DE4035626C2 - Vorrichtung zum Speichern von Wärmeenergie in einem Raumheiz- und Kühlsystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern von Wärmeenergie in einem Raumheiz- und Kühlsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung dieser Gattung ist aus der US 4,259,401, insbesondere Fig. 5, bekannt. Bei der dort gezeigten Vorrichtung wird die Heizquelle mit Kraftstoff betrieben. Die von der Heizquelle erwärmte, als Wärmeträger dienende Luft kann wahlweise direkt in die zu heizenden Räume oder in eine Speicherkammer geleitet werden, so daß die Wärmeenergie in der Speicherkammer gespeichert und bei Bedarf aus der Speicherkammer abgezogen werden kann. Der Wärmespeicher ist bei der vorbekannten Vorrichtung als Mehrphasenspeicher ausgebildet, bei der das Speichermedium zwischen der flüssigen und festen Zustandsphase umschlägt. Die US-Patentschrift zeigt in Fig. 5A eine als Kühlvorrichtung ausgebildete entsprechende Vorrichtung. Die vorbekannte Vorrichtung kann entweder nur als Heizvorrichtung oder nur als Kühlvorrichtung betrieben werden. Falls daher ein System zum wahlweisen Heizen und Kühlen vorgesehen werden soll, müssen zwei derartige Vorrichtungen eingesetzt werden, was einen entsprechenden Aufwand bedeutet. Außerdem ist ein Mehrphasenspeicher in verschiedener Hinsicht nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung so weiterzubilden, daß sie bei möglichst geringem Aufwand wahlweise zum Heizen oder Kühlen verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung ist die Speicherkammer aus konvektionsunterdrückenden Schichtebenen und dazwischen angeordnetem festen Speichermaterial aufgebaut. Mit der Unterseite der Speicherkammer ist die elektrisch betriebene Heizkammer und mit der Oberseite der Speicherkammer eine Kühlkammer verbunden, so daß die Speicherkammer wahlweise als Wärme- oder Kältespeicher betrieben werden kann.

Auf diese Weise wird mit relativ geringem Aufwand erreicht, daß die Vorrichtung je nach Bedarf zum Heizen oder Kühlen eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung ist besonders geeignet als Nachtspeichersystem zum Ausnützen billiger elektrischer Energie zu Nachtzeiten.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Speichern von Wärmeenergie in einem Raumheiz- und Kühlsystem.

Fig. 2 zeigt schematisch die Ausführungsform nach Fig. 1 im wärmespeichernden Zustand.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Ausführungs­ form nach Fig. 1 im heizenden Zustand.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Ausführungs­ form nach Fig. 1 im kältespeichernden Zustand.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Ausführungs­ form nach Fig. 1 im kühlenden Zustand.

Fig. 6 zeigt schematisch den Wärmeübergang während der Wärme- oder Kältespeicherung.

Fig. 7 zeigt schematisch den Wärmeübergang während des Küh­ lens oder Heizens.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform nach der Erfindung.

Fig. 9 zeigt schematisch die Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 8 während des wärmespeichernden oder hei­ zenden Zustands.

Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 8 während des kältespeichernden oder kühlenden Zustands.

In Fig. 1 der Zeichnungen weist eine Speicherkammer 1 mehrere im vertikalen Abstand angeordnete getrennte Konvektion unterdrückende Schichtebenen 6a auf, zwischen denen festes Speichermaterial in Schichten 6 angeordnet ist, Löcher in den Schichtebenen 6a verbinden benachbarte Schich­ ten 6 miteinander. Luft durchströmt die Kammer 1 und jede der Schichten 6 in innigem Kontakt mit dem festen Material dazwischen. Eine Heizkammer 4 ist dem Boden der Speicherkammer 1 zugeordnet und enthält ein elektrisches Heiz­ element 5. Ähnlich ist eine Kühlkammer 8 der Oberseite der Speicherkammer 1 zugeordnet und enthält eine Kühlschlange 11. Leitungen 3, 3a sind mit der Heizkammer 4 verbunden, vorzugs­ weise an gegenüberliegenden Enden, um Luft in die Heiz­ kammer 4 einzugeben und von dieser wieder zu entfernen. Absperrventile sind in jeder der Leitungen angeordnet, nämlich Ventil 2 im Kanal 3 und Ventil 2a im Kanal 3a.

Die Kühlschlange 11 ist in Reihe geschaltet mit zwei Kühl­ leitungen 10, die in einem Kühlmittelkreis einer Kältevorrichtung 9 geschaltet sind. Absperr­ ventile 12 befinden sich in jeder Leitung 10 nahe der Kälte. Ein Brauchwasserbehälter 13 ist mit einem Wasservorrat 17 verbunden, aus dem Wasser zum Behälter 13 gefördert wird. Eine Heizschlange 14 befindet sich innerhalb des Behälters 13. Vom Behälter 13 geht eine Heißwasserversorgungsleitung 16 ab. Die Leitungen zwischen der Heizschlange 14 sind über ein Abschaltventil 15 mit den Kühlleitungen 10 verbun­ den. Der Brauchwasserbehälter 13 kann wahlweise von der Kältevorrichtung 9 oder der Heizschlange 14 betrieben werden.

Die Luftleitungen 3, 3a erstrecken sich zu den entspre­ chenden Einlaß- und Auslaßöffnungen in mehreren Kammern 20, 24 und 27. In den Luftleitungen 3, 3a sind Luftmischer 19, 19a geschaltet, wobei der Luftmischer 19 sich in der Leitung 3 und der Luftmischer 19a sich in der Leitung 3a befindet. Eine Leitung von jedem der Luftmischer 19, 19a ist an ge­ genüberliegenden Seiten in die Kühlkammer 8 geführt über ein entsprechendes Absperrventil 18, 18a.

Wenn die zirkulierende Luft der Heizkammer 4 oder der Kühl­ kammer 8 in der Speicherkammer 1 sehr heiß oder sehr kalt ist, wird ein entsprechender Kreislauf von mit der Kühlkammer 8 in Verbindung stehenden kühlen Luft oder mit der Heiz­ kammer 4 in Verbindung stehenden heißen Luft erzeugt, die mit der gewünschten Temperatur durch die Leitungen 3, 3a strömt. Luft strömt zu und von den Lüftungsöffnungen auf beiden Seiten eines geschlossenen Heizraums 21 in der Kam­ mer 20, zu und von den Öffnungen 25 und 26 in der Kammer 24 und der Öffnung 28 und der Öffnung 29 in der Kammer 27. Ein geeignetes Schalten der Ventile 2, 2a, 18 und 18a so­ wie eine Steuerung der Luftmischer 19 und 19a ermöglicht die Erzeugung temperierter Luft, die durch die Kammern 20, 24 und 27 strömt. Falls gewünscht, kann eine herkömmliche Befeuchtungseinrichtung, eine Entfeuchtungseinrichtung, eine Temperaturmeßeinrichtung, eine Geräuschunterdrückungs­ einrichtung, eine Luftblaseinrichtung, eine Luftreinigungs­ einrichtung und eine automatische Steuereinrichtung und ähnliches eingeschaltet werden, um die Luftqualität und ihre Temperatur auf dem gewünschten Niveau zu halten. Das gesamte System kann zum Heizen und/oder zum Kühlen ver­ wendet werden. Das feste Speichermaterial 7 ist daher besonders dafür ausgelegt, sowohl Wärme als auch Kälte zu speichern.

Betrieb (Fig. 1 bis 7)

Der Betrieb der in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Aus­ führungsform wird nachfolgend näher erläutert, um das Ver­ ständnis der Erfindung zu erleichtern.

Wenn die Vorrichtung als Heizvorrichtung verwendet werden soll, werden die Ventile 2, 2a, 18 und 18a und die Absperr­ ventile 12 geschlossen. Ferner wird das elektrische Heiz­ element 5 aktiviert, um die Luft in der Heizkammer 4 zu erwärmen. Die Luft steigt in die Kammer 1 in die Konvek­ tion unterdrückenden Schichten 6 durch die Löcher in den Schichtebenen 6a, um das feste Speichermate­ rial 7 in den Schichten 6 zu erwärmen. Entsprechend ergeben sich gemischte Konvek­ tionsströme in den Schichten 6, wie in Fig. 2 gezeigt. Wie ferner in Fig. 6 dargestellt, wer­ den die äußeren Schichten 30 des Materials 7 allmählich erwärmt und die Wärme wird allmählich in Richtung des Zentrums 31 des Materials gespeichert. Das Material 7 wird bei kontinuierlicher Zuführung von Wärme kontinuierlich erwärmt während entsprechend gesteuerter Zeiten, und zwar zu Zeiten, in denen die elektrischen Heizkosten reduziert sind. Die gespeicherte Wärme kann eine Temperatur im Zen­ trum 31 des Materials von über 100° annehmen. Somit kann das Material 7 eine Wärmemenge speichern, welche als Wärmequelle bei der Zirkulation von Luft nach­ folgend verwendet werden kann.

Zum Beispiel kann erwärmte Luft die Kammer 1 über das Ven­ til 18 und den Luftmischer 19 verlassen und in die Leitung 3 strömen. Ist die Luft zu heiß, kann eine entsprechende Steuerung mit Hilfe des Luftmischers vorgenommen werden, um die Temperatur der Luft zu regulieren.

Luft, die in jede der Kammern 20, 24 und 27 geschickt wird, tritt über entsprechende Öffnungen 22, 25 und 29 ein. Küh­ lere Luft wird aus den Kammern über die Öffnungen 23, 26 und 28 abgezogen, die mit der Leitung 3a zur Heizkammer 4 ver­ bunden sind. Diese kühlere Luft tritt in die Heizkammer 4 ein, wie schematisch in Fig. 3 gezeigt. Wenn das Heizelement 5 dann aktiviert wird, heizt es die Luft, und aufgrund von Konvektion bewegt sie sich nach oben in die Schichten 6, wie oben beschrieben. Wird das elektrische Heizelement 5 nicht aktiviert, strömt die gekühlte Luft in die Schichten 6 und passiert in innigem Kontakt das Material 7, um einen Wärmeaustausch mit diesem zu bewirken, so daß die Luft erneut erwärmt wird und in die Kammern 20, 24 und 27 ein­ tritt, wie oben beschrieben. Mit der Vorrichtung kann bei ausreichender Wärmespeicherung im Material 7 eine ausrei­ chende Beheizung über einen längeren Zeitraum bewerkstel­ ligt werden.

Heißes Wasser kann ebenfalls zur Verfügung gestellt werden, indem ein Medium durch die Kühlschlange 11 in der Kühl­ kammer 8 hindurchgeschickt wird. Dies erfordert, daß die Absperrventile 12 geschlossen und die Ventile 15 geöffnet sind. Eine Zirkulation des Mediums durch die Kühlschlange 11 resultiert in einer Erwärmung der Kühlschlange 11 auf ein ausreichendes Niveau, um das Wasser im Wasserbehälter 13 zu erwärmen, so daß heißes Wasser über die Versorgungs­ leitung 16 zur Verfügung steht. Wird Wasser aus dem Be­ hälter 13 über die Versorgungsleitung 16 entnommen, wird der Behälter 13 aus dem Wassertank 17 aufgefüllt.

Wird ein Kühlen der Kammern 20, 24 und 27 gewünscht, wird das elektrische Heizelement 5 abgeschaltet, und die Ven­ tile 12 werden geöffnet und die Ventile 2, 2a, 18, 18a und 15 werden ge­ schlossen. Zusätzlich wird die Kühleinrichtung aktiviert, um Medium durch die Kühlschlange 11 in der Kühlkammer 8 zu transportieren. Wird die Kühlschlange 11 durch das darin strömende Kältemittel gekühlt, wird auch die Luft inner­ halb der Kühlkammer gekühlt und in die Schichten 6 strömen, um ein Kühlen des Materials 7 von der äußeren Schicht 30 zum Zentrum 31 der Kammer 1 zu be­ wirken. Die Konvektionsphänomene zwischen Kühlkammer 8 und Heizkammer 4 sind in Fig. 7 gezeigt. Das Zentrum 31 des Materials wird auf eine Temperatur von -200°C gekühlt. Daher wird eine erhebliche Menge an Kälteenergie innerhalb eines kleinen Volumens gehalten.

Ist ein Kühlen der Kammern 20, 24 und 27 gewünscht, werden die Ventile 2 und 18a geöffnet, so daß Luft über natür­ liche Konvektion oder durch erzwungene Zirkulation, jedoch in umgekehrter Richtung, nämlich von der Oberseite der Kammer 1 zu ihrem Boden, wie in Fig. 5 gezeigt, strömt. Fig. 3 zeigt die Luftbewegung während des Heizzustands. Erwärmte Luft wird zur Kühlkammer 8 über Leitung 3a und Ventil 18a zurückgeführt und in innigen Kontakt mit dem kalten Material 7 gebracht, um einen Wärmeaustausch damit zu bewirken und erneut gekühlt zu werden zum Austritt aus der Kammer 1 über Ventil 2, Luftleitung 3 und zurück in die entsprechenden Kammern 20, 24 und 27.

Alternative Ausführungsform (Fig. 8 bis 10)

In den Fig. 8 bis 10 ist eine alternative Ausführungs­ form der Erfindung dargestellt. Identische oder ähnliche Teile mit der oben beschriebenen Vorrichtung werden mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Heizelement 5 in dieser besonderen Ausführungsform ist in einer getrennten Heizkammer 4a untergebracht, d. h. außer­ halb der Kammer 34a am Boden der Speicherkammer 1. Ähnlich ist die Kühlkammer 8a außerhalb der Kammer 34 an der Ober­ seite der Heizkammer 1 angeordnet. Im übrigen wird die Heizkammer 4a durch das elektrische Heizelement 5 geheizt und die Kühlkammer 8a durch die Kühlschlange 11 gekühlt, wobei Leitungen die entsprechenden Kammern 34a bzw. 34 versor­ gen. Die Heizkammer 4a ist von der Speicherkammer 1 getrennt und schließt das elektrische Heizelement 5 ein. Die Heizkammer 4a ist mit der untersten Kammer 34a der Speicherkammer 1 über die Leitung 35 verbunden, in der auch ein Absperrventil 32 an­ geordnet ist. Die Heizkammer 4a ist ferner über eine Leitung 35a mit der obersten Kammer 34 der Speicherkammer 1 über ein Absperrventil 32a verbunden. Die Kühlkammer 8a ist von der oberen Kammer 34 der Speicherkammer 1 getrennt. Die Kühlkammer 8a ist mit der obersten Kammer 34a über eine Leitung 36a und ein Absperrventil 33a verbunden. Die Kammer 8a ist außer­ dem über eine andere Leitung und ein Ventil 33 mit der untersten Kammer 34a der Speicherkammer 1 verbunden. Die andere Schaltung der Ausführungsform nach den Fig. 8 bis 10 ist identisch mit der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 7.

Betrieb (Fig. 8 bis 10)

In dem wärmespeichernden Zustand sind die Ventile 2, 2a, 18, 18a und das Ventil 12 geschlossen. Ferner sind die Schaltventile 32, 32a der Leitungen 35 und 35a geöffnet. Wenn aktiviert, heizt das elektrische Heizelement 5 die Luft in der Kammer 1, und die Luft strömt in einem konti­ nuierlichen Kreislauf in die unterste Kammer 34a, aufwärts durch die Schichten 6 in die oberste Kammer 34 und zurück über die Leitung 35a zum Heizelement 5. Nachdem eine ausreichende Menge von Wärme in der Kammer 1 gespeichert worden ist und wenn heißes Wasser gewünscht wird, werden die Ventile 12 geschlossen und die Ventile 15 geöffnet, wie oben beschrieben. Zusätz­ lich werden die Ventile 33a und 33 geöffnet, damit erwärmte Luft über die Leitung 36a aus der Kammer 34 austreten und in die Kammer 8a eintreten kann, um in Wärmeaustausch mit der Schlange 11 zu gelangen und dann zur Kammer 1 zurück­ zukehren, insbesondere zur untersten Kammer 34 über das Ventil 33. Das Medium in der Kühlschlange 11 wird erwärmt und strömt zur Heizschlange 14, um das Wasser im Behälter 33 zu erwärmen.

Während dieses Wärmespeicherprozesses ist erwünscht, das Heizelement 5 in Zeitperioden zu betreiben, in denen die Kosten für die Energie möglichst gering sind. Dies ist normalerweise während der Nachtstunden der Fall. Durch das Material 7 in den Schichten 6 wird ausreichend Wärme gespeichert, so daß ein Heizen über eine längere Zeitperiode vorgenommen werden kann, ohne daß das Heizelement 5 in Betrieb genommen werden muß.

Wird eine Kältespeicherung gewünscht, werden die Ventile 2, 2a, 18, 18a, 32, 32a und die Ventile 15 geschlossen. Die Ventile 33, 33a und die Absperrventile 12 werden ge­ öffnet, und die Kälteeinheit wird aktiviert. Die mit der Kühlschlange 11 in der Kühlkammer 8a in Berührung kommende Luft wird durch das in der Kühlschlange 11 zirkulierende Kältemittel gekühlt. Die gekühlte Luft tritt in die obere Kammer 34 ein und fällt nach unten durch die Schichten 6, um das Material 7 zu kühlen. Nachdem die Kältespeicherung im Material 7 beendet ist, werden die Ventile 2 und 18a geöffnet, und die Luft kann durch die Kammern 20, 24 und 27 zirkulieren. Die Luft wird in den Kammern 20, 24 und 27 erwärmt, und die erwärmte Luft wird über das Ventil 18a zurück zur Kammer 1 geför­ dert, wo sie in innigen Wärmeaustauschkontakt mit dem Material 7 innerhalb der Kammer 1 gelangt, um erneut ge­ kühlt und zu den Kammern 20, 24 und 27 zurückgefördert zu werden.

Die beschriebenen Ausführungsformen sind sehr einfach und wenig aufwendig in der Wartung, in der Herstellung und im Betrieb. Ferner ist der für die Anlage benötigte Platz klein, was bedeutet, daß sie bequem auch in den kleinsten Wohnungen und Gebäuden installiert werden kann.

Der Temperaturbereich, in dem Wärme bzw. Kälte gespeichert werden kann, bewegt sich von -200°C bis +1000°C. In den Kammern 20, 24 und 27 können genaue Temperaturen über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden, bevor eine er­ neute Beschickung der Kammer 1 mit Wärme oder Kälteenergie erforderlich wird. Durch die Verwendung von Nachtstrom findet eine zweckmäßige Kälte- oder Wärmespeicherung mit einem minimalen Aufwand und einem Optimum an Sicherheit statt. Durch die Verwendung einer verbrennungsfreien Wärme­ quelle findet keine Umweltverschmutzung statt und keine Geräuscherzeugung.

Falls gewünscht, kann die Kältevorrichtung in ein Heiz­ system umgewandelt werden und als separate Heißwasserver­ sorgung verwendet werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Speichern von Wärmeenergie in einem Raumheiz- und Kühlsystem, mit einer Heizkammer, in der ein Heizelement zum Erwärmen von als Wärmeträger dienender Luft angeordnet ist, und einer Speicherkammer, die mit der Heizkammer und den zu heizenden Räumen über einen Leitungen und Schaltventile enthaltenden Strömungskreis so verbunden ist, daß die als Wärmeträger dienende Luft durch die Speicherkammer geleitet werden kann, um im Wärmeträger enthaltene Wärmeenergie wahlweise in der Speicherkammer zu speichern und wieder aus der Speicherkammer abzugeben, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkammer mehrere übereinander angeordnete, die Konvektion unterdrückende Schichtebenen (6a) aufweist, zwischen denen festes Speichermaterial in Schichten (6) angeordnet ist und die mit mehreren Löchern für den Durchtritt von Luft versehen sind, daß die Speicherkammer eine obere und eine untere Kammer aufweist, über die die Speicherkammer (1) regelbar in den Strömungskreis der Luft einschaltbar ist, und daß die elektrisch betriebene Heizkammer (4, 4a) mit der unteren Kammer der Speicherkammer (1) verbunden ist, während mit der oberen Kammer der Speicherkammer (1) eine Kühlkammer (8, 8a) verbunden ist, die über Luftmischer (19, 19a) in den Strömungskreis der Speicherkammer geschaltet ist, wobei die Kühlkammer (8, 8a) eine Kühlschlange (11) enthält, die in einem Kühlmittelkreis mit einer Kältevorrichtung (9) verbunden ist, so daß die Speicherkammer (1) abwechselnd als Wärme- und Kältespeicher betreibar ist, wobei sie in der als Wärmespeicher betriebenen Phase von der Luft von unten nach oben und der als Kältespeicher betriebenen Phase von oben nach unten durchströmt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Heizschlange (14) versehener Brauchwasserbehälter (13) mit dem Kühlmittelkreis der Kühlkammer (8, 8a) verbunden ist, wobei zwischen der Kältevorrichtung (9) und der Kühlschlange (11) der Kühlkammer (8) einerseits und zwischen der Heizschlange (14) des Brauchwasserbehälters (13) und der Kühlschlange (11) der Kühlkammer (8, 8a) andererseits jeweils Absperrventile (12, 15) angeordnet sind, um den Kühlmittelkreis wahlweise durch die Kältevorrichtung (9) oder den Brauchwasserbehälter (13) zu führen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein natürlicher oder erzwungener reversibler Strömungskreislauf durch die Speicherkammer (1) stattfindet.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkammer (1) zum Heizen oder Kühlen für eine vorgegebene feste Zeit betreibbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammer(4a) und die Kühlkammer (8a) beide außerhalb der Speicherkammer (1) angeordnet und durch Leitungen (35, 35a, 36a) mit der Speicherkammer (1) verbunden sind.