis gestellt, sondern auch ein tiefes Verständnis für die technischen und physikalischen Herausforderungen unseres Projekts entwickelt. Durch ihre proaktive Herangehensweise und ihre wertvollen Erkenntnisse konnten wir das Design optimieren, was maßgeblich zum erfolgreichen Endergebnis beigetragen hat.“
– Martijn van Leerdam, Coördinator Product Management, Alklima –
Zuverlässiges Warmwasser ist etwas, das die meisten Menschen einfach als selbstverständlich ansehen – sei es in Hotels, Mehrfamilienhäusern oder Sportanlagen. Hinter diesem Komfort verbirgt sich ein komplexes System. Da Gebäude zunehmend nachhaltigere Technologien wie CO₂-Wärmepumpen einsetzen, ist es unerlässlich, auch in Spitzenlastzeiten eine ausreichende Warmwasserversorgung sicherzustellen. Gleichzeitig wird die Erzeugung dieses Warmwassers mit maximaler Effizienz zu einer immer größeren technischen Herausforderung.
Alklima, der exklusive niederländische Vertriebspartner für Klimalösungen von Mitsubishi Electric, arbeitet kontinuierlich an innovativen und nachhaltigen Heiztechnologien. Um das Verhalten eines seiner Warmwassersysteme besser zu verstehen, hat Alklima gemeinsam mit Femto Engineering die Leistung eines Speichersystems mit zwei Tanks untersucht, ohne dabei den Nutzerkomfort zu beeinträchtigen.
Die zentrale Frage war einfach: Wie sorgt das System unter realistischen Betriebsbedingungen für eine möglichst große Temperaturdifferenz innerhalb des Speichertanks und deckt gleichzeitig den Warmwasserbedarf.
Foto 1. CAD-Zeichnung des Doppelpufferspeichersystems
Das System bestand aus zwei miteinander verbundenen Wasserspeichern, die als thermischer Puffer für eine CO₂-Wärmepumpenanlage dienen. Auf den ersten Blick mag die Speicherung von Warmwasser einfach erscheinen. In Wirklichkeit ist das Wasser in diesen Speichern jedoch ständig in Bewegung und unterliegt Temperaturschwankungen.
Auch der Bedarf ändert sich im Laufe des Tages. Morgendliche Duschen, Reinigungsarbeiten und Zeiten mit geringem Verbrauch beeinflussen die Wärmeverteilung innerhalb des Systems.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Warmwasserzirkulation. In vielen Gebäuden sorgt ein kleiner, kontinuierlicher Durchfluss dafür, dass an Duschen und Wasserhähnen sofort warmes Wasser zur Verfügung steht. Dies erhöht zwar den Komfort, kann aber auch die natürliche Schichtung von warmem und kälterem Wasser in den Speichern stören.
Diese Effekte lassen sich mit einfachen technischen Berechnungen nur schwer vorhersagen. Der Bau eines physikalischen Prototyps wäre zudem mit erheblichem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Hier kann die CFD-Simulation einen Mehrwert bieten.
Durch die Erstellung eines virtuellen Modells des Systems können Ingenieure lange vor der Installation des Systems nachvollziehen, wie das Wasser fließt, wie sich die Temperaturen ändern und wie sich das Steuerungssystem verhält.
Für Hersteller, Systemintegratoren und HLK-Ingenieure kann dies die technischen Risiken erheblich reduzieren und kostspielige Nachkonstruktionen im späteren Projektverlauf verhindern.
Funktioniert Ihr System wie erwartet? Finden Sie heraus, was eine Simulation aufdecken kann, bevor Sie mit dem Bau beginnen.
Die eigentliche Frage war nicht, ob das System Warmwasser erzeugen konnte, sondern ob es auch dann noch genügend Warmwasser liefern konnte, wenn der Bedarf plötzlich anstieg.
Um diese Frage zu beantworten, reichte es nicht aus, lediglich die Temperaturen und Strömungsmuster zu betrachten. Das Team musste außerdem verstehen, wie die Wärmepumpe auf die im Laufe des Tages wechselnden Bedingungen reagieren würde.
Verwendung von Simcenter STAR-CCM+, Femto Engineering konnte das gesamte Verhalten des Systems modellieren, einschließlich der automatischen Steuerungen, die die Wärmepumpe ein- und ausschalten. Dadurch entstand eine realistische virtuelle Darstellung des täglichen Betriebs, die dazu beitrug, potenzielle Probleme schon lange vor dem Bau des Systems aufzudecken.
Femto Engineering erstellte ein virtuelles Modell der beiden Speichertanks und eines Teils der Verbindungsrohrleitungen. Um das Modell effizient zu halten, wurde der Wärmetauscher selbst vereinfacht.
Anhand realistischer Warmwasserverbrauchsdaten von Alklima simulierte das Team einen vollständigen 24-Stunden-Betriebszyklus, einschließlich eines zweiten Szenarios mit kontinuierlicher Warmwasserzirkulation.
Die Simulationen zeigten, wie sich die Temperaturen im Laufe des Tages verändern und wie sich das Wasser auf natürliche Weise in den Speichern bewegt. Warmes Wasser ist leichter und steigt nach oben, während kälteres Wasser absinkt. Dadurch entstehen natürliche Schichten in den Speichern, die einen starken Einfluss darauf haben, wie viel nutzbares Warmwasser verfügbar bleibt.
Um zuverlässige Ergebnisse zu gewährleisten, wurden zudem verschiedene Gittergrößen und Einstellungen getestet. Dieser virtuelle Ansatz ermöglichte es dem Team, das Systemverhalten besser zu verstehen und Verbesserungsmöglichkeiten bereits vor physikalischen Tests oder der Installation zu identifizieren.
Die Simulationen zeigten, dass die Gesamtsteuerungsstrategie wie beabsichtigt funktionierte. Sie deckten jedoch auch ein wichtiges Problem auf: Zu bestimmten Tageszeiten fiel die Vorlauftemperatur unter den gewünschten Wert.
Abbildung 1. Die Simulationsergebnisse ohne Warmwasserzirkulation zeigen, dass die Vorlauftemperatur den größten Teil des Tages über 30 °C bleibt, in der letzten Stunde jedoch abfällt, was eine Möglichkeit zur Optimierung der Systemauslegung und der Steuerungsstrategie aufzeigt
Abbildung 2. Die Simulationsergebnisse mit kontinuierlicher Warmwasserrückführung zeigen, dass die Vorlauftemperatur den ganzen Tag über über 50 °C bleibt, obwohl der Wärmetauscher länger laufen muss, um diese Leistung aufrechtzuerhalten.
Die Analyse ergab, dass die Position der Temperatursensoren und die gewählten Reglereinstellungen einen starken Einfluss auf die verfügbare Warmwassermenge hatten.
Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurden mehrere Verbesserungsmöglichkeiten identifiziert. Eine mögliche Verbesserung bestand darin, einen Temperatursensor tiefer in einen der Speicher zu versetzen, wodurch der nutzbare Warmwasserspeicher effektiv vergrößert wurde. Weitere Optionen umfassten die Anpassung der Reglereinstellungen, sodass die Nacherwärmung früher einsetzt.
Die Simulationen zeigten, dass die Hinzufügung eines Durchlauferhitzers die Funktionsweise des Systems veränderte. Anstatt dass die Speichertemperaturen den Hauptfaktor darstellten, hatten die Schutz-Einstellungen des Wärmetauschers den größten Einfluss auf das Systemverhalten.
Abbildung 3. Die in Simcenter STAR-CCM+ implementierte Steuerungslogik schaltet den Wärmetauscher anhand der Messwerte der Temperatursensoren automatisch ein oder aus und bildet so das tatsächliche Betriebsverhalten des Systems über einen 24-Stunden-Zyklus hinweg präzise nach.
Für Alklima ging es bei diesem Projekt nicht nur um die Validierung eines Entwurfs. Es ging darum, optimale Effizienz zu erreichen und gleichzeitig das von den Endnutzern erwartete Komfortniveau aufrechtzuerhalten.
Mithilfe von Simcenter STAR-CCM+, konnte Femto Engineering das System virtuell testen, bevor es gebaut wurde. Die Simulationen lieferten Erkenntnisse über das Temperaturverhalten, Regelungsstrategien und Betriebsszenarien, die allein durch herkömmliche Berechnungen nur schwer zu gewinnen gewesen wären.
Dadurch konnten potenzielle Verbesserungen frühzeitig identifiziert, technische Risiken reduziert und fundiertere Konstruktionsentscheidungen getroffen werden.
Für Hersteller, Systemintegratoren und HLK-Ingenieure, die vor ähnlichen Herausforderungen stehen, bietet die, CFD simulation eine leistungsstarke Möglichkeit, das Systemverhalten zu verstehen, Konstruktionen zu optimieren und kostspielige Nachkonstruktionen in späteren Projektphasen zu vermeiden.
Autor: Martijn van Dijk
CFD Simulation Engineer, Femto Engineering
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