DE2952560A1 - Waermespeicher - Google Patents

Description

Mo 19 Ro/Bt

Anmelder in;

CHEMOWERK Erhard Mödinger,

Fabrik für Kunststofferzeugnisse,

In den Backenländern, 7056 Weinstadt 5

"Wärmespeicher"

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher, bestehend aus einem im Erdreich versenkbaren Behälter mit einer Flüssigkeitsfüllung, insbesondere Wasserfüllung, welche die eingeleitete Wärme aufnimmt.

Derartige bekannte Wärmespeicher besitzen eine wärmeisolierende Umhüllung oder Auskleidung, so daß die entsprechend der aufgenommenen Wärme mehr oder weniger aufgeheizte Flüssigkeitsfüllung möglichst geringe Wärmemengen an das den Behälter umgebende Erdreich abgibt. Zur Speicherung sehr großer Wärmemengen sind entsprechend große Behälter notwendig.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen relativ kleinen Wärmespeicher zu schaffen, dem große Wärmemengen entnommen werden können.

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Diese Aufgabe wird durch einen der eingangs genannten Gattung entsprechenden Wärmespeicher gelöst, welcher erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß der Behälter aus einem wärmeleitfähigen Material besteht, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff, insbesondere Kunstharz, wie z.B. Polyesterharz oder Epoxydharz, und daß im Behälter ein Wärmeaustauscher mit vom Behalterinnenraum nach außen fuhrenden Anschlußleitungen zum Ein- und Abführen eines durch den Wärmeaustauscher leitbaren Wärmetragermediums angeordnet ist.

Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen wärmeleitenden Behälterwände steht die Flussigkeitsfüllung des Wärmespe ichers im Wärmeaustausch mit dem den Speicher umgebenden Erdreich und nimmt ungefähr dessen Temperatur an. Ist nun der im Wärmespeicher angeordnete Wärmeaustauscher über einen ein Wärmeträgermedium führenden Leitungskreis mit einem Wärmeverbraucher, beispielsweise einer Wärmepumpe, verbunden, so läßt sich dem Wärmespeicher Wärme entziehen, wobei die Temperatur der Flüssigkeitsfüllung unter die Temperatur des den Wärmespeicher umgebenden Erdreiches absinkt. Damit stellt der Wärmespeicher innerhalb des Erdreiches eine Temperatursenke dar, so daß die im Erdreich gespeicherte Wärme entsprechend dem Temperaturgradienten in der Umgebung des Wärmespeichers in dessen FlUs-

die

sigkeitsfüllung übergeht. Dabei sind die vom Erdreich in/Flüssigkeit sfüllung fließenden Wärmemengen umso größer, Je größer

die Temperaturdifferenz zwischen dem Erdreich und der Flüssigkeitsfüllung ist. Mit dem erfindungsgemäßen Wärmespeicher läßt sich also nicht nur der Wärme inhalt der Flüssigkeitsfüllung ausnutzen, vielmehr steht auch der Wärmeinhalt des den Wärmespeicher umgebenden Erdreiches zur Verfügung. Versuche haben ergeben, daß der Wärme inhalt eines Erdvolumens ausnutzbar ist, welches etwa das Fünfzigfache des Behältervolumens beträgt.

Durch die bei Wärmeentnahme aus dem Speicher und dem umgebenden Erdreich auftretende Abkühlung wird eine zunehmende Bodenfeuchtigkeit erreicht, da die im Erdreich vorhandene Feuchte zur Temperatursenke hin diffundiert und dort kondensiert; gleichzeitig wird dadurch der Wärmeinhalt dieser Bodenbereiche und die entnehmbare Wärmemenge aufgrund des hohen Wärme inhaltes von Wasser vergrößert.

Glasfaserverstärkte Kunststoffe, insbesondere Kunstharze, besitzen neben einer hohen Korrosionsfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Verrottung den Vorteil, daß sie von Nagetieren, insbesondere Ratten, nicht angefressen werden, wie es gelegentlich bei Kunststoffen ohne Glasfaserverstärkungen vorkommt. Außerdem besitzen derartige verstärkte Kunststoffe, insbesondere Kunstharze, eine hohe Elastizität, die es ermöglicht, die Flüssigkeitsfüllung, auch wenn es sich um Wasser handelt, ohne Sprengung des Behälters unter

den Gefrierpunkt abzukühlen, so daß die beim Phasenübergang von Wasser zu Eis in großer Menge freiwerdende latente Wärme, bei Wasser ca. 80 kcal pro Liter, ausgenutzt, d.h. dem Wärmespeicher entzogen werden kann. Aufgrund der Erfindung läßt sich also neben der Wärme des Erdreiches auch die beim Phasenübergang von der flüssigen zur festen Phase abgegebene Umwandlungswärme ausnutzen.

Zur Ausnutzung der Wärme des Erdreiches und der beim Gefrieren der Wasserfüllung freiwerdenden latenten Wärme genügt es im allgemeinen, wenn der erfindungsgemäße Wärmespeicher mit einer Erdabdeckung von 1,20 m bis 1,50 m, gemessen ab der Oberseite des Wärmespe ichers, im Boden eingesetzt wird. Bereits in dieser Tiefe liegt der Wärmespeicher in mitteleuropäischen Breiten unterhalb der Frostgrenze, d.h. der Tiefe, bis zu der während der kalten Jahreszeit im Boden Frost auftreten kann. Wird die Temperatur der Flussigkeitsfüllung des Wärmespeichers durch Wärmeentnahme bis zur Gefriertemperatur oder knapp darunter abgekühlt, so ist also aufgrund der Einbautiefe des Wärmespeichers gewährleistet, daß das umgebende Erdreich etwas wärmer als die Flüssigkeitsfüllung ist und dementsprechend an diese Wärme abgibt, die dem Speicher dann übe: den Wärmeaustauscher entnommen werden kann.

Vorzugsweise ist der Behälter eine Wanne mit einer am Wannenrand abgedichtet befestigten Abdeckung, an der der Wärmeaus-

tauscher gehaltert ist. Die Wanne kann eine einstückige Schale sein, welche besonders gute Festigkeitseigenschaften hat. Der Wärmeaustauscher wird zunächst an der Abdeckung montiert und bildet zusammen mit dieser eine auf die Wanne komplett aufsetzbare Baugruppe, so daß die Montage des Behälters sehr wirtschaftlich erfolgen kann.

Bei größeren Behältern sind zur Aufnahme des Erddruckes an der Abdeckung Streben angeordnet, die die Abdeckung gegen den Wannenboden abstützen und vorzugsweise aus Metallrohren oder U-Metallprofilen mit auf dem Wannenboden aufliegenden Fußplatten bestehen. Die Metallrohre können an ihren Enden offen sein, so daß bei einer Wasserfüllung des Behälters Wasser in den Rohrinnenraum gelangen kann. Auch bei Abkühlung der Behälterfüllung unter den Gefrierpunkt reißen die Rohre unter dem Druck des sich in ihrem Innern bildenden Eises nicht auf, da sie von der in diesem Falle vereisten Behälterfüllung umschlossen sind.

Zweckmäßigerweise dienen die Streben gleichzeitig zur Halterung des Wärmeaustauschers, welcher aus über einen Sammler parallel miteinander verbundenen Rohrregistern bestehen kann, die Jeweils an hintereinander in einer Reihe angeordneten Streben befestigt sind.

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Auch bei Herstellung aus Kunststoff ergibt sich eine besonders steife Abdeckung, wenn diese sickenförmig ausgewölbte Querrippen aufweist, und wenn auf der Innenseite der Abdeckung quer zu den Rippen verlaufende, Jeweils zwischen den Querrippen an der Abdeckung befestigte Längsträger angeordnet sind, an denen die Streben gehalten sind. Durch die Befestigung der Längsträger zwischen den Rippen wird verhindert, daß sich diese aufgrund des auf der Abdeckung lastenden Erddruckes unter Spreizung ihrer Seitenflächen flachdrücken und ihre die Stabilität der Abdeckung erhöhende Form verlieren.

Vorzugsweise besitzt die Wanne einen sich nach oben hin erweiternden Wannenquerschnitt mit nach außen geneigten Seitenwänden. Diese Wannenform ist zur Aufnahme des Eisdruckes besonders geeignet, da sich die gefrorene Wasserfüllung gegebenenfalls etwas an den geneigten Seitenwänden hochschieben kann.

Die Seitenwände können einen U-förmig nach außen umgebogenen Rand aufweisen, auf dem unter Zwischenschaltung einer Dichtung die Abdeckung verschraubt ist, die vorzugsweise eine den Wannenrand umgreifende, nach unten herabgezogene Kante hat. Der umgebogene Rand und die herabgezogene Kante wirken als Versteifung, an der ein Hebewerkzeug zum Versenken des Behälters im Erdreich angreifen kann.

Gegebenenfalls kann im Wärmespeicher ein zweiter separater Wärmetauscher zum Anschluß an einen Solarenergieabsorber oder eine andere externe Wärmequelle angeordnet sein. Gegebenenfalls können aber der Solarenergieabsorber bzw. die externe Wärmequelle auch in den mit dem ersten Wärmeaustauscher verbundenen, das Wärmeträgermedium führenden Leitungskreis eingeschaltet sein. In jedem Falle kann der Speicher zusätzliche über einen Wärmeaustauscher eingebrachte Wärme aufnehmen. Soweit dabei die Temperatur der FlussIgkeitsfüllung des Behälters die Temperatur des umgebenden Erdreiches übersteigt, fließt Wärme aus dem Wärmespeicher in das Erdreich und wird dort gespeichert, so daß sie dem Erdreich wieder entnommen werden kann, sobald die Temperatur der Flüssigkeitsfüllung durch eine Wärmeentnahme unter die Temperatur des Erdreiches absinkt. Die Speicherkapazität des erfindungsgemäßen Wärmespeichers ist also nicht durch sein Eigenvolumen begrenzt, vielmehr kann das Speichervermögen des umgebenden Erdreiches mit herangezogen werden.

Bei der Erwärmung des Erdreiches wird Feuchtigkeit verdrängt, so daß sich eine gute Isolation ergibt, die WarmeverIustön vorbeugt.

Gegebenenfalls kann die im das Wärmeträgermedium führenden Leitungskreis angeordnete Wärmepumpe auch im Umkehrbetrieb laufen, so daß sie an das Wärmeträgermedium Wärme abgibt,

die dieses über den Wärmespeicher in die Fluss igke itsf Ullung einführt. Wird also die Wärmepumpe beispielsweise für KUhI-zwecke verwendet, so kann die dabei entstehende Abfallwärme im Wärmespeicher für eine spätere Entnahme gespeichert werden.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes AusfUhrungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, dabei zeigt

Fig. 1 ein Funktionsschema, aus dem das Zusammenwirken des erfindungsgemäßen im Erdreich versenkten Wärmespeichers mit einer Wärmepumpe hervorgeht,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Wärmespeicher entsprechend der Schnittlinie II-II in Fig. 5 und

Fig. 5 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Wärmespeicher.

Gemäß der Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Wärmespeicher, welcher insgesamt mit 1 bezeichnet ist, im Erdreich 12 versenkt, so daß über dem Wärmespeicher 1 noch eine Erdschicht von ca. 1,20 m bis 1,50 m Stärke liegt.

Innerhalb des Wärmespeichers 1 befindet sich eine Wasserfüllung 2, deren FUllgrenze J5 strichliert dargestellt ist. Zwischen der Füllgrenze und der Oberseite des Wärmespeichers 1 kann ein Zwischenraum verbleiben, so daß nur ein verhält-

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nismäßig geringer Wärmeaustausch zwischen der Wasserfüllung 2 und der über dem Wärmespeicher liegenden Erdschicht stattfindet und diese ohne Gefahr einer starken Abkühlung bei einer Wärmeentnahme aus dem Wärmespeicher bepflanzt werden kann.

Innerhalb des Wärmespeichers 1 ist ein Wärmeaustauscher 4 angeordnet, der über einen eine Umwälzpumpe 5 aufweisenden Leitungskreis 6, welcher ein Wärmeträgermedium führt, beispielsweise Wasser mit einem Frostschutzzusatz, mit einer Wärmepumpe 7 verbunden ist. Diese besitzt in bekannter Weise einen Pumpmedienkreislauf 8 mit einem Kompressor 9 und einem Reduzierventil 10 und zwischen Kompressor und Reduzierventil geschaltete, als Kondensator bzw. Verdampfer wirkende Wärmeaustauscher 11 und 11*. Dabei steht der Wärmeaustauscher 11 mit dem Leitungskreis 6 in wärmeleitender Verbindung, so daß die Wärmepumpe diesem Leitungskreis, d.h. dem darin umlaufenden Wärmeträgermedium, Wärme entziehen bzw. - beim Umkehrbetrieb - Wärme zuführen kann.

Bei der Wärmeentnahme aus dem Wärmespeicher 1 nimmt die Wärmepumpe 7 el ie aus dem Speicher 1 abgeführte Wärme bei einer Temperatur t mittels des Wärmeaustauschers 11 auf und gibt sie bei einer höheren Temperatur T am Wärmeaustauscher 11' ab.

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Gemäß den Fig. 2 und 3 ist der Wärmespeicher 1 ein Behälter, welcher aus einer Wanne 20 mit einer Abdeckung 21 besteht. Die Wanne 20 besitzt nach außen geneigte Seitenflächen, so daß sich ihr Querschnitt nach oben hin erweitert. Der Wannenrand 22 ist U-förmig nach außen umgebogen, so daß die Abdeckung 21 auf diesem Rand mittels der Schrauben 23 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 24 befestigt werden kann. Die Abdeckung 21 besitzt eine den Wannenrand 22 umgreifende, nach unten herabgezogene Kante 25, welche zusammen mit dem Wannenrand 22 als Versteifung wirkt, an der beispielsweise ein Hebewerkzeug beim Einsenken des Behälters in den Erdboden angreifen kann.

Die Abdeckung 21 besitzt quer zu ihrer Längsrichtung verlaufende, sickenförmig ausgewölbte Querrippen 26, die die Abdeckung versteifen sollen. Auf der Innenseite der Abdeckung 21 sind parallel zur Längsrichtung der Wanne 20 angeordnete Längsträger 27 vorgesehen, die Jeweils zwischen den Querrippe] 26 an der Abdeckung befestigt sind, beispielsweise mittels der Schrauben 28. Die Längsträger 27 sind mittels Streben 29, die an den Längsträgern 27 befestigt sind, gegen den Boden der Wanne 20 abgestützt. Die Längsträger 27 bestehen wie die Streben 29 aus Metall. Letztere können als Rohre oder U-Profile mit auf dem Wannenboden aufliegenden Fußplatten 30 ausgebildet sein.

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An den Streben 29 ist der Wärmeaustauscher 4 befestigt, der aus mehreren Rohrregistern 31 besteht, die über Sammler 32 und 33 parallel miteinander verbunden sind, von denen wiederum Anschlüsse 3^, 35 durch die Abdeckung 21 nach außen geführt sind.

Zum Einbringen der Wasserfüllung 2 in die Wanne 20 ist in der Abdeckung 21 eine Füllöffnung 36 angeordnet, in die gegebenenfalls ein Peilstab eingeführt werden kann, um die Füllgrenze 3 zu überprüfen.

Die Wanne 20 und die Abdeckung 21 bestehen vorzugsweise aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff, insbesondere einem Kunstharz wie Polyesterharz oder Epoxydharz. Die Rohrregister 31 einschließlich der Sammler 32, 33 und der Anschlüsse 34 und 35 können aus dem gleichen Kunststoffmaterial bestehen, gegebenenfalls ohne Glasfaserverstärkung. Diese Teile, insbesondere die Rohrregister 31* können jedoch auch aus einem Metall bestehen; zwar ist dieser Werkstoff etwas teurer, jedoch gewährleistet er einen etwas besseren Wirkungsgrad für den Wärmeaustauscher 4.

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Claims (8)

PATENTANWALT E GRAMKOW1 MANITZ & FINSTERWALD SEELBERCSTRASSE 23/35 7000 STUTTCART 50 (BAD CANNSTATT) Mö 19 Ro/Bt 27. Dezember 1979 Anmelder in: CHEMOWERK Erhard Mödinger, Fabrik für Kunststofferzeugnisse, In den Backenländern, 7056 Weinstadt 5 Ansprüche

1.} Wärmespeicher, bestehend aus einem im Erdreich versenkbaren Behälter mit einer Flussigkeitsfüllung, insbesondere Wasserfüllung, welche die eingeleitete Wärme aufnimmt, dadurch gekennze ichne t,

- daß der Behälter (Wanne 20, Abdeckung 21) aus einem wärmele itfähigen Material besteht, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff, insbesondere Kunstharz, wie z.B. Polyesterharz oder Epoxydharz

- und daß im Behälter ein Wärmeaustauscher (4) mit vom Behälterinnenraum nach außen führenden Anschlußleitungen (3^*35) zum Ein- und Abführen eines durch den Wärmeaustauscher leitbaren Wärmeträgermediums angeordnet ist.

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DIPL. -INC. W. C R Λ M K O W DR. C. MANITZ ■ D I PL.-1 N C. M. FI N STE R WALD

SEELBERCSTR. 93/35. 7OOO STUTTGART SO ROBERT-KOCH-STRASSE I. βΟΟΟ MÖNCHEN 33

Tf I TFON «07 UJ 86 73 61 TElEfON (Oβ9> 33 4 9 II. TELEX 08-3*672 PATMF

ORIGINAL INSPECTED

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter als Wanne (20) mit einer am Wannenrand (22) abgedichtet befestigten Abdeckung (21) ausgebildet ist, an der der Wärmeaustauscher (4) gehaltert ist.

3. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Abdeckung (21) Streben (29) angeordnet sind, die die Abdeckung gegen den Wannenboden abstützen und vorzugsweise aus Metallrohren oder U-Metallprofilen mit auf dem Wannenboden aufliegenden Fußplatten

(30) bestehen.

4. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (4) an den Streben (29) gehaltert ist und vorzugsweise aus über Sammler (32,33) parallel miteinander verbundenen Rohrregistern

(31) besteht.

5. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (21) sickenförmig ausgewölbte Querrippen (26) aufweist, daß auf der Innenseite der Abdeckung (21) quer zu den Rippen (26) verlaufende, jeweils zwischen den Querrippen (26) an der Abdeckung (21) befestigte Längsträger (27) angeordnet sind, an denen die Streben (29) gehaltert sind.

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6. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanne (20) einen sich nach oben hin erweiternden Wannenquerschnitt mit nach außen geneigten Seitenwänden besitzt.

7. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der Wanne (20) einen U-förmig nach außen umgebogenen Rand (22) aufweisen, auf dem unter Zwischenschaltung einer Dichtung (24) die Abdeckung (21) verschraubt ist, die vorzugsweise eine den Wannenrand umgreifende, nach unten herabgezogene Kante (25) hat.

8. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmespeicher (1) ein zweiter separater Wärmeaustauscher zum Anschluß an einen Solarenergieabsorber oder eine andere externe Wärmequelle angeordnet ist.