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DE2003394B2 - Anordnung zur Nutzung der während des Tages eingestrahlten Sonnenenergie gegen Vereisung von Decken, insbesondere Fahrbahndecken, sowie Speichennasse und Wärmeträger für die Anordnung - Google Patents

Anordnung zur Nutzung der während des Tages eingestrahlten Sonnenenergie gegen Vereisung von Decken, insbesondere Fahrbahndecken, sowie Speichennasse und Wärmeträger für die Anordnung

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DE2003394B2
DE2003394B2 DE2003394A DE2003394A DE2003394B2 DE 2003394 B2 DE2003394 B2 DE 2003394B2 DE 2003394 A DE2003394 A DE 2003394A DE 2003394 A DE2003394 A DE 2003394A DE 2003394 B2 DE2003394 B2 DE 2003394B2
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Nikolaus 7141 Aldingen Laing
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THERMO-BAUELEMENT AG MURTEN (SCHWEIZ)
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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Nutzung der während des Tages eingestrahlten Sonnenenergie gegen Vereisung von Decken, insbesondere Fahrbahndecken.
Die Vereisung von begehbaren Flächen, wie Straßen, Treppen, Brücken, Balkons, aber auch vor. Dächern, tritt entweder bei abnehmender Temperatur der vorher nassen Oberfläche, insbesondere durch Abstrahlung in den Abendstunden oder durch Regen auf, der bei einem Wettersturz auf eine unterkühlte Oberfläche fällt
In der statistischen Häufigkeit der Unfallursachen auf Straßen geht die Vereisung in über 70<M> aller Fälle auf Unterkühlung der Straßenoberfläche durch Abstrahlung nach Sonnenuntergang zurück. Erfahrungsgemäß weist die Oberflächentemperatur an sonnigen Tagen einer. Tagestemperaturgang von 100C bis 20"C und an Tagen mit starker Bedeckung einen solchen von etwa 7°C auf. Wenn also erst in den Abendstunden der Gefrierpunkt unterschritten wird, wodurch sich Eis bilden kann, so liegt die höchste Tagestemperatur oft ganz bedeutend und auch die mittlere Tagestemperatur in jedem Falle noch über dem Gefrierpunkt. Die winterliche Sonne liefert noch einen Energiestrom von etwa 300 bis 500 W/m2.
Eine in der üblichen Weise aufgebaute Straßenbefestigung stellt bereits eine Anordnung der vorerwähnten Art dar, da die Straßenbaiimaterialicn eingestrahlte Sonnenwärme speichern und bei fehlender Einstrahlung wieder abgeben. Der Nachteil dieser Anordnung liegt darin, daß die gespeicherte Wärmemenge innerhalb von wenigen Frostiagen aufgebraucht ist, so daß damit lediglich der Beginn der Vereisungsperiode hinausge schoben wird.
Bei einer Anordnung abweichender Gattung befinden sich in der Decke Füllräume mit einem Wärmeträger, dessen Wärme aus tief unterhalb der Frostgrenze liegenden Erdschichten stammt.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, die eingestrahlte Sonnenenergie für den Vereisungsschutz der Decken verstärkt nutzbar zu machen.
Uiese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Decke Füllräume ausgebildet sind, die mit einer wenig oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser schmelzenden, lonenkristalle bildenden Speichermasse oder mit einem fließfähigen Wärmeträger gefüllt sind, der mit Speicherkörpern, welche die Speichermasse enthalten, in Verbindung steht.
Ausgestaltungen der Anordnung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Speichermasse für die Anordnung. Sie ist bezüglich ihrer Schmelztemperatur, ihrer Hauptsubstanz und zweckmäßiger Zusät- ze in den Ansprüchen 8 bis 11 gekennzeichnet. Bei den Hydraten von lonengittersalzen liegt die Kristallisationstemperatur wenige Grade oberhalb des Gefrierpunktes des Wassers. Die Kristallisationstemperatur
soll möglichst nicht mehr als um das Temperaturgefälle zwischen dem Speicher und der Deckenoberseite über dem Gefrierpunkt liegen. Als optimale Kristallisationstemperatur hat sich bei gut wärmeleitender Decke eine Temperatur um +60C erwiesen. Für diese Temperatur ist die Speichermasse das Dekahydrat des aus 1 Mol Natriumsulfat und 1 Mol Kaliumchlorid gebildeten Doppelsalzes. Da alle aus lonengitter bestehenden Salze eine Kristallisationstemperatur aufweisen, die unterhalb der Schmelztemperatur liegen, weil die Schmelze in dem dazwischenliegenden Temperaturbereich metastabil ist Dabei ist insbesondere vorgesehen, daß zur Impfung der Speichermasse isotypische oder epitaxische Kristalle in gleichmäßiger Verteilung zugesetzt werden, wobei kleinste Mengen genügen. Hierdurch wird die Kristallisationstemperatur bis nahe an die Schmelztemperatur angehoben. Die meisten als Speicherrr.asse infrage kommenden Hydrate bleiben nicht homogen, da beim Schmelzpunkt das Kristallwasser frei wird, wodurch sich bei dem genannten Doppelsalz Sulfate und insbesondere auch die nichtlöslichen Impfkristalle durch Stratifikation in bevorzugten Schichten anreichern können. Dadurch wird die Kristallisation zu sehr tiefen Temperaturen hin verschoben, wodurch die vereisungsverhindernde Wirkung aufgehoben wird. Deshalb ist es zweckmäßig, die Speichermasse mit einer Gerüstsubstanz zu versehen, so daß der Festkörpercharakter auch oberhalb der Schmelztemperatur erhalten bleibt.
Während des Tages nimmt die Speichermasse, sobald der Kristallisationspunkt erreicht ist, Sonnenwärme auf und ändert nach Erreichen der Schmelztemperatur ihre Temperatur bis zur völligen Aufladung nicht mehr. Dadurch bleibt die Deckenoberfläche am T&ge kühler als die Oberfläche von nicht mit Speichermassen versehenen Decken. Es wird damit auch ein geringerer Teil der Sonnenwärme an die Luft abgegeben als bei üblichen Decken. Sobald nun die Deckenoberfläche auf eine Temperatur absinkt, die um die zur Wärmeleitung notwendige T^mperaturdifferenz von der Kristallisationstemperatur der Speichermasse verschieden ist, die jedoch noch etwas oberhalb des Gefrierpunktes liegt, beginnt die Kristallisation und damit die Freisetzung der am Tage gespeicherten Wärme. Es hat sich gezeigt, daß zur Verhinderung der Eisbildung während einer Nacht nur verhältnismäßig geringe Speich?rmassenmengen erforderlich sind.
Bei der Anordnung mit der auf die Speicherinasse wirkenden Heizeinrichtung kann der Anschlußwer! wesentlich geringer sein, rfa die Heizenergie während eines längeren Zeitraumes eingespeist werden kann. Andererseits läßt sich aber euch die Beheizung auf (ti? Niedrigtarifperioden während der Nacht beschränken. Es ist auch möglich, die Aufheizung durch beliebige Wärmeträger, z. B. durch Heißöl oder durch Warmwasser in sehr kurzer Zeit erfolgen zu lassen. Dies ist von besonderem Interesse für extrem schneegefährdete Wege, Treppen usw.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch die mit Füllräumen versehene Decke,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine treppenförmig ausgebildete Decke,
Fig.3 einen Schnitt durch eine als Fahrbahn dienende Decke,
Fig. 4 die perspektivische Ansicht eines Teils der Anordnung nach Fig. 3 mit kalottenförmigen Füllräumen und elektrischer Heizeinrichtung,
F i g. 5 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Füllräume,
F i g. 6 einen Schnitt durch die Anordnung mit einem Wärmeträger, der mit einem seitlich der Decke eingebauten Speicherkörper in Verbindung steht.
Die Decke 1 besteht aus einer Betonplatte. Sich längs erstreckende Hohlräume mit tonnenformigem Querschnitt bilden Füllräume 2, die mit einer Speichermasse
ίο 3 gefüllt Eind. Die Füllräume 2 sind durch nicht gezeigte Verschlüsse, z. B. Kunststoffolien, verschlossen. Damit gespeicherte Wärme nicht in den Boden abfließt, wird die Betonplatte auf nicht dargestellte isolierende Unterlagen gelegt.
F i g. 2 zeigt eine Treppenkonstruktion, bei der in den Stufen mit Speichermasse 3 gefüllte Plastikschläuche 21 untergebracht sind. Unter der Speidiei masse 3 ist eine elektrische Heizeinrichtung 22, vorzugsweise eine metallbedampfte Kunststoffolie angeordnet, darunter wiederum eine wärmedämmende Isolierschicht 23. Durch thermostatische Steuerung w^d die Speichermasse 3 ständig bei einer Temperatur gehalten, die wenig oberhalb ihrer Kristallisationstemperatur liegt Da diese zur Aufrechterhaltung der Ladung erforderliehe Mindesttemperatur von der Außenluft nur an wenigen Tagen unterschritten wird, ist der Stromverbrauch vernachlässigbar, außerdem kann die Aufladung auf die tarifbegünstigten Stunden beschränkt werden und zur Vermeidung von unnötigen Wärmeverlusten
iu wird außerdem bei sehr tiefen Temperaturen, bei denen ohnehin kein Regen oder Schnee fällt, der Strom abgeschaltet
Die in der F i g. 3 dargestellte Fahrbahndecke ist mit der Tragschicht 38 durch Zuganker 35 verbunden, die
ίί mit Bewehrungen 32, 36 zusammenwirken. Eine plane Foüe 31 und eine mit halbkugelförmigen Ausbuchtungen 42 versehene Folie 33 sind an den Berührungsflächen verschweißt. Sie bilden die Füllräume. Durch zwischen den Ausbuchtungen 42 verbleibende öff'nun-
4i) gen 39 ragen die Zuganker 35 des Armierungsdrahtes durch die mattenförmige Bewehrung 32 hindurch. Nach dem Auslegen der Matte erfolgt das Betonieren der Decke 30, die durch die Zuganker 35 mit der Tragschicht 38 verankert ist.
F i g. 4 zeigt die gleiche Anordnung wie F i g. 3, bei der jedoch eine Heizeinrichtung 40 aus bandförmigem elektrischem Widerstandsmaterial vorgesehen ist. Die Heizeinrichtung 40 ist durch einen Kunststoffüberzug 41 elektrisch isoliert. Die isolierten Bänder sind zwischen
w der unteren Folie 31 und der oberen Folie 33 eingelegt und damit wasserdicht eingeschlossen. Die Zwischenbereiche 43 zwischen zwei Ausbuchtungen 42 erfordern naturgemäß wesentlich weniger Wärme als die Bereiche inni.-rhaib der Ausbuchtungen 42. Deshalb ist der Widerstand der elektrischen Heizeinrichtung 40 innerhalb der Ausbuchtungen 42 höher als in den Zwischenbereichen 43. Die elektrische Beheizung dient zur thermischen Aufladung der Speichermasse 3, wenn entweder so große Schneemengen erwartet werden, daß die sonst vorhandene Speicherenergie zur Schmelzung derselben nicht ausreicht, oder wenn die Temperatur der Straße unter dem Gefrierpunkt liegt und Regen erwartet wird. In allen anderen Fallen erfolgt die Aufladung durch Sonnenenergie.
hr> Im Ausfühningsbeirpiel nach F i g. 5 sind die Kunststoffolien 50 und 51 spiegelbildlich ausgeformt, so daß die Tragschicht 38 entsprechende Vertiefungen aufweisen muß.
Auch wurde die statisch günstigere Form des Rotationsellipsoides gewählt, die bei gleichen übertragbaren Belastungen der Fahrbahndecke die Unterbringung einer größeren Menge der Speichermasse 3 ermöglicht. Da diese Ausbildung eine größere vertikale -, Erstreckung besitzt, wird die Wärmeleitung teilweise von einem Kreislauf übernommen, der aus zwei Rohren 52, 53, die zueinander höhenversetzt sind, und zwei die Rohrenden miteinander verbindenden Hohlkörpern 54, 55, aufgebaut ist. Im Inneren dieses Kreislaufes befindet m sich eine Flüsigkeit, z. B. ein Wasser-Methylalkohol-Gemisch, die durch Konvektion einen Teil der Speichermassenwärme nach oben transportiert, während der Wärmetransport bei der Aufladung durch die Wärmeleitfähigkeit der Rohre 52,53 unterstützt wird. ι ■-,
Fi g. 6 zeigt ein Beispiel, bei dem in der befahrbaren Decke 60 in geringem Abstand voneinander entfernt Füllräume mit Wärmetauschrohren 61 angeordnet sind, die durch eine Rohrleitung 62 miteinander verbunden sind. Über diese Rohrleitung 62 kommunizieren sie mit einem Wärmetauscher 63, der sich in einem Speichermassenbehälter 64 befindet und ,nit der Speichermasse 3 in gut wärmeleitender Verbindung steht. Der Speicheriiiassenbehälter 64 ist g>egen die Außentemperatur isoliert, vorzugsweise durch eine entsprechend r> tiefe Lage im Erdreich. Der tiefste Punkt des Wärmetauschers 63 mündiM in einen Tank 66, der von einer sehr gut isolierenden Schicht 68 umgeben ist. Vom tiefsten Punkt des Tankes 66 führt eine Leitung 69 zu einer Fördereinrichtung 70, die über eine Pumpleitung jo 71 mit den Enden 72 der Wärmetauscherrohre 61 verbunden ist. Die Fördereinrichtung 70 wird durch eine nicht gezeigte Antriebseinrichtung in Betrieb gesetzt. Das gesamte Leitungssystem ist nach außen hin vakuumdicht abgedichtet und vorzugsweise luftleer. Im r, Tank 66 befindet sich als Wärmeträger 67 eine leicht siedende Flüssigkeit, deren Gefrierpunkt unterhalb von (TC liegt. Sobald die Außentemperatur über die Schmelztemperatur der Speichermasst 3 angestiegen ist. wird die Fördereinrichtung 70 durch die Steuereinrichtung 73 thermostatisch eingeschaltet. Hierdurch gelangt der Wärme träger 67 in die Wärmetauschrohre 61 und verdampft dort. Der gebildete Dampf kondensiert im Wärmetauscher 63 und die Kondensationswärme bewirkt das Schmelzen der Speichermasse 3. Die Steuereinrichtung 73 zur Betätigung der Fördereinrichtung 70 soll auf die für eine mögliche Eisbildung notwendigen Faktoren, wie Nässe der Straßenoberfläche, Temperatur und Temperaturgradient ansprechen und auch meteorologische Aussagen, wie Regen bei unterkühlter Straße, berücksichtigen, und rechtzeitig vor Einsetzen der Vereisung die Fördereinrichtung 70 einschalten. Dadurch wird wiederum der Wärmeträger 67 in das Wärmetauscherrohr 61 befördert, läuft jedoch aufgrund des geringen Gefälles des Rohres in den Wärmetauscher f>:\ und wird dort verdampft. Der Dampf wird im Wärmetauscherrohr 61 wieder kondensiert und liefert damit die zur Eisverhinderung erforderliche Wärme an die Straßendecke 60. Durch die Leitung 74 wird ein kleiner Anteil des Kondensates direkt in den Tank 66 zurückgeführt, damit nach Abschaltung der Fördereinrichtung 70 der Kreislauf zum Abklingen gelangt.
Der Vorteil dieser aufwendigeren Konstruktion liegt in der optimalen Ausnutzung der Wärmekapazität der Speichermasse 3. Wärme wird im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Systemen nur dann der Straßendecke zugeführt, wenn alle meteorologischen Voraussetzungen zur Eisbildung gegeben sind, und auch nur in dem Umfange, in dem sie zur Beseitigung der Glatteisgefährdung erforderlich ist. Sobald nämlich die Straßenoberfläche trocken geworden ist, wird durch Abschaltung der Fördereinrichtung 70 der weitere Wärmeentzug unabhängig von den Außentemperaturen unterbrochen. Auch bei diesem System kann eine zusätzliche Beheizung zur Aufladung der Speichermasse vorgesehen sein, die verhindert, daß bei zu klein dimensioniertem Speicher die Funktion nach ungünstigen Wetterperioden unterbrochen wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Anordnung zur Nutzung der während des Tages eingestrahlten Sonnenenergie gegen Vereisung von Decken, insbesondere Fahrbahndecken, dadurch gekennzeichnet, daß in der Decke (1 bzw.30 bzw. 60) Füllräume ausgebildet sind, die mit einer wenig oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser schmelzenden, Ionenkristalle bildenden Speicher- ι ο masse (3) oder mit einem fließfähigen Wärmeträger (67) gefüllt sind, der mit Speicherkörpern (65), welche die Speichermasse (3) enthalten, in Verbindungsteht
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllräume durch zwei miteinander verbundene Folien (31,33, bzw. 50,51) gebildet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (50,51) Ausbuchtungen ^56, 57) aufweisen, die zusammengesetzt die Füllräume bilden und deren Tiefe (58) größer ist als deren Halbmesser (59).
4. Anordnung nach Anspruch 2 für Fahrbahndekken, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragschicht (38) mit der befahrbaren Decke (30) durch Zuganker (35) verbunden ist, die durch öffnungen (39) in den Folien (31,33) hindurchragen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkörper (65) jeweils einen Tank (66) zum Sammeln des -to kondensierten Wärmeträgers (67) aufweisen und eine Fördereinrichtung (70) für den Transport des Wärmeträgers (67) zu Jen Füllräumen angeordnet ist.
6. Anordnung nach Anspruch C, dadurch gekenn- κ zeichnet, daß für den Wärmeträger (67) eine zusätzliche Leitung (74) von den Füllräumen zum Tank (66) außerhalb der Speichermasse (3) der Speicherkörper (65) vorgesehen ist, um einen kleinen Teil des entstehenden Kondensates unmittelbar in den Tank (66) zu leiten, während der andere Teil des Kondensates durch die Speichermas:, λ (3) in den Tank (66) geleitet wird.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer auf die Speichermasse (3) wirkenden Heizeinrichtung (22 bzw. 40) versehen ist
8. Speichermasse für die Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Schmelztemperatur zwischen 1° und 100C liegt
9. Speichermasse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß sie ein Hydrat eines Alkalimetallsalzes oder -doppelsalzes ist
10. Speichermasse nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet daß sie an der Änderung ihres Zustandes nicht beteiligte, die Schmelze eindickende Substanzen enthält
11. Speichermasse nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ihr in gleichmäßiger Verteilung isoiypische oder epitaxische, sich in der Schmelze nich' lösende Kristalle mit einem oberhalb der höchsten Betriebstemperatur liegenden Schmelzpunkt zugesetzt sind.
12. Wärmeträger für die Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Stoff besteht, der bei der Schmelztemperatur der Speichermasse (3) sowohl als Dampf, als auch als Kondensat vorliegt.
DE2003394A 1969-02-03 1970-01-26 Anordnung zur Nutzung der während des Tages eingestrahlten Sonnenenergie gegen Vereisung von Decken, insbesondere Fahrbahndecken, sowie Speichermasse und Wärmeträger für die Anordnung Expired DE2003394C3 (de)

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