DE3302324A1

DE3302324A1 - Waermespeicheranordnung fuer gebaeude, insbesondere zur speicherung von solarenergie

Info

Publication number: DE3302324A1
Application number: DE19833302324
Authority: DE
Inventors: Nikolaos Dr.rer.nat. 7000 Stuttgart Malatidis
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1983-01-25
Filing date: 1983-01-25
Publication date: 1984-08-02
Also published as: DE3302324C2

Description

Wärmespeicheranordnung für Gebäude, insbesondere zur
Speicherung von Solarenergie.
Die Erfindung betrifft eine Wärmespeicheranordnung für Gebäude, insbesondere zur Speicherung von direkter und/oder diffuser Solarstrahlungsenergie,nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei den z.B. aus der DE-AS 26 02 530 und aus der DE-OS 29 26 960 bekannten Wärmespeicheranordnungen dieser Art wird die z.B. durch Sonnenkollektoren auf genommene, in ihrer Intensität schwankende Strahlungsenergie über einen Kollektor zunächst als Wärme an ein Strömungsmittel, meist Wasser, abgegeben und durch ein Leitungssystem, in das der Wärmespeicher eingeschaltet ist, dem Wärmeverbraucher, z.B.
einer Raumheizung, zugeführt. Diese bekannten Einrichtungen sind wegen des ausgedehnten Strömungsmittelkreislaufes und der baulich getrennten Anordnung von Solarkollektor, Strömungsmittel-Leitungen, Wärmespeicher und Raumheizkörper aufwendig in Platzbedarf und Baukosten sowie mit erheblichen Wärmeverlusten behaftet.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Wärmespeicheranordnung, insbesondere zur Speicherung von Solarstrahlungsenergie, zu schaffen, die einfach und kompakt im Aufbau ist, weniger oder keine Strömungsmittel-Leitungen erfordert und ohne großen Aufwand in ein Gebäude eingebaut werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht, ausgehend von der vorstehend als bekannt vorausgesetzten Wärmespeicheranordnung, durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, wobei sich die Patentansprüche 4 bis 9 auf eine vorteilhafte Ausführungsform richten, bei der der Kollektor, der Latentwärtespeither und ein Raumheizkörper zu einer Einheit verbunden sind.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Wärmespeicheranordnung der genannten Art so auszubilden, daß der Solarkollektor, der Latentwärmespeicher, die Wärmerohre mit Wärmetauscher zum Abführen der aufgenommenen bzw. gespeicherten Wärme an einen strömenden Wärmeträger und/oder ein Raumheizkörper eine in eine Gebäudewand unmittelbar einsetzbare kompakte Baueinheit bilden. Durch diese Ausführung entfallen zumindest die Rohrleitungen zwischen Solarkollektor und Wärmespeicher und gegebenenfalls auch die zwischen Wärme speicher und einem Raumheizkörper mit ihren unvermeidlichen Wärmeverlusten, ihrem Platzbedarf und dem Montageaufwand.
Im folgenden sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren beispielsweise beschrieben. Es zeigen: Figur 1 eine Wärmespeicheranordnung mit gegenüber der Speicherkastenaußenseite vergrößerter Kollektorfläche in perspektivischer Darstellung, Figur 2 die Wärmespeicheranordnung nach Figur 1 in einem Längsschnitt senkrecht zur Kollektorfläche wesentlich vergrößert und zwischen zwei Rippen unterbrochen, Figur 3 die Wärmespeicheranordnung nach Figur 1 in Frontansicht längs und quer unterbrochen, Figur 4 perspektivisch eine andere Wärmespeicheranordnung, bei der der kastenförmige Speicherbehälter auf seiner Rückseite als Raumheizkörper ausgebildet ist, Figur 5 einen Längsschnitt durch die Anordnung nach der Figur 4 in Lage und Maßstab entsprechend der Figur 2, Figur 6 eine Frontansicht der Anordnung nach Figur 5.
Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Wärmespeicheranordnung mit einem die Form eines flachen Kastens 1 aufweisenden Behälter ist in die Wand 14 eines Gebäudes oder Raumes als kompaktes Bauelement so eingesetzt, daß die Außenfläche 2a seiner einen großen Seite 2 als Kollektorfläche einer Strahlungsquelle, vorzugsweise direkter oder diffuser Solarstrahlung, zugewandt ist. Im Inneren des Kastens 1 befindet sich eine Latentspeichermasse 13, die bei einer vorgegebenen Temperatur während eines Aufheiz- bzw. Abkühlvorgangs eine Anderung ihres Aggregatzustandes erfährt und dabei erhebliche Wärmemengen aufnimmt bzw. abgibt.
Die an-der Kollektorfläche 2a in Wärme umgewandelte Strahlungsenergie wird mit Hilfe von auf der gesamten Innenfläche 2i der einen großen Seite 2 des Kastens 1 wärme leitend angeordneten, parallelen Rippen 4, welche fast bis zu der Innenfläche 3 i der gegenüberliegenden anderen großen Kastenseite 3 reichen, an die sie umgebende Speichermasse 13 abgegeben.
Die Gesamtheit der parallelen Rippen 4 ist senkrecht zu diesen von mehreren Wärmerohren 7 durchsetzt, die bis nahe an den unteren Boden 8 des Kastens 1 reichen und durch dessen oberen, lösbaren Deckel 9 dichtend herausragen. Die auch als "heat pipes" bekannten und z.B. in den eingangs zum Stand der Technik genannten Druckschriften beschriebenen Wärme rohre 7 bewirken einen besonders guten Wärmetransport von den Rippen 4 bzw. aus der Speichermasse 13 zu an ihren oberen Enden 10 vorgesehenen Ringspaltwärmetauschern 11, die in einen Heiz- oder Brauchwasserkreislauf 12 eingeschaltet sind und über die der Wärmespeicheranordnung die von der Kollektorfläche 2a aufgenommene und in der Speichermasse 13 gespeicherte Wärme entnommen werden kann.
Zur Vergrößerung der Kollektorfläche ist an der äußeren großen Kastenseite 2 ein nach allen Seiten über den Kasten vorstehender Rand 6 vorgesehen, der bei eingebautem Kasten mit der Gebäudewand 14 fluchtet.
Wenn an den Wärmeübergang von den Rippen 4 bzw. aus der Speichermasse 13 in den Heiz- oder Brauchwasserkreislauf 12 geringere Anforderungen gestellt werden, können in diesen Kreislauf eingeschaltete glatte Rohre anstelle der Wärmerohre 7 mit Wärmetauscher 11 unmittelbar durch die Rippen 4 und die Speichermasse 13 geführt werden.
Die in den Figuren 4 bis 6 mit denselben Bezugszahlen dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmespeicheranordnung unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen hauptsächlich dadurch, daß der die Latentspeichermasse 13 enthaltende flache Kasten 1 die Gebäudewand 14 ganz durchdringt, so daß die Außenfläche 3a seiner großen Innenseite 3 einem Raum zugewandt ist und einen Heizkörper für diesen Raum bildet, der mit der Kollektorfläche und dem Wärmespeicher als kompaktes Bauelement ausgeführt ist. Dabei ist die große Innenseite 3 des Kastens 1 durch die Rippen 4 mit der großen Außenseite 2 wärmeleitend verbunden, wodurch ein guter Wärmeübergang von der Kollektorfläche 2a zur Heizfläche 3a bewirkt wird. Durch Anordnung einer weiteren Wand 3c im Abstand vor der großen Kastenseite 3 wird eine doppelte Wand gebildet, in deren Zwischenraum 3b sich elektrische Heizwiderstände 15 befinden. Durch diese kann z.B. mittels billigen Nachstroms eine Aufladung des Wärmespeichers oder eine direkte Beheizung des Raumes erfolgen, wenn der Raum über die Kollektorfläche 2a nicht oder nicht ausreichend erwärmt wird.
Ebenso, wie zu den Figuren 1 bis 3 erläutert wurde,können auch bei der Ausführungsform mit durch die Wand gehendem Kasten 1 Wärmerohre 7 vorgesehen sein, welche die Rippen 4 eng anliegend durchdringen und über Wärmetauscher 11 eine Wärmeentnahme aus dem Wärmespeicher auch über einen Heiz- oder Brauchwasserkreislauf 12 ermöglichen. Als reine Heizeinrichtung für einen unmittelbar hinter dem Wärme speicher liegenden Raum ist die Anordnung nach den Figuren 4 bis 6 aber auch ohne die Wärmerohre 7 und Wärmetauscher 11 zweckmäßig.
Zur Anpassung des Wärmeflusses auf der Kollektorseite bzw.
auf der Heizflächenseite dieser Wärmespeicheranordnung ist es vorteilhaft, wenn an der Kollektorfläche 2a und/oder an der Raumheizfläche 3a bzw. 3c Einrichtungen zu deren zeitweiliger, wärmeisolierender Abdeckung, z.B. eine Jalousie oder Klappen aus wärmedämmendem Werkstoff, vorgesehen sind. Dadurch können Wärmeverluste an den genannten Flächen vermieden oder vermindert werden.
Weiter ist es zweckmäßig, wenn zwischen den Wandteilen 3 und 3c der doppelten Wand der großen Innenseite des Kastens 1 Wärmebrücken, z.B. in Form von metallischen Stegen, vorgesehen sind, die den Wärmeübergang von 3 nach 3c verbessern.
Von wesentlicher Bedeutung für die Funktion der erfindungsgemä0en und anderer, unter ähnlichen Betriebsverhältnissen arbeitender Wärmespeicheranordnungen ist auch die in dem Speicherbehälter befindliche Latentspeichermasse. Solche Speichermassen sind z.B. in Spalte 4 der DE-AS 26 02 530 angegeben.
Sie weisen alle gewisse Nachteile, wie geringe Wärmeleitfähigkeit, nicht ausreichendes Wärmespeichervermögen, für Raumheizzwecke durch Solarenergie nicht geeignete Umwandlungstemperatur oder Entmischung beim Phasenwechsel auf.
Zur Vermeidung dieser Mängel wird als Latentspeichermasse das anorganische eutektische Gemisch aus 61,5 Gew-% Mg (NO3)2 . 6 H2O (Magnesiumnitrathexahydrat) und 38,5 Gew-% NH4NO3 (Ammoniumnitrat) vorgeschlagen, das ein Eutektikum bei 50° C bildet, gut wärmeleitend ist, ein hohes Wärmespeichervermögen aufweist und sich beim Schmelz- bzw. Erstarrungsvorgang nicht zersetzt.

Claims

Patentansprüche Wärmespeicheranordnung für Gebäude, insbesondere zum Speichern von direkter und/oder diffuser Solar-Strahlungsenergie, bestehend aus einem quaderförmigen, eine Latentspeichermasse enthaltenden Behälter, dem die zu speichernde Wärmeenergie durch ein oder mehrere mit Rippen versehene, wärmeleitende Bauteile zugeführt bzw.

bei der Entladung des Speichers wieder entnommen wird, d a-d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß a) der die Form eines flachen Kastens (1) aufweisende Behälter als in die Wand (14) eines Gebäudes oder Raumes einsetzbares, kompaktes Bauelement ausgebildet ist; b) die der Strahlungsquelle zugewandte äußere Fläche (2a) der einen großen Seite (2) des Kastens (1) als Kollektorfläche ausgebildet ist und die gesamte Innenfläche (2i) dieser Kastenseite (2) mit in die Speichermasse (13) hineinragenden parallelen Rippen (4) versehen ist; c) die Gesamtheit der Rippen (4) von mehreren etwa senkrecht zu diesen verlaufenden Wärmerohren (7) in gut wärmeleitendem Kontakt durchsetzt ist, deren obere Enden (10) aus der vorzugsweise als lösbarer Deckel ausgebildeten oberen Schmalseite (9) des Kastens (1) herausragen und je einen in einen Heiz- oder Brauchwasserkreislauf (12) eingeschalteten Wärmetauscher (11) tragen.
2. Wärmespeicheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daB die mit einer Außenwand (14) oder einer Dachfläche eines Gebäudes oder Raumes fluchtende große äußere Fläche (2a) des Kastens (1) über diesen nach allen Seiten vorsteht und einen Rand (6) bildet, der die Kollektorfläche zur Aufnahme der Solarstrahlungsenergie vergrößert.
3. Wärmespeicheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daB die Rippen (4) im Abstand von der Innenfläche (3i) der gegenüberliegenden, anderen großen Seite (3) des Kastens enden.
4. Wärmespeicheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß der Kasten (1) die Wand (14) des Gebäudes oder Raumes so ganz durchsetzt, daß die Außenfläche (3a) seiner großen Innenseite (3) einem zu beheizenden Raum zugewandt ist.
5. Wärmespeicheranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daB die Rippen (4) die beiden großen Seiten (2 und 3) des Kastens (1) wärmeleitend miteinander verbinden.
6. Wärmespeicheranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die dem zu beheizenden Raum zugewandte große Seite des Kastens (1) als doppelte Wand (3 und 3c) ausgebildet ist, deren Zwischenraum (3b) elektrische Heizwiderstände (15) oder Kanäle für den Durchfluß eines erhitzten Fluids enthält.
7. Wärmespeicheranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Wandteilen (3 und 3c) wärmeleitende Brücken, z.B. in Form von metallischen Stegen vorgesehen sind.
8. Wärmespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß die Kollektorfläche (2a bzw. 2a + 6) und/oder die Raumheizfläche (3a bzw. 3c) des Kastens (1) mit Einrichtungen zu ihrer zeitweisen wärmeisolierenden Abdeckung, z.B. mit einer Jalousie oder womit Klappen aus wärmeisolierendem Material,versehen sind.
9. Wärmespeicheranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß bei Verwendung der Anordnung ausschließlich zur Beheizung des dahinter liegenden Raumes die Wärmerohre (7) die Wärmetauscher (11) sowie der Heiz-und/oder Brauchwasserkreislauf (12) entfallen.
10. Wärmespeicheranordnung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Latentspeichermasse ein anorganisches eutektisches Gemenge aus 61, 5 Gew.-% Magnesiumnitrathexahydrat EMg (N03)2 . 6 H209 und 38,5 Gew.-% Ammoniumnitrat (NH4NO3) in dem Speicherbehälter enthalten ist.