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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Gewinnung von Kühlenergie.
Dabei handelt es sich um ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur
umweltschonenden, regenerativen Gewinnung von Kühlenergie.
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Hinlänglich bekannt
sind heute bereits Verfahren zur Gewinnung regenerativer Kühlenergie
aus Sonnenenergie, beispielsweise mit Hilfe von Solarkollektoren
oder auch Solarthermie-Kollektoren. Weitere bekannte Verfahren sind
die Nutzung von Wind- oder Wasserenergie, bei denen die im bewegten
Fluid gespeicherte Energie im Wesentlichen in Strom umgewandelt
wird. Allen diesen bekannten Verfahren ist gemein, dass sie insbesondere
bei Großanwendungen
relativ aufwendig und teuer sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren,
aber auch eine Vorrichtung zur Gewinnung von Kühlenergie anzugeben, die jeweils
besonders energieeffizient und günstig
sind.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren zur Gewinnung von Kühlenergie
gemäß Anspruch
1 und mit einer Vorrichtung zur Gewinnung von Kühl energie nach einem solchen
Verfahren gemäß Anspruch
15. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens, aber auch der Vorrichtung
werden in den Unteransprüchen
beschrieben und beansprucht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Gewinnung von Kühlenergie
zeichnet sich nun dadurch aus, dass gefrorenes Wasser gesammelt,
verdichtet und in ein Lager transportiert wird, in dem es gelagert und
bei Bedarf zum gezielten Abschmelzen mittels flüssigem Abschmelzwasser getränkt wird,
wobei die beim Aggregatwechsel freigesetzte Abschmelzenergie zur
Kühlung
genutzt wird, indem das dabei anfallende mit dem Abschmelzwasser
vermischte Schmelzwasser als Auffangwasser aufgefangen wird und
nachfolgend zumindest ein Teil des Auffangwassers als Kühlwasser
einem Kühlwasserkreislauf
eines Kühlsystems
zugeführt
wird. Erfindungsgemäß wird also
die sehr hohe Energiedichte beim Wechsel vom gefrorenen Aggregatzustand
zum flüssigen
Aggregatzustand zur Kühlung
ausgenutzt. Diese Energiedichte beträgt rund 332 kJ/kg gefrorenen
Wassers, wenn das Eis bei 0°C
zu flüssigem
Wasser umgewandelt wird. Das gefrorene Wasser kann dabei zum Beispiel
bei der Präparierung
etwa einer Eislauf-Piste einer Eiskunstlaufhalle anfallen.
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Bevorzugt
wird das Verfahren aber zur Kühlung
von Gebäuden
und/oder Vorrichtungen mit dicht angrenzenden, großen und
von Schnee und Eis zu räumenden
Verkehrsflächen,
wie etwa Bahnhöfen, verwendet.
Dazu werden für
das gefrorene Wasser im Wesentlichen die beim Räumen der Verkehrsflächen natürlich anfallenden
Schnee- und/oder Eismengen, also die bereits kostenlos angefallenen
und ohnehin zumindest zum Teil verdichteten Mengen an gefrorenem
Wasser verwendet. Dies ist energetisch natürlich äußerst effizient und kostengünstig. Das beim
Abschmelzen anfallende Kühlwasser
wird dann dem nahe gelegenen Kühlwasserkreislauf
des Gebäudes
und/oder der Vorrichtung zugeführt,
so dass kaum Effizienzverluste aufgrund eines weiten Transports
entweder des gefrorenen Wassers oder der Energie entstehen. Dabei
ist anzumerken, dass natürlich
auch im Winter ein Bedarf an Kühlung
in Anlagen und/oder Räumen
besteht, insbesondere solchen die sich nur schlecht durch Außenluft
belüften
lassen.
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Besonders
effektiv ist das Verfahren zur Gewinnung von Kühlenergie, wenn es zur Kühlung von Gebäuden und/oder
Vorrichtungen eines Flughafens, insbesondere von Klimaanlagen, Gepäckförderanlagen
und/oder Gepäcksortieranlagen
verwendet wird. Hier werden für
das gefrorene Wasser im Wesentlichen die beim Räumen der Verkehrsflächen des Flughafens,
insbesondere der Start- und Landebahnen, Runways und/oder Rollfelder,
anfallenden Schnee- und Eismengen verwendet, da diese verglichen
mit anderen Gebäudekomplexen
extrem groß sind.
Außerdem
werden Flughäfen
penibel schnee- und eisfrei gehalten, so dass in aller Regel selbst
in extremen Witterungssituationen im Winter große Mengen von gefrorenem Wasser
zur Verfügung
stehen. In vielen von Schneefall betroffenen Flughäfen sind
daher spezielle Lagerflächen
vorgesehen, auf denen der Schnee bzw. die Eismengen abgelagert werden.
Diese auch als Schneebunker bezeichneten Lagerplätze nehmen Platz weg und zeigen
deutlich, dass gefrorenes Wasser bislang regelrecht als Abfall betrachtet
wird. Demgegenüber
betrachtet die Erfindung diesen „Abfall" als wertvollen Energielieferanten der
zur Kühlung
der Gebäude
bzw. Anlagen genutzt wird.
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Weiterbildend
wird ein Teil des Auffangwassers wieder als Abschmelzwasser in einem
offenen Abschmelzwasserkreislauf verwendet. Dadurch stellt sich
eine nicht ganz so hohe Temperatur im Abschmelzwasser ein oder,
anders ausgedrückt,
das Abschmelzwasser wird mit Hilfe des Auffangwassers gekühlt. Dies
hat den Vorteil, dass das Abschmelzwasser einen gegenüber dem
Eis bzw. Schnee geringen Temperaturunterschied aufweist, so dass
der Abtauvorgang über
einen relativ langen Zeitraum gleichmäßig vorgenommen werden kann.
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Von
besonderem Vorteil ist es dabei, wenn der als Kühlwasser verwendete Teil des
Auffangwassers zunächst
vom Abschmelzwasserkreislauf getrennt und mit Rücklaufwasser des Kühlkreislaufs vermischt
wird, bevor er im Kühlwasserkreislauf
verwendet wird. So kann der als Kühlwasser verwendete Teil des
Auffangwassers zum Abkühlen
des Rücklaufwassers
des Kühlreislaufs
verwendet werden. Unter Rücklaufwasser
ist hier das nach Durchleitung durch wenigstens einen Verbraucher
erwärmte
Kühlwasser
zu verstehen.
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Zweckmäßigerweise
wird das Auffangwasser in einem Auffangtank gesammelt und für seine weitere
Verwendung zwischengelagert. So hat man einen Verbrauchsspitzen
oder Abschmelzspitzen ausgleichenden Pufferspeicher für das Auffangwasser.
Weiterbildend wird der als Kühlwasser
verwendete Teil des Auffangwassers vom Auffangtank in wenigstens
einen Kühlwassertank
geleitet. So können unterschiedliche
Temperaturen im Auffangtank und im Kühlwassertank gehalten werden.
Dies führt
zu einer besonders effizienten Nutzung der bei der Umwandlung der
Aggregatzustände
erhaltenen Kühlenergie.
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Dabei
kann es auch sinnvoll sein, wenn der als Kühlwasser verwendete Teil des
Auffangwassers nach Nutzung in einem ersten Kühlwasserkreislauf wenigstens
einem zweiten Kühlwasserkreislauf
zugeführt
wird. Dies hat ebenfalls eine Steigerung der Energieeffizienz des
erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Folge. Bevorzugt wird dann der als Kühlwasser verwendete Teil des
Auffangwassers durch kaskadenartig in Reihe geschaltete Kühlwassertanks
verschiedener Kühlwasserkreisläufe durchgeleitet.
Dies führt
zu einer sehr feinen Temperaturabstufung in den unterschiedlichen
Kühlwasserkreisläufen, die wiederum
entsprechend dem Kühlbedarf
der an die Kühlwasserkreisläufe angeschlossenen
Kühlsysteme
bzw. Verbraucher angepasst werden kann.
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Bevorzugt
wird der als Kühlwasser
verwendete Teil des Auffangwassers von einer Temperatur von etwa
0°C bis
zu einer Temperatur von etwa 21°C im
letzten Kühlwasserdurchlauf
zur Kühlung
genutzt. Somit wird sichergestellt, dass eine größtmögliche Ausnutzung der im gefrorenen
Wasser enthaltenen Energie zur Kühlung
von Räumen
bzw. Vorrichtungen oder Aggregaten in den Gebäuden genutzt wird. So stecken
im Wechsel des Aggregatzustandes ca. 80% der Energie des hier beschriebenen
Prozesses.
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Um
den Flächenbedarf
für die
Lagerung des gefrorenen Wassers in möglichst vertretbaren Grenzen
zu halten, wird vorzugsweise das gefrorene Wasser in wenigstens
zwei Schritten verdichtet. Dabei erfolgt die erste Verdichtung während des
Sammelns des gefrorenen Wassers, insbesondere beim Räumen der
Schnee- bzw. Eis mengen und die zweite Verdichtung vor dem Transport
zum Lager. So erhält man
besonders stark komprimiertes gefrorenes Wasser, das einen relativ
geringen Platzbedarf im Vergleich zu Neuschneemengen hat. Außerdem erhält man so
in aller Regel Schnee- bzw. Eisblöcke, die leichter zu handhaben
sind.
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In
einer besonders zweckmäßigen und
vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens wird die eingelagerte Menge an gefrorenem Wasser
je nach Bedarf in einzelnen Schritten abgeschmolzen. So kann das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Gewinnung von Kühlenergie über einen
relativ langen Zeitraum mit annähernd
konstanter Abgabe von Kühlenergie
durchgeführt
werden.
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Da
insbesondere bei Flughäfen,
aber auch bei anderen Verkehrsflächen,
der anfallende Schnee durch Verunreinigungen etwa von über die
Verkehrsflächen
erfolgendem Verkehrs kontaminiert sein kann, ist es sinnvoll, wenn
der als Kühlwasser
verwendete Teil des Auffangwassers zumindest nach seiner Nutzung
als Kühlwasser
gereinigt wird. So kann zumindest der als Kühlwasser verwendete Teil des
Auffangwassers nach seiner Nutzung abgeleitet werden, ohne dass
das meist kommunale Abwassernetz bzw. die daran angeschlossene Kläranlage
auf die spezifischen Anforderungen zum Beispiel von Flughafenabwässern angepasst
werden müssen. Natürlich kann
es dabei auch zweckmäßig sein, wenn
das Auffangwasser noch vor seiner Nutzung als Kühlwasser gereinigt wird, um
Beschädigungen der
Kühlsysteme
oder Verbraucher durch Verunreinigungen im Auffangwasser zu verhindern.
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Vorrichtungsseitig
erfolgt die Lösung
der Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Gewinnung von Kühlenergie,
die wenigstens eine Kammer zur Einlagerung von gefrorenem Wasser
aufweist, in der eine Abschmelzvorrichtung zum gezielten Abschmelzen und
Durchtränken
des eingelagerten, gefrorenen Wassers mit flüssigem Abschmelzwasser vorgesehen
ist. Dazu weist die Kammer einen Kammerboden zum Auffangen des Schmelzwassers
und des Abschmelzwassers auf, indem ein Ablauf zur Ableitung des
Auffangwassers in einen Auffangtank vorgesehen ist. Der Auffangtank
ist in einen Kühlwasserkreislauf
eines Kühlsystems
so eingebunden, dass zumindest ein Teil des Auffangwassers als Kühlwasser
im Kühlsystem
verwendet werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Gewinnung von Kühlenergie
zeichnet sich also durch einen relativ einfach gehaltenen baulich
Aufwand aus. So können
auch bestehende Schneebunker auf Flughäfen zur Gewinnung von Kühlenergie
umgerüstet
und herangezogen werden. Es können
also ohnehin bereits vorhandene Vorrichtungen verwendet werden,
um ohnehin anfallende Mengen eines Energieträgers zur Gewinnung von Kühlenergie
zu verwenden. Dies ist nicht nur kostengünstig, sondern auch umweltfreundlich
in der Herstellung und im Betrieb.
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Dabei
ist es zweckmäßig, wenn
mehrere Kammern zum Einlagern und Auftauen von gefrorenem Wasser
nebeneinander angeordnet und insbesondere benachbarte Abschnitte
eines tunnelartigen Bauwerks sind. Eine solche Gestaltung der Vorrichtung
hat nämlich
den Vorteil, dass man das erfindungsgemäße Verfahren sehr gut in einzelnen
Abtaustufen durchführen
kann. Dazu werden die eingelagerten Eisblöcke sukzessive nämlich Kammer
für Kammer
abgeschmolzen. Ein solches längliches Bauwerk
kann dabei sehr gut in die Infrastruktur eines Flughafens eingebunden
werden.
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Damit
beim Abschmelzen eines in einer Kammer befindlichen Eisblocks nicht
ein nebenan gelagerter Eisblock mit abgeschmolzen wird, ist es besonders
zweckmäßig, wenn
an den Stirnseiten jeder Kammer jeweils ein Verschlussmittel, insbesondere
ein Rolltor, angeordnet ist. So können unerwünschte thermische Wechselwirkungen
zwischen unterschiedlichen benachbarten Kammern vermieden oder das
Entstehen einer Thermik unterbunden werden.
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Weiterbildend
ist vor der äußersten
Kammer eine Einlasskammer zum Einbringen des gefrorenen Wassers
in die Vorrichtung angeordnet, die vorzugsweise nach oben offen
gestaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass man beispielsweise mit üblichen Räumschilde
aufweisenden Schneeräumfahrzeugen oder
Raupen die Eisblöcke
bzw. Schneemengen in Richtung der Einlasskammer schiebt und diese
dort nach unten in die Öffnung
und damit in die Vorrichtung fallen. Dabei ist es besonders vorteilhaft,
wenn die Vorrichtung eine Presse zur Beförderung und/oder Komprimierung
des gefrorenen Wassers aufweist, denn so kann mit der Presse das
von oben in die Vorrichtung eingeschüttete gefrorene Wasser in die
einzelnen Kammern verschoben und dort verpresst werden. Eine solche
Presse kann etwa um Anschaffungskosten zu sparen eine gebrauchte
Abfallpresse sein. Auch kann die Presse automatisiert betrieben
werden, so dass ein relativ geringer Aufwand beim Betrieb der Vorrichtung
anfällt.
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Zweckmäßigerweise
ist der Auffangtank seitlich an eine Kammer angrenzend und/oder
unterhalb einer Kammer angeordnet. Insbesondere bei seitlich und
unterhalb angeordneter Ausführung
fließt
so das Schmelzwasser bzw. Auffangwasser quasi von alleine in den
Auffangtank. Bei einer solchen Ausführung müssen also keine umfangreichen
und kostspieligen Pumpen zum Fördern
des Schmelzwassers bzw. Auffangwassers in den Auffangtank installiert
werden.
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Um
das im Auffangtank gesammelte Auffangwasser und insbesondere das
zum Abschmelzen vorgesehene Abschmelzwasser in die Abschmelzvorrichtung
zu fördern
wird üblicherweise eine
Pumpe verwendet, deren Ansaugvorrichtung im Auffangtank angeordnet
ist.
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Weiterbildend
ist in der Vorrichtung ein Kühlwassertank
vorgesehen, der mit dem Kühlwasserkreislauf
des Kühlsystems
und mit dem Auffangtank so verbunden ist, dass ein Teil des Auffangwassers aus
dem Auffangtank in den Kühlwassertank
und vor dort in das Kühlsystem
fließen
kann. So ist der Kühlwassertank
dem Auffangtank hydraulisch nachgeschaltet, und es wird in beiden
Tanks basierend auf dem Prinzip kommunizierender Röhren ein
gleicher Pegel gehalten. Außerdem
findet so der gewünschte Austausch
von kaltem Wasser zwischen Kühlwassertank
und Auffangtank statt, da es besonders sinnvoll ist, wenn die Verbindung
von Kühlwassertank
und Auffangtank möglichst
im Bereich der Böden
beider Tanks erfolgt.
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Weiterbildend
ist der Kühlwassertank
mit dem Auffangtank so verbunden, dass ein Teil des Kühlwassers
vom Kühlwassertank
in den Auffangtank fließen
kann. Ein solches Rückfließen von
Kühlwasser
in den Auffangtank kann dann sinnvoll sein, wenn aus dem Kühlwasserkreislauf
größere Mengen Rücklaufwasser
anfallen als Auffangwasser.
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Um
das Kühlwasser
aus dem Kühlwassertank
in den Kühlwasserkreislauf
zu fördern,
wird üblicherweise
eine Pumpe verwendet, so dass es sinnvoll ist, wenn im Kühlwassertank
auch eine Ansaugvorrichtung dieser Pumpe und/oder ein Auslass für das Rücklaufwasser
des Kühlwasserkreislaufs
vorgesehen ist. Erst so stellt sich nämlich ein echter Kühlwasserkreislauf
ein. Dabei ist es zweckmäßig, wenn
der Auslass für
das Rücklaufwasser
oberhalb der Ansaugvorrichtung für
den Kühlwasserkreislauf angeordnet
ist. Denn so wird kühles
Wasser von unten aus dem Kühlwassertank
entnommen und warmes Rücklaufwasser
in die oberen Wasserschichten des Kühlwassertanks eingeleitet.
Um die Schichtung der Wasserschichten im Kühlwassertank zu unterstützen, wird
vorzugsweise unter dem Auslass des Rücklaufwassers eine Prallplatte
vorgesehen. Diese verhindert eine zu starke Vermischung des Rücklaufwassers
mit dem kühleren
im Kühlwassertank
unten befindlichen Kühlwassers,
das insbesondere aus dem vorgeschalteten Auffangtank in den Kühlwassertank
einströmt.
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Weiterbildend
sind mehrere Kühlwassertanks
vorgesehen, die jeweils mit einem eigenen Kühlwasserkreislauf verbunden
sind. Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn die Kühlwassertanks kaskadenartig,
nacheinander durchfließbar
angeordnet sind. Die Kühlwassertanks
werden also mit anderen Worten in Reihe geschaltet, was zu einer
besonders effizienten Ausnutzung der im Kühlwasser bzw. Auffangwasser
enthaltenen Energie führt,
da die unterschiedlichen Kühlwasserkreisläufe für unterschiedliche
Kühlsysteme
mit unterschiedlichen Kühlanforderungen
verwendet werden können.
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Baulich
ist es von Vorteil, wenn der Auffangtank und der wenigstens eine
Kühlwassertank
als gemeinsames mit wenigstens einer Unterteilungswand unterteiltes Grubenbauwerk
ausgebildet ist. Ein solches Bauwerk kann nämlich sehr leicht und kostengünstig hergestellt
werden. Dies stellt sich insbesondere dann ein, wenn zumindest ein
wesentlicher Teil der Vorrichtung, vorzugsweise die wenigstens eine Kammer
und der wenigstens eine Tank, aus Stahlbeton bestehen. Natürlich sollte
der Stahlbeton möglichst
wasserdicht ausgeführt
sein, etwa aus rissweitenbeschränktem
Beton bestehen.
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Es
ist wünschenswert,
wenn wenigstens eine Unterteilungswand eine Höhe aufweist, die geringer ist
als die Seitenwände
des Grubenbauwerks. Der oben bereits beschriebene Austausch von
Kühlwasser
hin zum Auffangwassertank kann dann auf einfache Weise erfolgen,
ohne dass hierfür
aufwändige
Leitungen zu installieren sind. Natürlich kann ein Überlauf
auch in andere Richtung erfolgen.
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Weiterbildend
ist es wünschenswert,
wenn die wenigstens eine Unterteilungswand eine Öffnung an ihrer Unterseite
aufweist, durch die Auffangwasser vom Auffangtank in den Kühlwassertank
bzw. umgekehrt fließen
kann. Allerdings wird sinnvollerweise durch Regelung der Pumpen
der Abschmelzvorrichtung sowie der Kühlwasserkreisläufe sichergestellt,
dass im Wesentlichen das Auffangwasser vom Auffangtank in den Kühlwassertank
fließt.
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Die
Abschmelzvorrichtung wiederum weist wenigstens eine Düse, vorzugsweise
aber einen ganzen Düsenstock
zum Versprühen
von Abschmelzwasser auf. Dies stellt eine sehr flächige Tränkung des
gefrorenen Abschmelzwassers sicher.
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Um
möglichst
lange das Verfahren zur Gewinnung von Kühlenergie durchführen zu
können,
ist es zweckmäßig, wenn
zumindest ein wesentlicher Teil der Vorrichtung im Erdreich angeordnet
ist. Vorzugsweise sind also wenigstens eine Kammer und der Auffangtank
im Erdreich angeordnet. Die Anordnung im Erdreich hat nämlich den
Vorteil, dass die Kühle
der anstehenden Erde dafür
sorgt, dass es nicht zu schnell zum Abtauen von eingelagertem gefrorenem
Wasser kommt. Außerdem
gleicht die anstehende Erde aufgrund ihrer großen Masse Temperaturschwankungen
aus. Mit anderen Worten wird ein gleichmäßigeres Klima in der Vorrichtung
erhal ten, was es auch regelungstechnisch vereinfacht, das erfindungsgemäße Verfahren
durchzuführen.
Schließlich
hat die Anordnung wesentlicher Teile der Vorrichtung im Erdreich
den Vorteil, dass nach Abschmelzung des gefrorenen Wassers der im
Erdreich angeordnete Teil der Vorrichtung als Ansaugkammer zum Ansaugen
von Luft zur Vorkühlung
von Kühlluft
für Kühlsysteme,
insbesondere für
Gepäckförderanlagen,
genutzt werden kann. So hat die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur einen
energetischen Vorteil im Winter, sondern sie kann auch Energie gewinnend
im Sommer eingesetzt werden. Dies steigert die Energieeffizienz
des angegebenen Verfahrens und seiner vorgeschlagenen Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens nochmals spürbar.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Darin
zeigen schematisch:
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1 einen
Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung während der
Gewinnung von Kühlenergie
aus Schnee;
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2 den
Schnitt durch das in 1 gezeigte, erste Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung während
der Gewinnung von Kühlenergie
aus Luft im Sommerbetrieb;
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3 einen
Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Gewinnung von Kühlenergie
aus Schnee während
einer ersten Abschmelzphase; und
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4 den
Schnitt durch das in 3 gezeigte, zweite Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung während
einer zweiten Abschmelzphase.
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Das
in 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur
Gewinnung von Kühlenergie
dient der Versorgung eines Flughafens mit Kühlenergie. Dabei versorgt die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ein
Flughafengebäude 2 sowie
die im Gebäude 2 befindlichen
Verbraucher wie etwa Aggregate 3 mit Kühlenergie. Konkret sind dies
vor allem die Gepäckförderanlagen,
Sortieranlagen, Klimaräume,
beispielsweise für
die Server und Rechner des Flughafens oder die Warteräume. Die einzelnen
Verbraucher der Kühlenergie
des Flughafens sind schematisch in 1 mit dem
Bezugsseichen 3 angedeutet. Diese Verbraucher sind an einen Kühlkreislauf
eines Kühlsystems 5 angeschlossen, das
zudem auch noch einen Wärmeübertrager 6 und zwei
Förderpumpen 7 und 8 aufweist.
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Verfahrensseitig
wird nun das während
des Winterdienstes angefallene zum Beispiel etwa –4°C kalte gefrorene
Wasser in Form von Schnee bzw. Eis in einem Schneedepot 4 gesammelt.
Dort wird es beispielsweise mit Hilfe von Schneeräumfahrzeugen
zu leichter handhabbaren Schnee- bzw. Eisblöcken 9 verdichtet
und in ein eine einzige Kammer 10 aufweisendes, tunnelähnliches
Bauwerk unterhalb des Flughafengebäudes 2 eingebracht.
In dem tunnelartigen Bauwerk 10 werden die zuerst eingebrachten links
gezeigten Eisblöcke 9 mit
Hilfe einer Abschmelzvorrichtung 11 mit Wasser getränkt. Als
Abschmelzwasser wird das von den Verbrauchern 3 und vom
Wärmetauscher 6 erwärmte Rücklaufwasser des
Kühlsystems 5 verwendet.
Das beim Tränken
der Eisblöcke 9 entstehende
Schmelzwasser vermischt sich mit dem Abschmelzwasser und kühlt dieses
ab. Das gesamte Prozesswasser wird in einem Auffangtank 12,
der sich seitlich unterhalb des tunnelartigen Bauwerks 10 befindet,
aufgefangen. Das im Auffangtank 12 gesammelte Auffangwasser 13 wird
dann mit Hilfe der Pumpe 8 als gegenüber dem Rücklaufwasser kälteres zum
Beispiel etwa 1°C
kaltes Kühlwasser
in den Kühlwasserkreislauf
des Kühlsystems 5 eingeleitet,
den Verbrauchern 3 bzw. dem Wärmeübertrager 6 zugeführt und
anschließend
wieder zum Abschmelzen weiteren gefrorenen Wassers verwendet.
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Nachdem
die im Winter angefallenen Mengen an natürlichen, gefrorenen Niederschlägen aufgebraucht
sind, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 im
Sommer zur Vorkühlung
von Kühlanlagen wie
raumlufttechnischen RLT-Anlagen im Flughafengebäude 2 verwendet. Hierzu
wird die zum Beispiel 32°C
heiße
Außenluft,
angedeutet durch die mit L bezeichneten Pfeile, durch das unterhalb
des Flughafengebäudes 2 befindliche,
mit dem Erdreich in Kontakt stehenden Tunnelbauwerk 10 angesaugt
und dort aufgrund der kühlen
Temperatur im Erdreich auf etwa 8°C
abgekühlt.
Somit wirkt das tunnelartige Bauwerk 10 als Erdkollektor,
so dass die Kühlanlagen 3 zur
Kühlung
beispielsweise von Gepäckförderanlagen
eine insge samt geringere Kühlleistung
zu erbringen haben, als wenn sie die heiße sommerliche Außenluft
ansaugen würden.
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Bei
dem in 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Gewinnung von Kühlenergie
ist das tunnelartige Grubenbauwerk nicht nur in eine einzige Kammer aufgegliedert,
sondern es weist konkret vier Kammern 15, 16, 17, 18 auf.
Jeder Kammer weist wiederum eine Abschmelzvorrichtung 11 auf,
die jedoch alle miteinander verbunden sind. Vor der Kammer 18 ist eine
nach oben offene Einlasskammer 19 angeordnet. In diese
Einlasskammer 19 werden die benötigten Schnee- bzw. Eismengen
von oben eingefüllt. Vorliegend
sind die Kammern 15, 16, 17, 18 bereits mit
vier Eisblöcken 9 befüllt. Die
Beschickung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erfolgt also von rechts nach links, nämlich von der Einfüllkammer 19 über die
Kammer 18, Kammer 17, Kammer 16 zur Kammer 15.
Damit nachfolgend anfallender Schnee möglichst rasch in die Vorrichtung 1 eingefüllt werden kann,
erfolgt das Abtauen vorzugsweise zunächst in Kammer 18,
also der der Einfüllkammer 19 nächstgelegenen
Kammer und wird dann sukzessive in Kammer 18, in Kammer 17,
in Kammer 16 und schließlich in Kammer 15 durchgeführt.
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In
dem in 3 gezeigten Verfahrensstadium ist der in Kammer 18 eingelagerte
Eisblock 9 bereits teilweise abgetaut, während die
Eisblöcke 9 in den
Kammern 15, 16 und 17 noch nicht abgetaut werden.
Damit diese Blöcke
nicht vom Abtauprozess in Kammer 18 beeinträchtigt werden,
sind die Kammern 15 bis 17 durch Rollwände 20 bis 24 verschließbar. Im
vorliegenden Verfahrensstadium wird die in der Kammer 18 angeordnete
Abschmelzvorrichtung 11 betrieben, so dass mit Hilfe der
Abschmelzvorrichtung 11 das Abschmelzwasser 25 über Düsen 26 auf den
Eisblock 9 gesprüht
wird. Das Abschmelzwasser 25 tränkt den Eisblock 9 und
sorgt so dafür,
dass dieser schmilzt und dass sich das dabei einstellende Schmelzwasser
mit dem Abschmelzwasser 25 vermischt. Die gesamte Menge
an flüssigem
Wasser, das Auffangwasser 13 wird dann vom Kammerboden 27 aufgefangen
und über
den Kammerablauf 28 und einer sich daran anschließenden Wasserleitung 29 in den
Auffangtank 12 geleitet.
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Der
Auffangtank 12 ist Teil eines Grubenbauwerks 30,
das mit Hilfe einer Trennwand 31 in den Auffangtank 12 und
einen Kühlwassertank 32 unterteilt
ist. Dabei weist die Unterteilungswand 31 einen geringere
Höhe als
die Seitenwand 33 des Grubenbauwerks 30 auf, so
dass Wasser aus dem Kühlwassertank 32 in
den Auffangtank 12 fließen kann und umgekehrt. Außerdem weist
die Unterteilungswand 31 an ihrer Unterseite eine Öffnung 34 auf,
so dass im unteren Bereich des Auffangtanks 12 angesammeltes
kaltes Auffangwasser 13 in den Kühlwassertank 32 fließen kann.
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Der
verfahrensmäßige Ablauf
der Gewinnung von Kühlenergie
gestaltet sich in diesem zweiten Ausführungsbeispiel nun so, dass
das im Auffangtank 12 aufgefangene Wasser mit Hilfe einer Steigleitung 35 und
einer Pumpe 36 in die Abschmelzvorrichtung 11 eingeleitet
wird. Dabei sind die Abschmelzvorrichtungen 11 der Kammern 15, 16, 17 abgeschaltet,
so dass die in den Abschmelzvorrichtungen der Kammern 15, 16, 17 vorgeschalteten Magnetventile 37, 38, 39 verschlossen
und einzig das Magnetventil 40 geöffnet ist. Somit strömt das im Auffangtank 12 angesaugte
Auffangwasser 13 über die
Abschmelzvorrichtung auf den Eisblock 9 und taut diesen
ab. Währenddessen
wird über
die Durchlassöffnung 34 ein
Teil des Auffangwassers 13 in den Kühlwassertank 32 angesaugt,
da ein gewisser Unterdruck im Kühlwassertank 32 durch
die Pumpen 7, 8 des Kühlsystems 5 erzeugt
wird. So wird mittels einer Wasserleitung 41 nämlich Kühlwasser
aus dem unteren Bereich des Kühlwassertanks 32 in
das Kühlsystem 5 gefördert und
dem Wärmeübertrager 6 bzw. den
ihm nachgeschalteten Verbrauchern 3 zugeführt. Im
Gegensatz zum Ausführungsbeispiel
in 1 wird nun aber das Rücklaufwasser nicht direkt zur Speisung
der Abschmelzvorrichtung 11 verwendet, sondern über die
Wasserleitung 42 wieder in den Kühlwassertank 32 eingespeist.
Hierbei erfolgt die Einspeisung des Rücklaufwassers nur in den oberen Bereich
des Kühlwassertanks 32,
wobei mit Hilfe einer Prallplatte 43 sichergestellt wird,
dass das aus der Leitung 42 austretende und erhitzte Wasser
sich nicht mit dem kühleren
Kühlwasser
im unteren Bereich des Kühlwassertanks 32 vermischt.
Es wird also mit anderen Worten eine Schichtung unterschiedlich
temperierter Wasserschichten im Kühlwassertank 32 vorge nommen.
Dies führt
zu einer besseren energetischen Ausnutzung der in den Eisblöcken enthaltenen
Energie.
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In 4 ist
das in 3 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel in einem späteren Verfahrensstadium
gezeigt, bei dem die Kammer 18 bereits vollständig entleert
und nunmehr der Eisblock in Kammer 17 abgetaut wird. Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird nun so lange durchgeführt,
bis sämtliche Mengen
an gefrorenen Wassers auch in den Kammern 15, 16 und 17 abgeschmolzen
sind und die Vorlauftemperatur für
das Kühlsystem 5 eine
Temperatur von etwa 21°C
erreicht hat. Ist dies der Fall, wird das überschüssige Schmelzwasser über den
etwas unterhalb des Kammerbodens 27 gelegenen Ablauf 44 in
eine Abflussleitung abgeleitet. So kann etwas Wasser nach Abschluss
des Verfahrens im Tank verbleiben um bei nachfolgenden Abschmelzprozessen wieder
als Abschmelzwasser verwendet zu werden, ohne das frisches Wasser
hierzu benötigt
wird.
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Mit
den gezeigten Ausführungsbeispielen
ist es möglich
im Winter etwa 25 Prozent der Kälteversorgung
eines mittelgroßen
Flughafenterminals in Mitteleuropa zu sichern, wenn man von einer
verfahrensgemäß abgeschmolzenen
und von einer von 0°C bis
21°C thermisch
ausgenutzten Wassermenge aus etwa 13.500 Tonnen Eis beziehungsweise
15.000 Kubikmeter verdichteten Schnees ausgeht. Dies entspricht
einer regenerativ erzeugten Kühlleistung
von etwa 1.950 MWh/a wodurch sich der Primärenergieverbrauch entsprechend
senkt. Die jährliche
Brennstoffeinsparung kann bei etwa 200 Tonnen Heizöl (Heizöladäquat) oder
einer Reduzierung des CO2 Ausstoßes um etwa
500 Tonnen pro Jahr veranschlagt werden. Aufgrund der relativ geringen
baulichen Maßnahmen
ist bei den hier gezeigten Abmessungen auf der Basis heutiger Energiepreise
für die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer Amortisationszeit von nur 10 bis 11 Jahren zu rechnen.