DE3102869A1

DE3102869A1 - Vorrichtung zur speicherung von waerme fuer heizungsanlagen

Info

Publication number: DE3102869A1
Application number: DE3102869A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Ing. 7980 Ravensburg-Burach Schiller
Original assignee: SOLAR WAERMETECHNIK GmbH
Current assignee: SOLAR WAERMETECHNIK GmbH
Priority date: 1981-01-29
Filing date: 1981-01-29
Publication date: 1982-09-30

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung muz Speicherung von Wärme für Heizungsanlagen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Es ist ein Wärmespeicher dieser Art bekannt (DE-OS 25 52 698), bei dem ein gut wärmeisolierter Speicherbehälter mit einer Schüttung aus einer Vielsah.1 von kugelförmigen oder linsenförmigen Hohlkörpern, die ein Phasenwechselmaterial enthalten, sowie Wasser als Speicherflüssigkeit angefüllt ist. Die Wärmeübertragung an die Speicherelemente erfolgt durch zirkulierendes Wasser. Die Verwendung des Phasenwechselmaterials, insbesondere eines schmelzbaren Materials, das Wärme in Form von Schmelzenergie speichert, ermöglicht gegenüber einem konventionellen Wasserspeicher mit gleichem Wärmeinhalt eine Reduzierung des Speichervolumens sowie eine Erniedrigung der maximalen Arbeitstemperatur und damit der Wärmeverluste. Die normalerweise bei der Verwendung von Phasenwechselmaterialien auftretenden Probleme, wie Volumenänderungen beim Phasenwechsel und Entmischung werden dadurch gelöst, daß das Phasenwechselmaterial in den Hohlkörpern angeordnet ist, die im Speicherwasser schwimmen. Der Arbeitsbereich lioqt doi.l: boi e<i. 40-lK) C also bei relativ hohen Temperaturen, die eina gute

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Wärmeisolierung des Speicherraums verlangen und für die nur wenige, relativ teure Latentspeichermittel zur Verfügung stehen. Außerdem erfordert die wasserdichte Ausbildung des großen Speicherbehälters einen erheblichen Herstellungs- und Wartungsaufwand.

Weiter ist es an sich bekannt, Sonnenkollektoren, zur Aufladung von Wärmespeichern zu verwenden. Die bisher üblichen Sonnenkollektoren enthielten ein flüssigkeitsdurchströrntes Rohrleitungssystem, das zur. Energieaufnahme der Sonneneinstrahlung ausgesetzt wurde. Bei den flüssigkeitsführenden Sonnenkollektoren treten sowohl Dichtungs- als auch Korrosionsprobleme auf, die einen wartungsfreien Langzeitbetrieb erschweren. Hinzu kommt die Gefahr von Betriebsstörungen aufgrund der Bildung . von Luftblasen in der Transportflüssigkeit.

Weiter ist es an sich bekannt, den Wärmeinhalt der Urngebungsluft oder einer mit Abwärme beladenen Luft durch die Verwendung von gegen Luft arbeitenden Wärmepumpen zu Heizungszwecken zu verwenden. Wegen der Gefahr der Vereisung der wärmeaufnehmenden Wärmetauscherfläche liegt die Betriebsuntergrenze einer solchen Wärmepumpe bei etwa minus 5 C. Um die zwischen der Tag- und Nachtperiode oder zwischen einzelnen Tagen auftretenden

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Schwankungen des Energieangebots aus der Luft zu glätten, ist es zweckmäßig, die Wärmepump© mit einem Wärmespeicher zu verbinden. Bestehende Systeme sehen den Wärmespeicher auf der wärmeabgebenden Seite der Wärmepumpe vor. Warmwasserspeicher und der eingangs erwähnte Wärmespeicher mit Latentspeicherkugeln arbeiten hier umwirtschaftlich, da die Speichertemperatur in der Regel höher als die erforderliche Betriebstemperatur ist, was eine ungünstige Leistungskennziffer der Wärmepumpe zur Folg® hat«

Der Erfindung- liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher für eine Heizungs·= und Warmwasserfoereitungsanlage der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der eine wirt~ schaftliche Nutzung der Umgebungswärme aus Luft und/oder Sonnenstrahlung für Heizzwecke ermöglicht„ und der gegebenenfalls einen gansjährigen Wärmepumpenbetrieb mit hoher Leistungskennziffer und ohne Vereisungsgefahr an den Wärmetauscherflächen gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Patentansprüchen 1 und 15 angegebenen Merkina Iskatubinationeii vorgeschlagen» Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung -ergehen sich aus den Unteransprüchen„

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Die erfindungsgemäßen Wärmespeicherelemente sind transportabel und können mit Hilfe einer einfachen Transport- und Verteilervorrichtung unmittelbar für den Wärmetransport zwischen dem Speicherraum und einer Aufheizvorrichtung, insbesondere einem Sonnenkollektor, verwendet werden. Vorzugsweise weisen die Wärmespeicherelemente eine Oberflächenschicht mit hohem Absorptionsvermögen auf, so daß sie in einem Sonnenkollektor unmittelbar als Strahlenenergie· aufnehmendes Medium eingesetzt werden können. Dementsprechend können die Speicherelemente sowohl im Speicherraum als auch im Sonnenkollektor eine von oben beschickbare und nach unten ablaßbare Kugelschüttung bi. ldon. Dor Sonnenkollektor kann dabei als flacher Kasten zur Aufnahme einer flächigen Schüttung von Speicherelementen ausgebildet sein, der von der einen Breitseite her mit Sonnenenergie und/oder Umgebungsluft beaufschlagbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung befindet sich der mit Umgebungsluft oder mit einer durch Abwärme aufgeheizten Luft beaufschlagte Wärmespeicher mit oder ohne Kollektorkreislauf auf der energieaufnehmenden Seite einer Wärmepumpe, die sekundärseitig ein Heizmedium für einen Heizkreislauf aufweist. Die Schüttung der Wärmespeicherelemente bleibt in diesem Falle trocken

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und kann deshalb in einem einfachen Speicherraum, der nicht flüssigkeitsdicht sein tnuß, also z.B. auf Lagerhorden oder in einem Kellerraum gelagert werden. Da die Speichertemperatur auf der Primärseite der Wärmepumpe verhältnismäßig niedrig sein kann, werden auch an die Wärmeisolierung des Speicherraums keine hohen Anforderungen gestellt. Der Wärmespeicher hat hier die Aufgabe eines Pufferspeichers, der gewährleistet, daß die der Wärmepumpe primärseitig zugeführte Luft auf einer von den Schwankungen der Umgebungstemperatur und gegebenenfalls der Sonneneinstrahlung weitgehend unabhängigen Temperatur gehalten wird, die einen gleichmäßigen Wärmepumpenbetrieb mit hoher Leistungskennziffer ohne die Gefahr einer Vereisung der. wärmeaufnehmenden Wärmetauscherflächen ermöglicht. Bei entsprechend groß ausgelegter Speicherkapazität können damit sogar langer andauernde Kälteperioden überbrückt werden, wenn man zusätzlich berücksichtigt, daß für einen i^irksamen Wärmepumpenbetrieb auch schon Speichertemperaturen um den Gefrierpunkt ausreichen. .

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Pig» 1 ein Schema einer Heizungsanlage mit "Wärmespeicher und Sonnenkollektor für kugelförmige Warme- _~

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speicher- und Transportelemente;

Fig. 2 ein Schema einer gegen Luft arbeitenden Wärmepumpe mit primärseitigem Pufferspeicher aus kugelförmigen Wärmespeicherelementen;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein kugelförmiges Wärmespeicherelement ;

Fig. 4 eine Ansicht eines Wärmespeicher—

elements mit OberflächenrippenJ

Fig. 5 eine Ansicht eines Wärmespeicherelements mit Durchgangsbohrung;

Fig. 6 eine Ansicht, eines Wärmespeicherelements mit abriebfestem Schutznetz.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Heizungsanlage bestellt im wesentlichen aus einem Wärmespeicher 10 und einer als Sonnenkollektor 12 ausgebildeten Aufheizvorrichtung. Als Wärmespeichermedium werden kugelförmige Wärmespeicherelemente 14 verwendet, die gleichzeitig für den Wärmetransport zwischen Wärmespeicher 10.und Sonnenkollektor 12 vorgesehen sind. Zu diesem Zweck werden die abgekühlten Wärmespeicherelemente 14 aus einer untenliegenden Austrittsöffnung 16 des Speicherrauma 17 entnommen und über eine Rohrleitung 18 mit Hilfe eines Fördermechanismus 20, der in der Zeichnung

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als durch einen Motor 22 unterhalb der Austrittsöffnung 16 hin- und herbawegbarer stempel 24 angedeutet ist, zur obenliegenden Eintrittsöffnung 26 des Sormankollektors transportiert. Am austrittseitigen Ende 28 des Sonnenkollektors befindet sich eine temperaturgeregelte Absperrvorrichtung 30, die die im Kollektor aufgeheizten Speicherelemente 14 einzeln oder in Gruppen für den Rücktransport durch die Rohrleitung 32 und die Eintrittsöffnung 33 in den Speicherraum 17 freigibt«. Aufgrund des normalerweise vorhandenen Gefälles kann der Rücktransport vom Sonnenkollektor 12 sum Speieherraura 17 allein durch die Schwerkraft srfolgsru

Sowohl im Speicherraum 17 als auch im Kollektorraum 12 bildet sich eine Kugelschüttung aus, die durch eine geeignete , in dar Zeichnung nicht dargestellte geometrische Anordnung von Ein- und Austrittsoffnungen in ihrer Form und im Durchlauf beeinflußt wer.den kann»

Der Sonnenkollektor. 12 ist an den Breitseitenflächen so begrenzt, daß sich in ihm nur eine flächige Schüttung ausbildet, die zur Energieaufnahme der Sonnenstrahlung (Pfeile 34) oder der Umgebungsluft ausgesetzt wird. Um die Strahlungsenergie aufnehmen zu können, sind die Speicherelemente 14 mit einer Oberflächenschioht mit. hohem Absorptionsvermögen versehen. Zur Verbesserung

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des Kollektorwirkungsgrads kann außerdem auf der rückwärtigen Kollektorseite eine nicht dargestellte, strahlungsabsorbierende und/oder -reflektierende Folie vorgesehen werden, die die durch die Zwischenräume an den Speicherelementen 14 vorbeigelangende Strahlungsenergie zu den Speicherelementen zurückreflektiert.

Bei ungünstiger Wetterlage, wie bei Regen oder Nachtkälte, können zur Vermeidung von Wärmeverlusten alle Speicherelemente 14 aus dem Kollektor 12 einfach in den Speicherraum 17 abgelassen und erst bei günstigeren Witterungsbedingungen wieder zum Kollektor zurückgefördert werden.

Der Wärmespeicher 10 wird außerdem mit einem Wärmetransportmittel (Pfeile 36) beaufschlagt, das durch die Öffnung 38 in den Speicherraum 17 eintritt und durch die Öffnung 40 aus diesem austritt. Beim Durchströmen der Kugelschüttung tritt je nach Temperaturdifferenz ein Wärmeaustausch in der einen oder anderen Richtung auf, so daß das Wärmetransportmittel sowohl zum Entladen als auch, neben dem Sonnenkollektor, zum Aufladen des Wärmespeichers 10 verwendet werden kann. Die durch die im Rohr 32 herunterfallenden Wärmespeicherelemente betätigbare Rückschlagklappe 41 im Bereich der Eintrittsöffnung 33 verhindert, daß Wärmetransportmittel zum Sonnen-

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kollektor 12. gelangt.

Es ist zwar grundsätzlich möglich, als Wärmetransport-»· mittel eine Flüssigkeit, z.B. Wasser zu verwenden. In diesem Falle ist in der Rohrleitung 18 ein nicht dargestelltes Flüssigkeitssieb vorzusehen, um die von den Speicherelementen mitgenommene Flüssigkeit vor dem Eintritt in den Kollektor abzuscheiden»

Die Vorzüge der beschriebenen Anlage zeigen sich jedoch besonders beim Betrieb mit Umgebungsluft oder einer vorgeheizten Abluft als Wärmefcransportmittel, deren Wärmeinhalt gegebenenfalls über eine nachgeschaltete Wärmepumpe zu Heiziangszwecken ausgenutzt werden soll. In diesem Falle bleibt die Kugelschüttung trocken und kann deshalb in einem einfachen Speicherraum_ä der nicht unbedingt flüssigkeitsdicht sein muß_t z.B. in einem Kellerraum, aufbewahrt werden.

Wie aus Fig„ 2 ersichtlich ist, kann die Umgebungsoder Abluft mit Hilfe eines Gebläses 42 durch den Wärmespeicher 10' hindurchgefördert werden. Die aus dom Speicherraum 17 austretende Luft gelangt je nach Stellung der Klappe 44 über das Rohr 46 ins Freie oder über das Rohr 48 zur wärmeaufnehmenden Tauscherfläche einer Wärmepumpe 50. Weist die Klappe zn der ins Freie gehenden

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Leitung 46, so wird der Luftstrom 36 lediglich zum Aufladen des Speichers benutzt, was selbstverständlich nur dann sinnvoll ist, wenn die ankommende Luft um einige ⁰C wärmer als das Speichermaterial ist.

Für den Heizbetrieb wird der aus dem Wärmespeicher kommende Luftstrom zur primärseitigen Wärmetauscherfläche der Wärmepumpe 50 geleitet. Dort wird dem Luftstrom 36 Wärme entzogen und sekundärseitig auf einem höheren Temperaturniveau an ein in einem Heizkreislauf 52 strömendes, gasförmiges oder flüssiges Heizmedium abgogobon.

Die Speicherelemente 14 sollten aus einem Material mit hoher Wärmeäufnahmefähigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit bestehen. Es kommen hierfür einmal massive Kugeln aus metallischen .oder keramischen Materialien mit hoher Wärmekapazität in Betracht. Eine noch größere Wärmeaufnahmefähigkeit kann mit Phasenwechselmaterialien erzielt werden, deren Phasenumwandlungspunkt etwa bei der gewünschten Speichertemperatur liegt. Hierfür kommen beispielsweise Paraffine, Metallsalze wie Glaubersalz, Wasser, Ameisensäure, Benzol, Glyzerin u.dgl. in Betracht. Die Wahl des Speichermittels richtet sich nach den klimatischen Verhältnissen am Betriebsort. In Mitteleuropa ist die Verwendung von Wasser unter Aus-

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nutzung der im Bereich des Gefrierpunkts speicherbaren hohen Schmelzwärme vorteilhaft, da hier Lufttemperaturen um den Gefrierpunkt und höher auch im Winter tagsüber häufig zur Verfugung stehen, während sie in der Nacht deutlich darunter liegen. Die Auslegung des Wärme— spei-chers richtet sich im übrigen nach der Größe der Wärmepumpe und der veranschlagten Überbrückungszeit.

Zur. Bildung eines stabilen Speicherelements kann das Speichermaterial 54 in einer Kugelschale 56 aus Metall eingeschlossen sein, wie in Fig. 3 in einer Schnittdarstellung gezeigt ist*

Zur Erhöhung der Wärmeaustauschfläche können die Speicherelemente 14 außen und gegebenenfalls auch innen mit Rippen 58 versehen sein (Fig. 4) oder oberflächenvergrößernde Bohrungen 60 aufweisen (Fig. 5).

Für den Transport der Speicherelemente 14 innerhalb des Wärmespeicher-Kollektor-Kreislaufs wird ferner eine hohe Abriebfestigkeit bei gleichzeitig geringem Reibungskoeffizienten verlangt. Diese Eigenschaften können boi—

62 . spielsweise mit einem Schutznetz aus einem abriebfesten Material, wie Poiytetrafluoräthylen, erzielt werden (Fig. 6).

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Grundsätzlich ist es möglich, verschiedene Gruppen von Speicherelementen beispielsweise mit unterschiedlichen Speichermaterialien zu verwenden, die vorzugsweise von verschiedenen Heizmedien auf unterschiedliche Temperaturen aufgeheizt und voneinander getrennten Bereichen oder Schichten des Speicherraums zugeführt werden können. Damit kann den unterschiedlichen Temperaturanforderungen verschiedener Verbraucher Rechnung getragen werden. Außerdem lassen sich damit die bei verschiedenen Heizmedien zur Verfügung stehenden unterschiedlichen Temperaturen besser nutzen, so daß insgesamt eine optimale Ausnutzung des verfügbaren Speicherraums ermöglicht wird.

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Claims

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DR.-iNG. EUGBN. MAIBR -»Da-IMG. ECKHARD WOLF

PATENTANWÄLTE
2UGELASSENEVERTRETERVOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

DRESDNER OANK AG TELEFON: (0711) 3427β1/2 STUTTGART NH. 193Ο334

TELESRAMME: mentor · 7 STUTTQART 1, PISCH EK STR. 10 Postscheck STsr. aEsoo-7os

SOLAR Wärmetechnik GrabH Breite Straße 7
7980' Ravensfourg

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Vorrichtung zur Speicherung von Wärme für Heisungsanlagen

Ansprüche

l.j Vorrichtung zur Speicherung von Wärme für Heisungsanlagen mit einer Vielzahl von in einem Speicherraum angeordneten und mit einem Wärmetransportmittel beaufschlagbaren, vorzugsi'/eise kugelförmigen Wärme=· speicherelementen (, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherraum (17) mindestens eine Austrittsöffnung (16) sum Entnehmen der abgekühlten Speicherelemente (14) und mindestens eine Eintrittsöffnung (33) zum Einführen der aufgeheizten Speicherelemente enthält, und daß ©ine die abgekühlten

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Speicherelemente von der Austrittsöffnung (16) zu einer Aufheizvorrichtung (12) transportierende und die dort aufgeheizten Speicherelemente (14) zur Eintri.ttsöffnung (33) zurücktransportierende Fördereinrichtung (20,18,32) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß die Aufheizvorrichtung als Sonnenkollektor (12) ausgebildet ist, durch den die Speicherelemente (14) als Strahlungsenergie aufnehmendes Medium hindurchleitbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die abgekühlten Speicherelemente (14) hintereinander aus dem Speicherraum (17) entnehmbar und über eine Rohrleitung (18) der Aufheizvorrichtung (12) zuführbar sind, und daß die aufgeheizten Speicherelemente hintereinander über eine woitero Rohrleitung (32) wieder in den Speicherraum (17) zurückführbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente ein in einer gut wärmeleitenden, vorzugsweise metallischen Kugelschale (56) angeordnetes Phasenwechselmaterial (54) enthalten.

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ο Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4/ dadurch gekennzeichnet , daß die Speicherelemente (14) ein© abriebfeste Oberfläche aufweisen.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente (14) eine oberflächenvergrößernde 'Oberflächenstruktur (Rippen 58) und/oder durchgehende Bohrungen (60) aufweisen.

ο Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 Ms 6„ d a durch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente (14) eine strahlungsenergie absorbierende Oberfläche aufweisen«

8ο Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenns©ichnet_s· daß das Wärmetransportmittel (36) entgegen der Transportrichtung

■ . der Speicherelemente (14) durch den Spaicherraum (17) hindurchleitbar ist.

9ο Vorrichtung nach einem d@r Anspruch® 1 bis 8, d a ° durch gekennzeichnet,, daß das Wärmetransportmittel ein Gas, insbesondere Luft ist.

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10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetransportmittel eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die zur Aufheizvorrichtung (12) führende Rohrleitung (18) in einem über dem Flüssigkeitsspiegel des Speicherraums (17) angeordneten Bereich siebartige Öffnungen für die Abscheidung von restlichen, von den Speicherelementen mitgeführten Flüssigkeitstropfen aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bdsll, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem aus dem Speicherraum (17) austretenden Wärmetransportmittel die Primärseite einer ein Heizmedium aufheizenden Wärmepumpe (50) beaufschlagbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente (14) im Speicherraum (17) und gegebenenfalls in der Aufheizvorrichtung (12) eine von oben beschickbare und nach unten ablaßbare Kugelschüttung bilden.

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14ο Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,, daß die Aufheizvorrichtung (12) einen flachen Kasten zur Aufnahme einer flächigen Schüttung von Speicherelementen (14) bildet, der von der einen Breitseite her mit Sonnenenergie und/oder Umgebungs~ oder Abluft beaufschlagbar ist.

ο Heizungsanlage für eine Gebäudeheizung und/oder eine Warmwasserbereitungsvorrichtung mit einem eine Vielzahl von in einem Speicherraura befindlichen, mit einem Wärmetransportmittel beaufschlagbaren, vorzugsweise kugelförmigen Wärmespeicherelementen enthaltenden Wärmespeicher, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9,13 oder 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmespeicherelemente (14) über ein Gebläse (42) mit Umgebungs- oder Abluft als Wärmetransportmittel beaufschlagbar sind und daß mit der aus dem Speicherraum (17) austretenden Luft die wärmeaufnehmende Wärmeaustauschfläche einer sekundärseitig ein Heizmediura aufheizenden Wärmepumpe (50) beaufschlagbar ist.

16«, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a durch-gekennzeichnet , daß der Speicherraum in mindestens zwei Bereiche» odor Schicht on zur Aufnahme von auf- unterschiedliche Temperaturen auf-

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ladbaren Speicherelementen unterteilt ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die zu verschiedenen Bereichen oder Schichten des Speicherraums gehörenden Speichorelemente verschiedene Speichermaterialien enthalten und/oder mit verschiedenen Heizmedien beaufschlagbar sind und/oder für die Wärmeversorgung unterschiedlicher Verbraucher verwendbar sind.