DE102022000873A1

DE102022000873A1 - Solar heat storage system

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Publication number: DE102022000873A1
Application number: DE102022000873.4A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-03-12
Filing date: 2022-03-12
Publication date: 2023-09-14

Abstract

Solares Wärmespeichersystem 1 zur Speicherung von Wärmeenergie, welche mittels einer thermischen Solaranlage 10 aus der Einstrahlung der Sonnenenergie gewonnen wird und mit mindestens einem ersten Wärmespeicher 42, bestehend aus einem unter der Erdoberfläche angeordneten Rohr- oder Schlauchsystem, in welches die solare Wärmeenergie mittels eines Wärmeträgers eingebracht und aus diesem wieder entnommen werden kann, wobei zumindest derjenige Bereich des Erdreichs, der das Rohr- oder Schlauchsystem umgibt, mit Feuchtigkeit versehen wird oder versehen ist, um die Wärmekapazität des Erdreichs zu erhöhen.Solar heat storage system 1 for storing heat energy, which is obtained from the radiation of solar energy by means of a thermal solar system 10 and with at least one first heat storage 42, consisting of a pipe or hose system arranged below the earth's surface, into which the solar heat energy is introduced by means of a heat transfer medium and can be removed from this again, at least that area of the soil that surrounds the pipe or hose system being or is provided with moisture in order to increase the heat capacity of the soil.

Description

Die Erfindung betrifft ein solares Wärmespeichersystem zur Speicherung von Wärmeenergie, welche mittels einer thermischen Solaranlage aus der Einstrahlung der Sonnenenergie gewonnen wurde.The invention relates to a solar heat storage system for storing thermal energy, which was obtained from solar energy irradiation using a solar thermal system.

Derartige Solaranlagen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und bestehen beispielsweise aus Flachkollektoren oder aus Vakuumröhren, welche einen geschwärzten Absorber zur Umwandlung der eingestrahlten elektromagnetischen Energie der Sonne in Wärmeenergie aufweisen. Die eingestrahlte und in Wärmeenergie umgewandelte Energie der Sonne liegt dabei vorwiegend im Bereich der Infrarot-Strahlung über das sichtbare Spektrum des Lichtes bis maximal in den weichen UV-Bereich. Daneben sind auch Hybrid-Kollektoren bekannt, welche Silizium-Solarzellen zur Umwandlung des eingestrahlten Sonnenspektrums in elektrische Energie aufweisen und daneben die erzeugte Wärmeenergie gewinnen. Die thermischen Solaranlagen führen die aus der Solarenergie umgewandelte Wärmeenergie mittels eines Wärmemediums ab, welches beispielhaft aus einem Thermoöl oder aus anderen Medien besteht, und geben die Wärme mittels eines Wärmetauschers an Wasser ab, welches sich in einem Boiler befindet. Dieser Boiler dient als Pufferspeicher gibt seine Wärmeenergie beispielsweise als Warmwasser und/oder für eine Wasserheizung ab, vorzugsweise für Fussboden- und/oder Wandheizungen. Dieser Wärmeenergie-Übertrag kann ggf. über weitere Wärmetauscher geschehen. Es ist ferner bekannt, überschüssige Wärmeenergie an einen Erdwärmespeicher abzuführen. Dieser Erdwärmespeicher kann im Erdreich selber oder in präparierten Schichten oder Volumina angeordnet sein. Diese Schichten oder Volumina bestehen beispielsweise aus Sand oder Lehm bzw. aus Bauwerken, etwa Fundamenten oder Bodenplatten, bestehend aus Stein, Beton (auch als Betonkernaktivierung bezeichnet) oder Estrich. Der Erdwärmespeicher besteht in der Regel aus flächig angeordneten Rohren oder Schläuchen, welche eine Flüssigkeit als Wärmeträger, in der Regel Wasser, aufnehmen und durchleiten können. Hierdurch wird Wärme an die Umgebung unterhalb der Erdoberfläche abgegeben und kann ggf. mit einer separaten Verrohrung wieder entnommen werden.Such solar systems are well known from the prior art and consist, for example, of flat-plate collectors or vacuum tubes, which have a blackened absorber for converting the radiated electromagnetic energy of the sun into thermal energy. The energy emitted by the sun and converted into thermal energy is predominantly in the range of infrared radiation across the visible spectrum of light up to a maximum of the soft UV range. In addition, hybrid collectors are also known which have silicon solar cells to convert the irradiated solar spectrum into electrical energy and also recover the heat energy generated. The thermal solar systems dissipate the heat energy converted from solar energy using a heat medium, which consists, for example, of thermal oil or other media, and give off the heat to water, which is located in a boiler, using a heat exchanger. This boiler serves as a buffer storage and releases its heat energy, for example as hot water and/or for water heating, preferably for underfloor and/or wall heating. This heat energy transfer can, if necessary, take place via additional heat exchangers. It is also known to dissipate excess thermal energy to a geothermal energy storage. This geothermal heat storage can be arranged in the ground itself or in prepared layers or volumes. These layers or volumes consist, for example, of sand or clay or of structures, such as foundations or floor slabs, consisting of stone, concrete (also referred to as concrete core activation) or screed. The geothermal heat storage usually consists of flatly arranged pipes or hoses, which can absorb and pass through a liquid as a heat transfer medium, usually water. As a result, heat is released into the environment below the earth's surface and can, if necessary, be removed again using separate piping.

Aus der CH712294 A2 ist ein thermisches Energiesystem bekannt, welches ein Energie-Netzwerk mit zwei Temperaturniveaus aufweist.From the CH712294 A2 a thermal energy system is known which has an energy network with two temperature levels.

Nachteilig bei bisherigen solaren Wärmespeichersystemen ist allerdings eine vergleichsweise geringe Wärmemenge, die bezogen auf das verfügbare Erdvolumen gespeichert werden kann bzw. dass bisherige solare Erdwärmespeicher lediglich ein einheitliches Wärmeniveau aufweisen.However, the disadvantage of previous solar heat storage systems is a comparatively small amount of heat that can be stored based on the available volume of the earth or that previous solar geothermal heat storage systems only have a uniform heat level.

Diese Nachteile werden durch die im folgenden angegebene Erfindung beseitigt. Es ist also die Aufgabe der Erfindung, ein solares Wärmespeichersystem anzugeben, welches eine höhere Wärmekapazität im Vergleich zu bisherigen Wärmespeichersystemen aufweist.These disadvantages are eliminated by the invention specified below. It is therefore the object of the invention to provide a solar heat storage system which has a higher heat capacity compared to previous heat storage systems.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein solares Wärmespeichersystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Insbesondere ist ein solares Wärmespeichersystem angegeben, das vorzugsweise zwei unterschiedliche Wärmeniveaus aufweist Beansprucht wird ein solares Wärmespeichersystem, welcher zur Speicherung von Wärmeenergie, welche mittels einer thermischen Solaranlage aus der Einstrahlung der Sonnenenergie gewonnen wird, einen ersten Wärmespeicher sowie vorzugsweise einen zweiten Wärmespeicher aufweist, bestehend jeweils aus einem unter der Erdoberfläche angeordneten Rohr- oder Schlauchsystem, in welches die solare Wärmeenergie mittels eines Wärmeträgers eingebracht und aus diesem wieder entnommen werden kann, wobei erfindungsgemäß zumindest derjenige Bereich des Erdreichs, der das Rohr- oder Schlauchsystem umgibt, mit Feuchtigkeit versehen wird oder versehen ist, um die Wärmekapazität des Erdreichs und somit des Wärmespeichers zu erhöhen. Die Erfindung umfasst ebenfalls andere Medien, die zusätzlich oder alternativ zu Erdreich innerhalb des Speicherbereichs angeordnet sind und welche infolge einer Aufnahme von Feuchtigkeit Ihre Speicherkapazität erhöhen.This object is achieved according to the invention by a solar heat storage system with the features of the independent claim. Preferred embodiments and further advantageous features of the invention are specified in the dependent claims. In particular, a solar heat storage system is specified, which preferably has two different heat levels. What is claimed is a solar heat storage system, which has a first heat storage and preferably a second heat storage for storing heat energy, which is obtained from the radiation of solar energy by means of a solar thermal system, each consisting of from a pipe or hose system arranged below the earth's surface, into which the solar heat energy can be introduced and removed again by means of a heat transfer medium, whereby, according to the invention, at least that area of the soil that surrounds the pipe or hose system is or is provided with moisture is to increase the heat capacity of the soil and thus the heat storage. The invention also includes other media which are arranged in addition to or as an alternative to soil within the storage area and which increase their storage capacity as a result of absorbing moisture.

Ein weiterer Vorteil dieses solaren Wärmespeichersystems besteht darin, dass die beiden Wärmespeicher eine unterschiedliche Temperatur aufweisen. Dies wird vorzugsweise dadurch gewährleistet, dass die beiden Wärmespeicher vorzugsweise in separaten Bereichen, insbesondere in unterschiedlichen Bodentiefen als Schichtenspeicher angeordnet sind. Vorzugsweise weist dabei der obere Wärmespeicher eine höhere Temperatur auf als der untere Wärmespeicher. Ferner sind die beiden Wärmespeicher vorzugsweise gegeneinander thermisch isoliert. Insbesondere ist der obere Wärmespeicher nach oben hin thermisch isoliert ist und zumindest derjenige Wärmespeicher, der die höhere Speichertemperatur (Warmspeicher) aufweist, ist vorzugsweise umlaufend thermisch isoliert. Vorzugsweise weist dabei der obere Wärmespeicher eine höhere Speichertemperatur auf als der untere Wärmespeicher. Die Speichertiefe, d.h. die Ausdehnung des Speichers in Richtung senkrecht zur Erdoberfläche, beträgt dabei vorzugsweise 30 cm bis 150 cm, besonders bevorzugt 50 cm bis 100 cm.Another advantage of this solar heat storage system is that the two heat storage systems have a different temperature. This is preferably ensured in that the two heat accumulators are preferably arranged in separate areas, in particular at different floor depths, as layered accumulators. The upper heat storage preferably has a higher temperature than the lower heat storage. Furthermore, the two heat accumulators are preferably thermally insulated from one another. In particular, the upper heat storage is thermally insulated at the top and at least the heat storage that has the higher storage temperature (warm storage) is preferably thermally insulated all around. The upper heat storage preferably has a higher storage temperature than the lower heat storage. The storage depth, ie the extent of the storage in the direction perpendicular to the earth surface, is preferably 30 cm to 150 cm, particularly preferably 50 cm to 100 cm.

Um die thermische Leitfähigkeit der Wärmespeicher zu erhöhen, wird sichergestellt, dass zumindest das den ersten Wärmespeicher umgebende Erdreich eine hinreichende Feuchtigkeit aufweist. Vorzugsweise befindet sich zumindest der erste Wärmespeicher (Kaltspeicher) innerhalb des Grundwasserspiegels, oder innerhalb eines Regenwasser-Versickerungssystems. Das Versickerungssystem weist vorzugsweise eine variable Höhe zur idealen Einregulierung des Feuchtigkeitsspiegels auf. Ferner können Feuchtigkeits- und Temperatursensoren in den Wärmespeichern und/oder den sie umgebenden Medien eingebettet sein. Vorzugsweise wird der Wärmeenergieeintrag in den ersten und/oder den zweiten Wärmespeicher über eine Betonplatte oder ein thermisch leitfähiges Gemisch geschieht, in welches ein Zuführungs- und Entnahmesystem für thermische Energie integriert ist.In order to increase the thermal conductivity of the heat storage, it is ensured that at least the soil surrounding the first heat storage has sufficient moisture. Preferably, at least the first heat storage (cold storage) is located within the groundwater table, or within a rainwater infiltration system. The infiltration system preferably has a variable height for ideal regulation of the moisture level. Furthermore, humidity and temperature sensors can be embedded in the heat storage and/or the media surrounding them. Preferably, the thermal energy input into the first and/or the second heat storage occurs via a concrete slab or a thermally conductive mixture, into which a supply and extraction system for thermal energy is integrated.

Die Regeneration der beiden Wärmespeicher wird dabei mittels Solarthermie sichergestellt. Eine Entnahme der Wärmeenergie erfolgt über einen Wärmetauscher entweder direkt oder über eine Wärmepumpe an eine Heizung bzw. an ein Warmwassersystem. Der obere Wärmespeicher ist vorzugsweise der Warmspeicher und wird zunächst mit solarer Wärmeenergie beladen. Der Temperaturbereich liegt dabei je nach Beladungszustand bei über 30 Grad Celsius, vorzugsweise bei zwischen 40 °C und 50 °C. Ist der obere Wärmespeicher hinreichend mit Wärmeenergie aufgeladen, so erfolgt anschließend die Beladung des unteren Wärmespeichers. Dieser weist je nach Beladungszustand einen Temperaturbereich von zwischen 15°C und 30°C auf. Bei einem Enttade-Zustand können beide Speicher jedoch auch geringere Temperaturen aufweisen. Insbesondere kann der untere Wärmespeicher im Hochsommer als Puffer dienen, da der Speicherbedarf für die eingestrahlte und nahezu kostenlose Wärmenergie der Sonne vorzugsweise höher ausgelegt werden sollte als der durchschnittliche Bedarf des Gebäudes an Wärmeenergie, um somit Reserven vorzusehen. Hierzu wird ein Teil des Kaltspeichers relativ mittig nach unten hin offengehalten, d.h. nicht thermisch isoliert. Somit kann überschüssige Wärmeenergie in den Speicher ein- und ausgebracht werden. Das Temperaturniveau des unteren Wärmespeichers ist relativ niedrig und sollte über einen separaten Wärmetauscher-Kreis gesteuert werden. Sofern Kühlbedarf vorhanden ist, wird dazu vorzugsweise der Kaltspeicher sowie ein separater Wärmetauscher-Kreis vorgesehen, und dient somit zumindest in der warmen Jahreszeit zur Kühlung und Klimatisierung.The regeneration of the two heat storage units is ensured using solar thermal energy. The thermal energy is extracted via a heat exchanger either directly or via a heat pump to a heating or hot water system. The upper heat storage is preferably the warm storage and is initially loaded with solar heat energy. Depending on the load, the temperature range is over 30 degrees Celsius, preferably between 40 °C and 50 °C. If the upper heat storage is sufficiently charged with thermal energy, the lower heat storage is then charged. Depending on the load condition, this has a temperature range of between 15°C and 30°C. However, in a discharge state, both memories can also have lower temperatures. In particular, the lower heat storage can serve as a buffer in midsummer, since the storage requirement for the radiated and almost free heat energy from the sun should preferably be designed to be higher than the building's average heat energy requirement in order to provide reserves. For this purpose, part of the cold storage is kept open relatively centrally towards the bottom, i.e. not thermally insulated. This means that excess heat energy can be brought into and out of the storage. The temperature level of the lower heat storage is relatively low and should be controlled via a separate heat exchanger circuit. If there is a need for cooling, the cold storage and a separate heat exchanger circuit are preferably provided and are therefore used for cooling and air conditioning at least in the warm season.

Vorzugsweise sind beide Wärmespeicher, ganz besonders der Hochtemperatur-Wärmespeicher umlaufend thermisch isoliert. Besonders bevorzugt ist der Hochtemperatur-Wärmespeicher nach oben hin thermisch isoliert, damit keine Beeinträchtigung einer darüber angeordneten Fußbodenaktivierung bzw. Estrich-Fußbodenheizung eintritt, damit sich die Systeme nicht gegenseitig beeinflussen. Die thermische Isolierung erfolgt dabei vorzugsweise durch eine Perimeter-Dämmung und/oder mittels Glasschaum-Schotter. Die Berechnung der Isolierungsstärke der Speicher erfolgt dabei analog zur Wärmedämmungsberechnung eines Gebäudes.Both heat accumulators, especially the high-temperature heat accumulator, are preferably thermally insulated all around. Particularly preferably, the high-temperature heat storage is thermally insulated at the top so that there is no impairment of underfloor activation or screed underfloor heating arranged above it, so that the systems do not influence each other. The thermal insulation is preferably carried out using perimeter insulation and/or glass foam gravel. The calculation of the insulation thickness of the storage tanks is carried out in the same way as the thermal insulation calculation of a building.

Der Wärmeenergie-Eintrag bzw. -Auszug erfolgt vorzugsweise über die Betonplatte in welcher Speicherschläuche auf einer Stahl- oder Edelstahlarmierung (bei Umgebungs-Feuchtigkeit ist Edelstahl korrosionsbeständiger) vor dem Betonieren fixiert werden. Darüber ist eine Lehmschicht bzw. Erdschicht bzw. ein Schotter-Erd-Gemisch vorgesehen. Diese dient neben der Betonplatte selbst zusätzlich als Speicher und weist bevorzugt eine Speicherdicke von 30 cm bis 150 cm auf. In dieser Schicht ist eine Feuchtigkeits-Regulierung etwa schachbrettartig mit Verbindungskanälen vorgesehen. Hierbei wird die Feuchtigkeit über Sensoren gemessen und bei Bedarf per Regenwasser eingestellt. Dies kann zumindest teilweise zur Versickerung des in einer Zisterne aufgefangenen Dachwassers dienen. Der Kaltspeicher ist vorzugsweise der untere Speicher. Dieser ist vorzugsweise zumindest nach oben hin isoliert, um einen Verlust von Wärmeenergie des Warmspeichers nach untenhin wirkungsvoll zu verringern. Ist der obere Warmspeicher mit etwa 40 Grad Celsius bis 50 Grad Celsius ausreichend beladen, so erfolgt anschließend die Beladung des unteren Speichers. Je nach Höhe von Wärme-Ein- und -Austrag liegt das Temperaturniveau des oberen Wärmespeichers (Warmspeichers) zwischen 12 °C und etwa 50°C, während das Temperaturniveau des unteren Wärmespeichers (Kaltspeichers) in der Regel darunter liegt und je nach Menge der Einbringung und des Austrags von Wärmeenergie oberhalb der Bodentemperatur liegt. Solange das Temperaturniveau des einzubringenden Wärmemediums oberhalb des Temperaturniveaus des oberen Wärmespeichers liegt, wird die Wärmeenergie vorzugsweise in den oberen Wärmespeicher (Warmspeicher) eingebracht, ansonsten in den unteren Wärmespeicher (Kaltspeicher). Es ist darüber hinaus denkbar, im Sommer zur Kühlung einen separaten Kälte-Kreislauf im Kaltspeicher vorzusehen, um diesen als Kältereservoir zur (Raum-) Kühlung und Klimatisierung zu verwenden.The thermal energy input or extraction preferably takes place via the concrete slab in which storage hoses are fixed to a steel or stainless steel reinforcement (stainless steel is more corrosion-resistant in ambient humidity) before concreting. On top of this, a layer of clay or earth or a gravel-earth mixture is provided. In addition to the concrete slab itself, this also serves as storage and preferably has a storage thickness of 30 cm to 150 cm. In this layer, moisture regulation is provided in a checkerboard-like manner with connecting channels. The humidity is measured using sensors and adjusted using rainwater if necessary. This can at least partially serve to seep away the roof water collected in a cistern. The cold storage is preferably the lower storage. This is preferably insulated at least at the top in order to effectively reduce any loss of thermal energy from the warm storage device downwards. If the upper warm storage tank is sufficiently loaded with around 40 degrees Celsius to 50 degrees Celsius, the lower storage tank is then loaded. Depending on the level of heat input and output, the temperature level of the upper heat storage (hot storage) is between 12 °C and around 50°C, while the temperature level of the lower heat storage (cold storage) is usually lower and depending on the amount of input and the release of heat energy is above the ground temperature. As long as the temperature level of the heat medium to be introduced is above the temperature level of the upper heat storage, the thermal energy is preferably introduced into the upper heat storage (hot storage), otherwise into the lower heat storage (cold storage). It is also conceivable to provide a separate cold circuit in the cold storage unit for cooling in summer in order to use it as a cold reservoir for (room) cooling and air conditioning.

Der untere Speicher weist im beladenen Zustand eine Temperatur im Bereich von ca. 11°C bis 30°C auf und liegt somit oberhalb der Bodentemperatur. Ferner kann der untere Kaltspeicher zur Kühlung im Sommer für Kühlsysteme verwendet werden. Ab ca. 3 Meter hat das Erdreich eine Grundwärme von etwa 3 °C bis 8 Grad Celsius je nach Beschaffenheit. Somit kann eine Wärmepumpe, die bis -5 Grad Entzugstemperatur arbeitet, stets ausreichend Energie beziehen. Je höher die Entzugstemperatur der Wärmepumpe, umso höher ist der Wirkungsgrad. Sollte die Temperatur des oberen oder des unteren Wärmespeichers über 30 Grad Celsius liegen, so kann mit der ausgebrachten Wärmeenergie bei der hohen Temperatur bereits ohne Wärmepumpe geheizt werden.When loaded, the lower storage unit has a temperature in the range of approx. 11°C to 30°C and is therefore above the floor temperature. Furthermore, the lower cold storage can be used for cooling systems in summer. From approx. 3 meters the soil has a foundation heat from around 3 °C to 8 degrees Celsius depending on the condition. This means that a heat pump that works at an extraction temperature of -5 degrees can always draw sufficient energy. The higher the extraction temperature of the heat pump, the higher the efficiency. If the temperature of the upper or lower heat storage is above 30 degrees Celsius, the heat energy released can be used to heat at the high temperature without a heat pump.

Vorzugsweise wird zumindest im unteren Wärmespeicher (Kaltspeicher) die Versickerung des Dachwassers mit integriert. Da im unteren Bereich die Wärmespeicher-Temperatur geringer ist, erfolgt keine nennenswerte Absenkung bzw. kein nennenswerter Verlust durch die Versickerung des Regenwassers und darüber hinaus ist die Wärmekapazität des Erdreichs erhöht und die Leitfähigkeit der Medien ist gewährleistet. Alternativ kann sich der untere Wärmespeicher (Kaltspeicher) innerhalb des Grundwasserspiegels befinden und das den oberen Wärmespeicher (Warmspeicher) umgebende Erdreich wird durch Sickerwasser befeuchtet. Die Bewässerung zumindest des oberen Wärmespeichers und, falls sich der untere Wärmespeicher nicht innerhalb des Grundwasserspiegels befindet, auch des unteren Wärmespeichers geschieht über Sickerwasser, welches einer Zisterne entnommen wird, welche vorzugsweise Regenwasser vom Dach eines Gebäudes und/oder von versiegelten Bodenflächen aufnimmt und über einen - ggf. variablen - Ablauf aus der Zisterne wieder abgibt. Hierzu werden oberhalb und/oder unterhalb der Wärmespeicher mit Schotter und/oder Sand gefüllte, schachbrettartig angeordnete Kanäle vorgesehen, welche mit dem Sickerwasser bewässert werden.The infiltration of roof water is preferably integrated at least in the lower heat storage (cold storage). Since the heat storage temperature is lower in the lower area, there is no significant reduction or loss due to the infiltration of rainwater and, in addition, the heat capacity of the soil is increased and the conductivity of the media is guaranteed. Alternatively, the lower heat storage (cold storage) can be located within the groundwater table and the soil surrounding the upper heat storage (warm storage) is moistened by seepage water. The irrigation of at least the upper heat storage and, if the lower heat storage is not within the groundwater table, also the lower heat storage occurs via seepage water, which is taken from a cistern, which preferably absorbs rainwater from the roof of a building and / or from sealed floor areas and via a - if necessary variable - discharge from the cistern. For this purpose, channels filled with gravel and/or sand and arranged in a checkerboard pattern are provided above and/or below the heat storage, which are irrigated with the seepage water.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 shows schematically the structure of a solar heat storage system according to the invention,
2 shows schematically the structure of the heat storage in the ground beneath a building.

Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen der ErfindungDescription of preferred embodiments of the invention

Die 1 zeigt den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen solaren Wärmespeichersystems 1, bestehend aus einer thermischen Solaranlage, welche mehrere Solarpanele 10 aufweist und solare Wärmeenergie bereitstellt, welche beispielsweise in einem Wasserboiler 20 zwischengespeichert wird. Der Energieübertrag von der solaren Wärme in den Wasserboiler 20 geschieht vorzugsweise über einen Wärmetauscher, welcher der Übersichtlichkeit halber nicht zeichnerisch dargestellt ist. Ist der Wasserboiler 20 wärmeenergetisch gesättigt, dies ist etwa bei einer Wassertemperatur von 60°C bis 80°C der Fall, so wird über einen Wärmetauscher 30 die überschüssige Wärmeenergie zunächst in den oberen Wärmespeicher (Warmspeicher) 41 und bei ausreichender Befüllung des Warmspeichers 41 in den unteren Wärmespeicher (Kaltspeicher) 42 eingebracht. Die Umschaltung geschieht über ein Umschaltventil 40, welches bei einer Temperatur von etwa 40 °C bis 50°C des Warmspeichers 41 beginnt, die solare Wärmeenergie in den unteren Kaltspeicher 42 einzubringen.The 1 shows the basic structure of a solar heat storage system 1 according to the invention, consisting of a thermal solar system, which has several solar panels 10 and provides solar thermal energy, which is temporarily stored, for example, in a water boiler 20. The energy transfer from the solar heat into the water boiler 20 preferably occurs via a heat exchanger, which is not shown graphically for the sake of clarity. If the water boiler 20 is saturated in terms of thermal energy, which is the case at a water temperature of 60 ° C to 80 ° C, the excess heat energy is first transferred via a heat exchanger 30 to the upper heat storage (hot storage) 41 and, when the hot storage 41 is sufficiently filled the lower heat storage (cold storage) 42 is introduced. The switching takes place via a switching valve 40, which begins to introduce the solar heat energy into the lower cold storage 42 at a temperature of approximately 40 ° C to 50 ° C of the warm storage 41.

Liefert die thermische Solaranlage nicht mehr ausreichend Wärmeenergie und ist der Wasserboiler 20 nicht mehr ausreichend warm, so beginnt die Rückholung von Wärmeenergie zunächst aus dem Warmspeicher 41 und anschließend aus dem Kaltspeicher 42. Dies geschieht in der Regel über eine Wärmepumpe 50, welche die Wärmeenergie beispielsweise an den Wasserboiler 20 abgibt; bei ausreichend hoher Temperatur insbesondere des Warmspeichers wird die Wärmeenergie ggf. ohne Nutzung der Wärmepumpe 50 direkt in den Warmwasserboiler 20 eingebracht. Der Wärmeenergie-Transfer geschieht über einen nicht zeichnerisch dargestellten Wärmetauscher innerhalb des Wasserboilers 20. Das Warmwasser des Wasserboilers kann anschließend zur Warmwasser-Nutzung und/oder für den Betrieb einer Heizung 60 verwendet werden. Weiterhin ist es denkbar, zwei Wasserboiler vorzusehen, welche zwei unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen für Warmwasser einerseits und für die Heizungsanlage andererseits.If the thermal solar system no longer supplies sufficient heat energy and the water boiler 20 is no longer sufficiently warm, the recovery of heat energy begins first from the warm storage 41 and then from the cold storage 42. This is usually done via a heat pump 50, which recovers the heat energy, for example to the water boiler 20; If the temperature, in particular of the hot storage tank, is sufficiently high, the thermal energy is introduced directly into the hot water boiler 20, if necessary without using the heat pump 50. The heat energy transfer occurs via a heat exchanger (not shown in the drawing) within the water boiler 20. The hot water from the water boiler can then be used for hot water use and/or for operating a heater 60. Furthermore, it is conceivable to provide two water boilers which have two different temperature levels for hot water on the one hand and for the heating system on the other.

Die 2 zeigt schematisch den Aufbau der Wärmespeicher im Erdreich unterhalb eines Gebäudes. Hierbei befindet sich eine Fußbodenheizung 60 als Kernaktivierung innerhalb einer Beton-Bodenplatte. Unterhalb der Bodenplatte befindet sich eine thermische Isolierschicht 103 in Form von Glasschaum-Schotter und/oder einer Perimeter-Dämmung. Eine Isolierung in Form einer Perimeter-Dämmung umgibt ferner das Fundament 80. Ein oberer Wärmespeicher 41 ist unterhalb des Fundaments angeordnet und besteht vorzugsweise aus einer Betonplatte mit BetonkernAktivierung, d.h. Schläuche oder Rohre befinden sich innerhalb der Betonplatte und werden von einem Wärmeträger-Medium durchflossen, welches zum Wärmeenergie-Eintrag und zur Wärmeenergie-Ausbringung dient. Oberhalb des oberen Wärmespeichers 41 sind Feuchtigkeits-Kanäle 71 angeordnet, welche mit Schotter und/oder mit Sand gefüllt sind und dem kontrollierten Eintrag von Bodenfeuchtigkeit dienen. Zwischen der unterhalb der Bodenplatte 60 angeordneten Isolierschicht 103 und dem oberen Wärmespeicher 41 befindet sich Lehm oder Erde bzw. wärmespeichernde Medien, welche durch die Feuchtigkeitskanäle 71 feuchtigkeitsreguliert sind. Diese Schicht dient der Aufnahme der Wärmeenergie des oberen Wärmespeichers 41 und weist bevorzugt eine Dicke von 30 cm bis 150 cm, besonders bevorzugt von 50 cm bis 100 cm auf.The 2 shows schematically the structure of the heat storage in the ground beneath a building. There is an underfloor heating 60 as a core activation within a concrete floor slab. Below the base plate there is a thermal insulating layer 103 in the form of glass foam gravel and/or perimeter insulation. An insulation in the form of perimeter insulation also surrounds the foundation 80. An upper heat storage 41 is arranged below the foundation and preferably consists of a concrete slab with concrete core activation, ie hoses or pipes are located within the concrete slab and a heat transfer medium flows through them, which is used for thermal energy input and thermal energy output. Above the upper heat storage 41, moisture channels 71 are arranged, which are filled with gravel and/or sand and serve for the controlled entry of soil moisture. Between the insulating layer 103 arranged below the base plate 60 and the upper heat storage 41 there is clay or earth or heat-storing media, which are moisture-regulated by the moisture channels 71. This layer serves the Absorbs the heat energy of the upper heat storage 41 and preferably has a thickness of 30 cm to 150 cm, particularly preferably 50 cm to 100 cm.

Unterhalb des oberen Wärmespeichers 41 befindet sich ein weiterer, unterer Wärmespeicher 42. Vorzugsweise direkt an der Unterseite des oberen Wärmespeichers 41 befindet sich eine weitere thermische Isolierung 102, die in Form einer Perimeter-Dämmung oder als Glasschaum-Schotter ausgebildet ist. Darunter ist erneut eine Schicht, bestehend aus Lehm und/oder Erde und/oder Schotter und/oder aus natürlichem Boden angeordnet, welche als Speichermedium dient und durch Feuchtigkeitskanäle 72 bewässert wird, um die Wärmekapazität der Schicht zu erhöhen. Diese Schicht dient der Aufnahme der Wärme des unteren Wärmespeichers 42, der unterhalb dieser Schicht angeordnet ist und weist ebenfalls eine Dicke von vorzugsweise zwischen 30 cm und 150 cm, besonders bevorzugt zwischen 50 cm und 100 cm auf. Die Feuchtigkeits-Kanäle 72 können dabei oberhalb oder wie zeichnerisch dargestellt unterhalb des unteren Wärmespeichers 42 angeordnet sein. Alternativ liegt der untere Wärmespeicher 42 bereits im oder leicht oberhalb des Grundwasserspiegels. Der untere Wärmespeicher 42 kann als durchgehende Bodenplatte oder als umlaufender Betonkern vorgesehen werden, der sich beispielsweise unterhalb oder innerhalb des Fundaments befindet. Alternativ kann einer der beiden Wärmespeicher sich als BetonkernAktivierung innerhalb des Fundaments 80 selbst befinden (nicht zeichnerisch dargestellt). Ferner können die Feuchtigkeitskanäle alternativ unterhalb der Bodenplatte bzw. unterhalb des Wärmespeichers 42 angeordnet sein.Below the upper heat storage 41 there is a further lower heat storage 42. Preferably directly on the underside of the upper heat storage 41 there is a further thermal insulation 102, which is designed in the form of perimeter insulation or as glass foam gravel. Arranged underneath again is a layer consisting of clay and/or earth and/or gravel and/or natural soil, which serves as a storage medium and is irrigated through moisture channels 72 in order to increase the heat capacity of the layer. This layer serves to absorb the heat from the lower heat storage 42, which is arranged below this layer and also has a thickness of preferably between 30 cm and 150 cm, particularly preferably between 50 cm and 100 cm. The moisture channels 72 can be arranged above or, as shown in the drawing, below the lower heat storage 42. Alternatively, the lower heat storage 42 is already at or slightly above the groundwater level. The lower heat storage 42 can be provided as a continuous floor plate or as a circumferential concrete core, which is located, for example, below or within the foundation. Alternatively, one of the two heat accumulators can be located as a concrete core activation within the foundation 80 itself (not shown in the drawing). Furthermore, the moisture channels can alternatively be arranged below the base plate or below the heat storage 42.

Liste der BezugszeichenList of reference symbols

11: solares Wärmespeichersystemsolar heat storage system
1010: SolarpanelSolar panel
2020: Wasserboilerwater heater
3030: WärmetauscherHeat exchanger
4040: Umschaltventilchangeover valve
4141: oberer (zweiter) Wärmespeicherupper (second) heat storage
4242: unterer (erster) Wärmespeicherlower (first) heat storage
5050: WärmepumpeHeat pump
6060: HeizungHeating
71, 7271, 72: Feuchtigkeits-KanäleMoisture channels
8080: Fundamentfoundation
9090: WandWall
101, 102, 103101, 102, 103: thermische Isolierungthermal insulation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

CH 712294 A2 [0003]

Claims

Solar heat storage system for storing heat energy, which is obtained by means of a thermal solar system from the radiation of solar energy and with at least a first heat storage, consisting of a pipe or hose system arranged below the earth's surface, into which the solar heat energy is introduced by means of a heat transfer medium and from this can be removed again, characterized in that at least that area of the soil that surrounds the pipe or hose system is or is provided with moisture in order to increase the heat capacity of the soil.

Solar heat storage system Claim 1 , characterized in that a second heat storage is provided, which also consists of a pipe or hose system arranged below the earth's surface, into which the solar thermal energy can be introduced and removed from it again, the two heat storage being arranged in separate areas.

Solar heat storage system Claim 2 , characterized in that the two heat accumulators are arranged at different floor depths.

Solar heat storage system according to one of the Claims 2 or 3 , characterized in that the two heat storage devices have a different temperature level.

Solar heat storage system according to the Claims 3 and 4 , characterized in that the upper heat storage has a higher temperature than the lower heat storage.

Solar heat storage system according to one of the Claims 2 until 5 , characterized in that the two heat accumulators are thermally insulated from each other.

Solar heat storage system according to one of the preceding claims, characterized in that at least the upper heat storage is thermally insulated at the top.

Solar heat storage system Claim 4 , characterized in that at least the heat storage that has the higher storage temperature is thermally insulated all around.

Solar heat storage system according to one of the preceding claims, characterized in that the first and/or the second heat storage is provided with moisture by being located within the groundwater or within a rainwater infiltration system.

Solar heat storage system according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal energy input into the first and/or the second heat storage occurs via a concrete slab or a thermally conductive mixture into which a supply and extraction system for thermal energy is integrated.