DE2054057C2

DE2054057C2 - Speicherbaustein zur Temperierung und Temperaturregelung von Räumen

Info

Publication number: DE2054057C2
Application number: DE2054057A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Eckerle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-11-03
Filing date: 1970-11-03
Publication date: 1985-08-22
Also published as: DE2054057A1

Description

das WanSfchermaterial aus einem eine Phasen-SwanXng vom flüssigen in den festen Zustand ündumSrt erfahrenden Stoffgemisch aus SaI-"en bzw⁸ deren Hydraten besteht, d a d u r c h g e k e π nTe i c h η e t, daß das Stoffgemisch mehrere sätzliche Regeleinrichtungen fur jeden dieser Warrnesucher dafür gesorgt werden daß d.ese Warmespe,-eher sich immer im nchtigen »Ladezustand« befinden und darüber hinaus müssen diese Warmespe.cher noch gegen Wärmeverluste bzw. gegen Kalteverluste .sohert

unefsSichen Tempcraturstufön Hegen, wobei der Schmelzbeginn beim Erwärmen nur wenig unter de gSnschten maximalen Raumtemperatur und der Erstarrungsbeginn beim Abkühlen des Stoffgernisches nur wenig über der gewünschten minimalen Raumtemoeratur liegen, und daß das Stoffgemisch

K Raumtemperatir einen Wasserdampfpartialdruck aufweist der etwa gleich dem mittleren Was- ^^ ^- Wärmespeicher hab_r η b 2* den genannten Gründen den werteren Nachteil_daß die Wärmespe.chermatenahen in vorgegebene Hohlräume oder Behälter eingebracht und nut «^P^J*"¹ werden müssen, jedoch nicht als dem Verwendungszweck angepaßte formbare Warmespe.chermasse hergestellt werden tonnen.

Die Aufgabe der Erdung besteht J"-jJ«W«™- bzw. die ICälteenergie genau auf dem Temperaturn.- -au hu speichern auf dem sie später zur Beheizung

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& 30 Dab^ÄÄ so,, das Wärme-

. insbesondre mit Gelatine ver- ^^^^_I^^^^TZ

nach Anspruch 1. dadurch ge- wäßrigen Salzlösungen hauptsächlich der Wassergehalt

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in nach Anspruch 1, dadurch ge- oder langsam aufgenommen bzw. abgegeben wird

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räumeU^^demg.eichenWärmespeichermateri.

I Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (13) mit in ihren Stoffgemischen jeweils unterschied-LLsammengeseJen Wärmespeichermaterialien

^ge Speicherbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß er einen einzigen, mit Wärmespeichermateriafgefüllten Hohlraum aufweist. ^P8 SpSrbauftein _nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß er gute und/oder schlechte Wärmeleiter aufweist, die wahllos oder ge-

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tungen sind in den Unteransprüchen 2 bisj9 enthalten.

Zwischen dem Schmelzpunkt und dem Erstarrungsbeginn beim Abkühlen hegt e.n metastabiles Z««ndge-

ΙΑΐΑκΗ einem der Ansprüche 1 bisSd'adurchgekennzeichnet.daßeralsWärmeleitröhre oder wlrmeleitplatten ausgebildete Wärme-

Idtelemente (39 40) aufweist.
leitelementetjy.wjauiwcm.

iM-findunir betrifft einen Spcichcrbausicin zur Sg und^Te peraiurrcgclung von Räumen cSdcn Ga ungsbcgnrrdcsPatentanspruches I.

D c bi r bekannten^gWärmespeicher wi6 ;.. B. nach der DE-OS 19 28 694 die latente Wärme von Wärme-Speichermaterialien ausnützen, arbeiten mit Wärme-

Wärmespeicherofen gemäß der Erfindung .nnerhalb des gewünschten Raumtemperaturbereiches - und möglichst in der Mute - liegen um d.e Vorte.le der vorliegenden Erfindung yoU «^^^Ά hiermit wird die eigentliche Temperaturregelung des Raumes vollzogen und nicht durch komphz.erte Regel-"ÄSige Festlegung der therm.schen Eigenschäften, insbesondere der Phasenumwandlungsjmpe^

raturen. des metastabilen Zustandsgeb,etes * «.hen Schmelzpunkt und Erstarrungspunkt (bzw. Erstarrungsbeginn), der spezifischen Wärmekapazitäten und der Wärmeleitfähigkeiten des WärmespeichermaicriaK und durch die richtige Verwendung des nach der Erfindung gestalteten Spcichcrbausicincs wird es beispielsweise möglich, die Temperatur eines Wohnraumes über das gon/c Jahr konstant zu halten. Eine bc.sp.clswc.se /.uviel gespeicherte Wärmemenge kann solange im Spc.-eher aufgehoben werden b,s «««·«£!* »*7j£ wird, selbst wenn dies erst nach einem halben Jahr oder noch später der Fall sein sollte. Be. geeigneter D.cke

und entsprechender Wärmeisolierung der Wand ist es möglich, die Temperatur des Wohnraumes durch Speicherung von Wärme im Sommer und Kälte im Winter das ganze Jahr über konstant zu halten.

Die Wärmespeichertemperatur des erfmdungsgemä-Ben Speicherbausteines liegt immer innerhalb des gewünschten Raumtemperaturbereiches, weil die Temperaturdifferenzen zwischen Kristallisieren und Schmelzen klein sind. Wem die Phasenumwandlungstemperatur beim Kristallisieren und die Phasenumwandlungstemperatur beim Schmelzen nahe beieinander liegen und gleichzeitig noch innerhalb der gewünschten Raumtemperatur, so können z. B. einer der beiden oben erwähnten Wärmespeicherbehälter und die Isolierung zur Wärmedämmung entfallen, sowie der komplizierte Regelmechanismus, der unter Umständen vierfach erforderlich ist (1. Wärmeregelung der Raumtemperatur, 2. Kälteregeiung der Raumtemperatur, 3. »Laderegelung« des Wärmespeichers, 4. »Laderegelung« des Kältespeichers). Damit erhöht sich die Wärmespeicherkapazität wenigstens auf das Zwei- bis L>reifache. weil einerseits der Kälte- und der Wärmespeicher vjsammenfallen. wodurch sich die Speicherkapazität verdoppelt, und weil andererseits zusätzlich der erforderliche Raum für die komplizierte Regelung sowie für .die zusätzliche Isolierung zur Wärmedämmung ebenfalls als Wärmespeicher ausgenützt werden kann.

Ein beispielsweise für einen Raum mit der gewünschten Raumtemperatur (nach DIN) von +22⁰C bis + 26° C ausgelegter Speicherbaustein muß Wärme-Speichermaterialien haben, deren Schmelzpunkte unter + 26° C liegen, und deren praktische Erstarrungspunkte, bzw. deren Erstarrungsbeginne beim Abkühlen über + 22° C liegen.

Im Hinblick auf die für die gebräuchlichen Wärme-Speichermaterialien spezifischen Wasserdiampfpartialdrücke bei den Phasenumwandlungstemperaturen, die sich von denen der Umgebungsluft stark unterscheiden, muß eine Dampfdiffusionssperre angeordnet werden, um Alterungse. scheinungen vorzubeugen. Bei den erfindungsgemäßen Wärmespeichermaterialien dagegen besteht praktisch ein »Gleichgewicht«, d. h, der mittlere Wasserdampfparialdruck des Raumes und der Wasserdampfpartialdruck des Wärmespeichermateriais bei den Phasenumwandlungstemperaturen liegen so nahe beieinander. da£ eine Veränderung des Wassergehaltes quasi nicht eintritt, weil z. B. eine leichte Abnahme des Wassergehaltes in der Wint^rzeit in der Sommerzeit durch eine Wasseraufnahme wieder ausgeglichen wird, so daß in den meisten Fällei. auf eine Danipfdiffusionssperre verzichtet werden kann.

Der Speichjrbaustein ist aus wenigen bis sehr vielen kleinen bis kleinsten voneinander getrennten Hohlräumen aufgebaut, die man mit dem entsprechend der Aufgabenstellung ausgesuchten Stoffgemisch füllt Das Herstellen solcher Hohlräume in dem Körper kann auf die verschiedenartigsten Weisen erfolgen. Die sicherste und beste Art und Weise besteht darin, daß das Stoffgemisch in kleine Glaskugeln oder Glaszylinder oder sonstige Glasgefäße eingeschmolzen wird. Das Stoffge· misch kann außerdem in Kunststoffgefäße jeder Form eingeschmolzen werden. Auch kann das fsste Stoffgemisch zu Kugeln oder anderen Körperformen geformt werden, die mit Kunststoff, Bitumen, Paraffin oder einem ähnlichen Stoff überzogen werden, Schließlich kann das Stoffgemisch in die Hohlräume von porösen Stoffen wie beispielsweise bimsstein, Kieselgur, aufgeschäumten Kunststoffen durch Aufsaugen eingefüllt werden. Die so vorbereiteten Gefäße mit dem ausgesuchten Stoffgemisch lassen sich jetzt zu Speicherbausteinen weiterverarbeiten, z. B. durch Untermischen unter Beton, unter Gießharz, unter Gips usw. Im einfachsten Falle wird das Stoffgemisch, das als Salz oder Salzschmelze vorliegt direkt mit dem Gießharz, dem Bitumen oder einer sonstigen Vergußmasse vermischt

Die bereits beschriebenen Speicherbausteine mit den verschiedenen Wärmespeichermaterialien haben zunächst eine naturgegebene Wärmeleitfähigkeit Ist diese für den vorgesehenen Anwendungsfall zu groß, so läßt sich — wenn man beispielsweise einen isotropen Wärmespeicherbausiein will — durch Zumischen von kleinen bis kleinsten Kunststoffschaum-Kugeln, durch Korkmehl oder durch einen anderen Stoff mit kleinerer Wärmeleitfähigkeit verringern. Soll der Speicherbaustein aber anisotrope Eigenschaften besitzen, so muß der zugemischte Stoff längliche Abmessungen haben und entsprechend den gestellten Forderungen ausgerichtet sein, fvian kann beispielsweise 7vlinderförmige eleichgerichtete Stäbchen aus Kunsts^iffschaum mit einbauen, noch besser aber dünne, para.ielliegende Kunststoffschaum-Platten, die mit den bereits plattenförmigen Speicherbausteinen verleimt sind.

Ist die naturgegebene Wärmeleitfähigkeit zu gering, so lassen sich in oben beschriebener Weise Materialien beimischen, die eine bessere Wärmeleitfähigkeit besitzen wie z. B. Metallpulver, Metallkugeln, Metallstäbchen (Nadeln), Metallplatten aus beispielsweise Kupfer, Aluminium, Blei. Durch geeignete Auswahl der Metalle nach ihrer Dichte kann man zusätzlich noch die Dichte des Gesamtbausteines beeinflussen.

Soll die Wärmeleitfähigkeit in einer Richtung größer sein als in der Gegenrichtung, und soll dies darüberhinaus nur bei einer ganz bestimmten Temperatur bzw. in einem ganz bestimmten Temperaturbereich der Fall sein, so läßt sich dies durch Wärmeleitelemente nach folgenden Methoden erreichen:

1. In einem oben und unten geschlossenen evakuierte"-senkrechten oder schräg stehenden Gefäß, insbesondere in einem Rohr befinden sich einige Tropfen einer (leicht siedenden Siede-)Flüssigkeit (Dampfheizungseffekt). Dieses Rohr leitet bei jeder Temperatur Wärme von unten nach ölen, solange in dieser Richtung ein Wärmegefälle vorhanden ist.

2. In in sich geschlossenen Rohrsystemen, die ganz mit Flüssigkeit gefüllt sind, beginnt die Flüssigkeit zu zirkulieren, sobald im System, hauptsächlich an den auf- und absteigenden Abschnitten. Temperaturunterschiede ajftreten (Prinzip der Schwerkraftheizung).

3. Befindet sich in einem senkrechten Rohr ein Material (rein oder als Lösung), insbesondere ein Wärmespeichermaterial, bei dem die feste Phase bein Schmelzpunkt ein größeres Volumen einnii.imt als die flüssige Phase, so wird:

— beim Erstarrungsvorgang

die Wärme /on unten nach oben langsamer transportiert als von oben nach unten: Ist das Material zunächst ganz flüssig und wird das Rohr von unten her abgekühlt, so bilden sich unten die ersten Kristalle, die, weil sie leichter sind als die Flüssigkeit, nach oben steigen, zuerst beim Hochsteigen unterwegs schmelzen, sich aber !schließlich oben ansammeln und dort allmählich schmelzen. Ein Festsetzen der Kristalle an der unteren Rohrwand läßt sich bei-

spielsweise dadurch verhindern, daß unter die, die Kristalle bildende Flüssigkeit zusätzlich eine solche Flüssigkeit gegeben ist; die schwerer ist als die obere, die sich nicht iii ihr löst, die möglichst eine größere Wärmeleitfähigkeit besitzt als der Werkstoff der Rohrwand, und die einen höheren Schmelzpunkt hat als die obere Flüssigkeit. Die Kristalle bilden sich dabei nicht an der festen Rohrwand, sondern an der Trennschicht der beiden Flüssigkeiten, so daß die Kristalle ungehindert hochsteigen können, sobald sie eine bestimmte Größe erreicht haben, und die Auftriebskraft größer ist als die Kraft der Oberflächenspannung in der Trennschicht. Durch dieses Aufsteigen der Kristalle findet ein Kältetransport von unten nach oben statt. b?w ein Wärmetransport von oben nach unten.

Wird das Rohr aber oben abgekühlt, so bilden sich die Kristalle oben und bleiben oben: lediglich durch Wärmeleitung und Konvektion aber nicht durch den Transport von latenter Wärme wird hierbei Wärme von unten nach oben transportiert
— beim Schmelzvorgang

die Wärme schneller von oben nach unten transportiert als umgekehrt. Dies ist dann der Fall, wenn der feste Kern im Rohr zuerst von der Rohrwand her derart abschmilzt, daß der ganzj Kern nach oben steigt, und die sich in der Zwischenzeit oben angesammelte Flüssigkeit zwischen Kern und Rohrwand nach unten wandert. Dieser beschriebene Schmelzvorgang von der Wand her, tritt ganz besonders dann ein, wenn der Rohrwerkstoff ein besserer Wärmeleiter ist als das Kernmaterial.
4. Befindet sich in einem senkrechten Rohr ein Material (rein oder als Lösung) insbesondere ein Wärmespeichermaterial, bei dem die feste Phase beim Schmelzpunkt ein kleineres Volumen einnimmt als die flüssige Phase, so sind die Vorgänge umgekehrt wie unter 3. beschrieben, d. h, die Wärme wird von unten nach oben schneller transportiert als von oben nach unten.

Werden die unter 1. bis 4. beschriebenen Gefäße bzw. Rohre nicht senkrecht gestellt, sondern geneigt, z. B. unter 45°, so kann man die bevorzugte Unten-Oben-Richtung oder Oben-Unten-Richtung auch in eine Rechts-Links-Richtung bzw. Links-Rechts-Richtung verwandeln.

In der folgenden Beschreibung werden an Hand von Zeichnungert Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Speicherbausteines beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 und 2 schematisch dargestellte Speicherbausteine mit Wärmespeicherelementen, insbesondere mit Wärmespeichergefäßen, die nur zur Erzeugung der gewünschten (scheinbaren) spezifischen Wärmekapazität des Bausteines eingesetzt sind,

Fig.3 einen Speicherbaustein, links mit schlechten und rechts mit guten Wärmeleitern, oben isotrop und unten anisotrop,

F i g. 4 Kombinationsmöglichkeiten der Speicherbausteine und der Wärmeleitmaterialien mit den Wärmeleitelementen.

Gemäß F i g. 1 ist ein Speicherbaustein aus verschiedenen Wärmespeichereinzelelementen aufgebaut und zwar nur aus solchen Elementen, die primär zur Erzeugung der gewünschten (scheinbaren) spezifischen Wärmekapazitäten des Speicherbausteines bestimmt sind. In einer Vergußmasse 4 des Speicherbausteines, die aus Gießharzen, aus Bitumen, aus Beton (Mörtel) oder aus Gips besteht, befinden sich Räume 5,7,8 sowie Gefäße 9 bis 11, die mit Wärmespeichermaterial 6 teilweise (5) oder ganz (7) gefüllt sind. Der Raum 7 ist dadurch entstanden, daß das Wärmespeichermaterial 6 als großer fester Materialklumpen oder als Kristall der Vergußmasse 4 direkt untergemischt worden ist. Bei Raum 8 wurden feine Kristalle, Mehl oder auch kleine Flüssigkeitströpfchen (Emulsion) des Wärmespeichermaterials 6 direkt der Vergußmasse 4 beigemischt, während die kugelförmigen Gefäße 9 oder die würfelförmigen Gefäße 10. die aus Glas oder Kunststoff bestehen können, zuerst mit dem Wärmespeichermaterial 6 gefüllt und dann der Vergußmasse 4 beigemischt wurden. Die SechskantgefäBe oder poiyederartigen Geiäuc ί 1 erzielen (ähnlich den Bienenwaben) eine gute Raumausnützung bei wenig Vergußmasse 4. Mit Wärmespeichermaterial 6 gefüllte Mikro-Räume 12 sind in Hohlräumen 13 von porösem Material aus Bimsstein, Kieselgur oder aufgeschäumtem Kunststoff angeordnet, wobei einige der Hohlräume 13 mit einem überzug 14 aus Kunststoff, Gießharz, Wachs oder Bitumen überzogen sind. Einige der Materialklumpen oder Kristalle aus dem Wärmespeichermaterial 6 sind mit einem Überzug 15 aus Kunststoff, Gießharz, Wachs oder Bitumen zur Verhinderung der Wasserdampfdiffusion überzogen. Zum Teil ist das Wärmespeichermateriai 6 anstelle eines aufgebrachten Überzuges in verschweißte Kunststoff-Folien 16 verpackt und in der Vergußmasse 4 untergemischt.
Gemäß Fig.2 besteht der Speicherbaustein außer der Vergußmasse 4 (Beton), einem Kunststoffgefäß 17 mit SchweiSfiühi iS sowie einem Mcniers'ah! !9 nur aus einem großen mit Wärmespeichermaterial 6 gefülltem, RaumeS.

Gemäß F i g. 3 ist der Speicherbaustein aus verschiedenen Wärmeleiteinzelelementen aufgebaut, und zwar aus solchen Elementen, die primär nur zur Erzeugung der gewünschten Wärmeleitfähigkeit des Speicherbausteines bestimmt sind. Die linke Hälfte (I) von Fig.3 zeigt die Einzelelemente, die die Wärmeleitfähigkeit des Speicherbausteines verkleinern, die rechte Hälfte (II) die Einzelelemente, die die Wärmeleitfähigkeit des Speicherbausteines vergrößern, auf der oberen Hälfte (a) ist die Wärmeleitfähigkeit des Speicherbausteines richtungsunabhängig, also isotrop und auf der unteren Hälfte (b) richtungsabhängig, also anisotrop.

Im einzelnen stellt F i g. 3 dar: Schaumstoffkugeln 26, Schaumstoffpulver bzw. Korkmeh! 27, ungeordnete Schaumstoffstäbchen 28, Glaswolle oder Steinwolle 29, geordnete Schaumstoffstäbchen 30, geordnete Schaumstoffplatten 31, ein mit Luft oder Gas gefüllter bzw. einevakuierter Raum 32 mit Isolierwirkung, Metallkugeln 33, Metallpulver 34, ungeordnete Metallstäbe 35. Metallfasern 36, geordnete Metallstäbe 37, Metallplatten 38, ein im Raum senkrecht und ein schräg tngeordnetes, als Wärmeleitrohr ausgebildetes Wärmeleitelement 39,40.

F i g. 4 zeigt eine Kombination der Wärmespeicherelemente und Wärmeleitelemente unter Ausnutzung des Treibhauseffektes und des Parabolspiegeleffektes.

Neben den bereits beschriebenen Gegenständen sind zusätzlich dargestellt: Kurzwellige Wärmestrahlung, insbesondere die Sonnenstrahlung 60, ein Reflektor 61, insbesondere ein Parabolspiegel (fest oder nachlaufend)

mit der (Siede-)Flüssigkeit 41 eines Wärmeleitrohres 40 im Brennpunkt des Parabolspiegels, eine (physikalisch) geschwärzte, gut wärmeleitende Platte 62, ein transparenter Stoff 63, ein großes Gefäß 64, gefüllt mit Wärmespeichermaterial 6, ein Wärmeleitelement 65, das mit einem eine Phasenumwandlung zwischen fest und flüssig iiuf'Viisenden Stoff 48 gefüllt ist, bei dem die feste Phase 48i/schwerer ist als die flüssige Phase 48<-i und ein mit einer Konvektions-Flüssigkeit 66 gefülltes Rohrsystem 67 zum Ausgleich von Temperaturdifferenzen im Speicherbaustein.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche-Patentanspnicne.

1 Soeicherbaustein zur Temperierung und Tem-S L Rä irhalb eines ge

speichermaterialien, die Phasenumwandlungspunkte haben, die außerhalb der gewünschten Raumtemperatu- ^ ^^ Dadurch werden komplizierte Regeleinnchtungen erforderlich, um die gewünschte tamtempera i d b G ρ h^

1 Soeicherbaustein zur Temperierung und Tem- tungen erforderlich, um die gewünschte taumtemp
pe amrrSung voL Räumen innerhalb eines ge- 5 tür in den vorgegebenen Grenzen ρ h^ten. Außerdem wünsch en maximalen und minimalen Raumtempe- sind mindestens zwei unterschiedliche Wärmespeicher

pe amrrSung voL Räumen g

wünsch en maximalen und minimalen Raumtempe-