DE19528138A1

DE19528138A1 - Speicher für Niedertemperatur-Wärme

Info

Publication number: DE19528138A1
Application number: DE19528138A
Authority: DE
Inventors: Peter Prof Dipl Ing Obert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1995-08-01
Publication date: 1996-01-11

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit Flüssigkeit gefüllten Wärmespeicher für Niedertemperatur-Wärme mit Temperaturschichtung, wobei das Speichervolumen in eine obere Zone möglichst hoher Temperatur und in eine untere Zone möglichst tiefer Temperatur eingeteilt ist. Typische An wendungen derartiger Wärmespeicher sind z. B. Wärmespeicher von thermischen Solaranlagen und Wärmerückgewinnungsanlagen sowie Wärme-Pufferspeicher in Heizungsanlagen und Kraft- Wärme-Kopplungsanlagen.

Bei der Beladung dieser Wärmespeicher ist zu unterscheiden zwischen der Erwärmung der Speicherflüssigkeit durch den im Speicher innen angeordneten Wärmeüberträger und der Erwärmung der Speicherflüssigkeit außerhalb des Speichers durch einen externen Wärmeübertrager. Da der Wärmeübertrager im Innern des Wärmespeichers notwendigerweise im Speicher ganz unten angeordnet sein muß, wird bei jedem Beladevorgang die Tem peraturschichtung total zerstört. Daher bezieht sich die Erfindung auf Wärmespeicher, die durch einen externen Wärmeübertrager beladen werden. Durch den externen Belade-Wärme übertrager zirkuliert die Speicherflüssigkeit, wobei die Speicherflüssigkeit der unteren kalten Speicherzone entnommen und nach der Aufheizung im Wärmeübertrager bei gewünschter Temperatur von oben in den Speicher eingeschichtet wird. Derartige Speicher sind also leere Behälter. Dieses Verfahren wird in der Praxis vielfach eingesetzt, wobei das notwendige Speichervolumen - soweit möglich - in einem Behälter ausge führt wird. Dabei erweist sich als thermodynamisch sehr nach teilig, daß die gesamte Speichermasse thermisch gekoppelt ist. Durch Wärmeleitung und freie Konvektion wird sowohl in der Speicherflüssigkeit als auch in der Behälterwand Wärme aus der heißen Speicherzone zur kalten Zone transportiert, wobei dieser selbsttätig ablaufende Ausgleichsprozeß erst bei einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand, also bei glei cher Temperatur im gesamten Speicher, endet. Die Folge ist ein stetiger Verlust an nutzbarer Wärme aus der heißen Spei cherzone und eine stetige Verringerung der Speicherkapazität. Die Wärmespeicherung über mehrere Tage, Wochen oder Nonate ist bei dieser üblichen Speicherausführung nicht möglich.

Aus Herstellungsgründen und oft auch aus räumlichen Gründen werden größere Speichervolumen durch Aufstellung mehrerer Einzelspeicher realisiert, die dann hydraulisch in Reihe oder parallel miteinander verbunden werden. Dabei wird, gewollt oder ungewollt, eine weitgehende thermische Entkopplung der Behälter erzielt, doch ergeben sich bei dieser Vorgehensweise im Vergleich zur Ein-Behälter-Bauweise erheblich größere Wär mespeicherverluste durch ein großes Oberflächen/Volumen-Ver hältnis. Noch gravierender für die Praxis ist der Anstieg der spezifischen Speicherkosten in DM/m³ durch die Behälterzahl und den notwendigen Verrohrungs- und Isolieraufwand.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die vorbeschriebenen Nachteile; sie beinhaltet ein kostengünstiges, modulares Speicherbehälter-System, mit dem in Baukasten-Bauweise beliebige Speichervolumen realisiert werden können, wobei in zusammengebautem Zustand eine thermische Trennung der einzel nen Module, ein möglichst kleines Oberflächen/Volumen-Ver hältnis und eine einfache hydraulische Reihenschaltung der Module realisiert ist.

Die Erfindung wird anhand Fig. 1, die den Erfindungsgegen stand beispielhaft zeigt, näher beschrieben.

Der Wärmespeicher wird aus zwei oder mehreren stapelbaren Behältern, gemäß dem benötigten Speichervolumen, aufgebaut.

Dabei werden vorzugsweise identische, in Serie vorgefertigte Behälter 1 aufeinandergestapelt. Je nach Anordnung des Ein zelbehälters (oben, Mitte, unten) wird ein Teil der Ein-/ Austrittsstutzenfunktionsgemäß genutzt bzw. die nicht benö tigten Stutzen werden blind verschlossen. Es erfolgt die Beladung des Speichers durch Entnahme kalter Speicherflüssig keit am untersten Anschlußstutzen 3 und Einschichtung dieser Flüssigkeit nach Erhitzung in einem externen Wärmeübertrager 7 durch den obersten Anschlußstutzen 4 in den obersten Speicherbehälter. Die Überströmleitungen 2 zwischen den Behältern ermöglichen das Durchladen des gesamten Speichers von oben nach unten. Die Anschlußstutzen 5, 6 dienen der Speicherentladung.

Die Behälter-Stapelbauweise ermöglicht die thermische Ent kopplung der Einzelbehälter durch Zwischenlegung von druck festen Dämmplatten 8. Damit bleibt die Temperaturschichtung von Einzelbehälter zu Einzelbehälter erhalten und es ist die grundlegende Voraussetzung für Wärmespeicherung über längere Zeiträume (mehrere Tage, Wochen, Monate) bei Erhaltung maxi maler Speicherkapazität realisiert.

Gleichzeitig bietet diese Behälter-Stapelbauweise große Kostenvorteile, da alle Behälter identisch gefertigt, ohne besonderen Aufwand transportiert und durch übliche Türen in Räume eingebracht werden können.

Weitere Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbei spiele.

Fig. 2 zeigt einen Behälterstapel, wobei der oberste Behäl ter 9 z. B. bei einer thermischen Solaranlage die Funktion des Wärmespeicher-Bereitschaftsteils mit Nachheizung übernimmt.

Dieser ganzjährig benutzte Behälter 9 kann in seiner Geo metrie für minimale Wärmeverluste optimiert werden und somit von der Gestalt der übrigen, nur zu Zeiten des Sonnen strahlungsangebots benötigten Stapelbehälter abweichen. Auch für den Bereitschaftsteil erweist sich die thermische Ent kopplung zum darunter befindlichen Behälter als großer Vor teil, da Nachheizung - als Folge von Wärmeverlusten in die unteren Speicherbereiche - vermieden wird.

Fig. 3 zeigt einen Behälterstapel, wobei der oberste Behälter 10 die Funktion des Ausdehnungsgefäßes für die Speicher flüssigkeit im Behälterstapel übernimmt. Dieser Behälter kann in seiner Geometrie, z. B. Höhe, vom darunterliegenden Behäl ter abweichen, wobei auch hier die thermische Entkopplung wiederum von Vorteil ist.

Fig. 4 zeigt, daß je nach benötigtem Speichervolumen und vorhandener Raumgeometrie mehrere Behälterstapel nebenein ander aufgebaut und hydraulisch sehr einfach miteinander verbunden werden können.

Ohne figürliche Abbildung ist der Unteranspruch, der die zweckmäßige und kostengünstige Wärmeisolierung des/der Behälterstapel anbetrifft. Neben der Möglichkeit einer konventionellen Wärme-Isolierung ist erfindungsgemäß vor gesehen, den/die Behälterstapel in einem vorhandenen oder mit einer einfachen Trennwand zu schaffenden, separaten Raum anzuordnen und samt Zuleitungen sowie Verbindungsleitungen zwischen den Behältern mit wärmeisolierenden Schüttgütern auf der Basis anorganischer Stoffe oder organischer Stoffe (Bio masse) gegen Wärmeverluste zu dämmen. Diese Isoliermaterial- Schüttung füllt alle Räume um den/die Behälterstapel in idea ler Weise aus und schafft somit die örtlich maximal mögliche Wärmedämmung.

Bezugszeichenliste

1 Behälter
2 Überströmleitung
3, 4 Anschlußstutzen für Speicherbeladung
5, 6 Anschlußstutzen für Speicherentladung
7 Externer Wärmeübertrager
8 Wärmedämmplatte
9 Wärmespeicher-Bereitschaftsteil mit Nachheizung
10 Ausdehnungsgefäß für Speicherflüssigkeit

Claims

1. Speicher für Niedertemperatur-Wärme, gefüllt mit Wasser oder einer sonstigen zur Wärmespeicherung geeigneten Flüssigkeit, unteratmosphärischem Druck oder Über-/Un terdruck, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher aus zwei bis beliebig vielen stapelbaren Behältern mit äuße ren Verbindungsleitungen aufgebaut wird.

2. Speicher nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Behälter im Stapel durch Zwischenlagen aus druckfesten Wärmedämmstoffen gegeneinander isoliert sind.

3. Speicher nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorwiegend stapelbare Behälter mit identischen Ab messungen und Anschlüssen verwendet werden.

4. Speicher nach Patentanspruch 1 und 3, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Speicher-Teilvolumen mit spezieller Aufgabe, wie z. B. Bereitschaftsteil mit Nachheizung bei thermischen Solaranlagen, mit anderen Abmessungen als der übrige Speicherstapel ausgeführt wird.

5. Speicher nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ausdehnungsgefäß für die Speicher flüssigkeit in den Behälterstapel, z. B. als oberster Behälter, integriert ist.

6. Speicher nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei begrenzter Bauhöhe mehrere Behälter-Stapel ne beneinander aufgebaut und hydraulisch miteinander ver bunden werden.

7. Speicher nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Behälterstapel samt Zuleitungen und Verbin dungsleitungen zwischen den Behältern mit wärmeisolie renden Schüttgütern auf der Basis anorganischer Stoffe oder organischer Stoffe (Biomasse) gegen Wärmeverluste gedämmt ist/sind.