DE4114076A1 - Solarheizung mit wassergefuelltem haupt-energie-speicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarheizung mit wassergefüll­ tem Haupt-Energie-Speicher für eine Langzeit-Speicherung der Wärmeenergie möglichst für die ganze "kalte Jahreszeit".

Obwohl für eine Langzeit-Wärme-Speicherung verhältnismäßig große Speicher benötigt werden, wenn Wasser als Speicher­ medium verwendet wird, haben sie doch gegenüber sogenannten Latent-Wärmespeichern einige Vorteile. Latentwärmespeicher Nutzen die Schmelzwärme bestimmter Salze und haben bei glei­ chem Speichervolumen die 4- bis 6fache Speicherfähigkeit als Wasser. Sie können aber praktisch nur bei der Umwand­ lungstemperatur der Füllmasse vom festen in den flüssigen Aggregatzustand und umgekehrt verwendet werden, beispiels­ weise bei 80°C. Unterhalb dieser Temperatur können sie nicht von Sonnenkollektoren "beladen" werden. Ein Wasser­ speicher kann dagegen im Spätwinter oder zeitigen Frühjahr, wenn die Temperatur des Wassers bereits auf Werte um 40° bis 50°C abgesunken ist, von den Sonnenkollektoren wieder "beladen" werden, wenn die Temperatur der Wärmeträgerflüs­ sigkeit im Sonnenkollektor nur Werte erreicht, die um 5° bis 10°C über der Wassertemperatur im Speicher liegt. Auch der Preis spricht für den Wasserspeicher.

Früher rechnete man mit wirtschaftlich uninteressanten gro­ ßen Wassermengen für eine Langzeitspeicherung. Bereits 1974 wurde jedoch von der Technischen Hochschule von Dänemark ein "0-Energie-Haus" gebaut, das einen Haupt-Energiespei­ cher mit "nur" noch 30 m³ Wasser besitzt. (Berichtsband der Tagung: "Heizen mit Sonne" vom 23./24. Februar 1976 in Göttingen, DGS = Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V. München, Seiten 175 bis 196,) Die Zeitschrift "natur" veröffentlichte im Februar 1991, Seiten 64 und 65, einen Bericht über ein in Norddeutschland errichtetes "0-Ener­ gie-Haus" mit einem Haupt-Energie-Speicher in Form eines Wassertanks von nur noch 10 m³ Inhalt.

Beide Häuser haben eine dem nordeuropäischen Klima angepaß­ te extrem aufwendige Wärmedämmung und eine teure Wärme-Rück­ gewinnung aus der Abluft der Raumlüftung und aus dem Abwas­ ser. Es sind im wesentlichen Forschungsobjekte.

Interessant ohne übertriebenen Aufwand für Wärmedämmung und Wärmerückgewinnung könnte jedoch eine Solarheizung in südeuropäischen Ländern sein, in denen vielfach gar kei­ ne Raumheizung existiert oder nur eine "Not-Heizung" mit Elektroöfen oder Gasöfen. Elektro-Öfen verbrauchen eine sehr teure Energieform, Gasöfen leiten oft das "Abgas" in die Raumluft, die damit erheblich verschlechtert, weil Sauerstoff-ärmer wird. In allen Ländern Südeuropas, von Ost nach West betrachtet von Griechenland bis Portugal, gibt es inzwischen eine große Menge an Ferienhäusern von Nordeuropäern, die oft im Winter unbeheizt leer stehen, dabei feucht und muffig werden und durch in der Feuchtigkeit wachsende, meist nicht sichtbare Schimmelpilze gesundheits­ gefährdend (Allergien-auslösend) werden.

Für Häuser in diesen südlichen Regionen ist die Erfindung gedacht. Die gegenüber Nordeuropa wesentlich geringere Menge an benötigter Wärmeenergie zum Heizen in der "kalten Jahreszeit" kann auch durch Sonnenenergie gewonnen werden und ohne übertriebenen Aufwand in Haupt-Energie-Speichern mit Wasserfüllung gespeichert werden.

Allerdings werden, wenn kein übertriebener Aufwand an Wär­ medämmung und Wärmerückgewinnung betrieben werden soll, als Ganzjahresspeicher auch sehr gut isolierte Behälter mit 10 bis 15 m³ Wasserinhalt benötigt. Die bisher gebräuchli­ chen Metall-Tanks erforden sehr hohe Transport- und Monta­ gekosten, insbesondere in abgelegene Gebiete mit Ferien­ häusern. Ein anderer Nachteil der bisher üblichen Technik besteht in der "Vernichtung" von Überschußenergie, wenn im Sommer eine sehr lange und ausgiebige Sonnenschein-Periode auftritt und die maximale Temperatur im Wasserspeicher er­ reicht ist. Im allgemeinen wird dann, insbesondere bei be­ reits vielerorts gebräuchlichen Brauchwasseranlagen mit Sonnenkollektoren, einfach Heißwasser in die Kanalisation abgeleitet und Kaltwasser in das System nachgefördert. Diese Wasserverschwendung kann nicht verantwortet werden, auch wenn die dabei verschwendete Wärmeenergie "kostenlos" ist.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in einer möglichst einfa­ chen Solarheizanlage mit großvolumigem wassergefülltem Haupt-Energiespeicher, der geringe Transport- und Einbau­ kosten verursacht sowie in einer Abführung der "Überschuß- Energie" bei "beladenem" Hauptspeicher und weiterer Sonnen­ einstrahlung ohne Wasserverlust.

Diese Aufgaben werden durch die Erfindung nach der Beschrei­ bung der kennzeichnenden Teile der Patentansprüche gelöst. Die Vorteile der Erfindung liegen im wesentlichen in der Lösung der gestellten Aufgaben. Eine flexible Hülle als Wasserspeicher kann zusammengelegt leicht und kostengünstig transporiert werden. Die Montage derselben in einer form­ steifen Wanne durch Aufblasen mit Luft vor der Befüllung mit Wasser ist einfach und kostengünstig. Die Herstellung der formsteifen Wanne, in die die flexible Hülle eingelegt wird beispielsweise als Holzkiste oder Kiste aus Holzwerk­ stoffplatten (Span- oder Faserplatten) mit außenseitiger Versteifung durch Kanthölzer kann auch in weniger entwickel­ ten Ländern durch Bau-Hilfskräfte vorgenommen werden. Der Hauptspeicher wird bis an die Grenze der Wasserverdampfung von den Kollektoren mit Sonnenenergie beladen, wenn Dampf entsteht, strömt dieser über einen Dampfdom und einen Rohrstutzen in einen ballonartigen, ev. auch flexiblen Be­ hälter über dem isolierten Hauptspeicher. Dieser Ballon wird nicht isoliert, er kann sich durch den Dampfdruck füllen und ausdehnen und insbesondere in der Nacht wird der Dampf darin wieder zu Wasser kondensieren, das in den Haupt­ speicher zurückgeführt werden kann. Auch die Regelung der Brauchwasserbereitung in einem separaten Brauchwasserspei­ cher ist einfach. Bei abgesunkener Temperatur im Hauptspei­ cher wird das Brauchwasser nur noch durch Sonnenkollektoren direkt erhitzt.

Ein steifer "Deckel" z. B. aus Metall, der mit einem Flansch Wasser- oder Dampfdicht mit einer größeren Öffnung im oberen Bereich der flexiblen Hülle des Wasserspeichers verbunden wer­ den kann, ist ein kompaktes, leicht transportables Element, auch wenn daran alle Rohrdurchführungen, eine Stütze, die auf dem Boden der Hülle steht, ein Dampfdom und ggf. spiral- bzw. schraubenförmig um die Stütze angeordnete Wärmetauscher befestigt oder vor der Verbindung mit der flexiblen Hülle daran anmontiert werden. Es ist auch die wahlweise Anord­ nung von direkten Wasserkreisläufen vom Wärmespeicher durch die Sonnenkollektoren und die (Rohrschlangen-)Wärmetauscher im Brauchwasserspeicher und im ev. Pufferspeicher für die Heizung oder von indirekten Kreisläufen einer Wärmeträger­ flüssigkeit (z. B. einem Wasser-Glykol-Gemisch) über Wärme­ tauscher auch im Hauptspeicher, in der flexiblen Hülle des­ selben, möglich. Diese durchweg bekannten Details sind nicht Gegenstand der Erfindung, sie können je nach örtlichen Ge­ gebenheiten (z. B. gelegentliche Nachtfrostgefahr oder stark kalkhaltiges Wasser im Hauptspeicher) optimal projektiert werden.

Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel mit einer schematischen Figur erläutert. Die Erfindung be­ schränkt sich jedoch nicht auf dieses dargestellte Beispiel.

Der Hauptspeicher 1 ist als flexible Hülle 2 ausgebildet.

Die flexible Hülle 2 kann aus einem mehrlagigen, mit einem wasser- und temperaturbeständigen Elastomer getränkten und beschichteten Gewebe bestehen. Die flexible Hülle 2 liegt in einer steifen, wärmeisolierten Wanne 3 Die steife Wan­ ne 3 kann als einfache Holzkiste mit innenseitiger Bretter- oder Plattenauskleidung (z. B. Span- oder Faserplatten) aus­ gebildet sein. Zwischen der Hülle 2 und der Wanne 3 können dem Wasserdruck standhaltende Isolierplatten 4, z. B. aus Kunststoff-Hartschaum oder Mineralwolle, eingelegt sein. Außerhalb der Wanne 3 kann eine weitere Isolierung aus ge­ eignetem Schüttgut, z. B. Kork-Granulat, grobes Granulat aus Blähton, Bims oder Vermiculite oder dergleichen im Zwischen­ raum 5 zum umgebenden Mauerwerk 6 und dem Erdboden 7 oder zu den Wänden und dem Boden einer Erdgrube angeordnet sein. Die Innenwände des Mauerwerks 6 und des Bodens 7 oder einer entsprechenden Erdgrube werden zweckmäßig gegen eindringen­ de Feuchtigkeit durch Kunststoff-Folien oder geeignete An­ striche gut isoliert.

Die flexible Hülle 2 hat oben eine größere Öffnung, die mit einer steifen Einrichtung 8 wasser- und ggf. dampfdicht verschlossen ist. Im Figurenbeispiel ist das ein Flansch,der innen offen ist oder ein innerhalb des Dicht- und Befesti­ gungsflansches gelochte Platte. Am Boden der Hülle 2 stützt sich die Einrichtung 8 mit der Stütze 9 ab, zweckmäßig mit einer Druckverteilungsplatte 10. Über der Einrichtung 8 ist ein Dampfdom 11 aufgesetzt, der über Durchbrüche in der Einrichtung 8 mit dem Innenraum der Hülle 2 in Verbin­ dung steht. Am Gipfel des Dampfdomes 11 ist ein Rohrstutzen 12 angebracht, der im Betriebszustand mit einem Ballon 13 verbunden ist. Der Ballon 13, z. B. auch als flexible Hülle ausgebildet, ist nicht isoliert. Ev. austretender Dampf kondensiert deshalb darin und kann über bekannte Einrichtun­ gen (Rohrleitungen, Pumpen . . .) in den Hauptspeicher 1 zurück­ geführt werden. (Nicht dargestellte Kondenswasserrückführung). Ein nicht dargestelltes Sicherheitsventil, das bei Überdruck im Ballon 13 öffnet, kann natürlich auch eingebaut werden.

Bei der Montage der Hülle 2 in der Wanne 3 wird an den Rohrstutzen 12 ein Gebläse angeschlossen, das die Hülle 2 etwa wie eine Traglufthalle aufbläst, damit sich die Hülle 2 gut an die Innenwände der Wanne 3 oder der Isolierplatten 4 anlegt. Erst dann wird das Wasser eingefüllt.

Alle Rohrleitungen zu den Sonnenkollektoren 14, dem Brauch­ wasserspeicher 15 und dem Pufferspeicher 16 für die Heizan­ lage werden durch den Dampfdom 11 und die Einrichtung 8 hindurchgeführt in das Innere des Hauptspeichers 1 in Form der Hülle 2. In diese Rohrleitungen zwischen Hauptspeicher 1 und Sonnenkollektoren 14, Brauchwasserspeicher 15 und Puffer­ speicher 16 sind in bekannter Weise Umwälzpumpen 17 eingebaut. Zwischen Hauptspeicher 1 und Sonnenkollektoren 14 wird die Umwälzpumpe 17 eingeschaltet, wenn die Temperatur im Sonnen­ kollektor höher ist als im Hauptspeicher. Zwischen Hauptspei­ cher 1 und Brauchwasserspeicher 15 wird die Umwälzpumpe 17 beispielsweise eingeschaltet, wenn die Temperatur unter 60° im Brauchwasser abgesunken ist. Ist z. B. gegen Ende der "kal­ ten Jahreszeit" die Temperatur im Hauptspeicher unter 60° abgesunken, wird über eine Regelanlage 18 die Umwälzpumpe 19 bei Wärmebedarf im Brauchwasserspeicher 15 eingeschaltet und der Brauchwasserspeicher 15 wird direkt von Sonnenkollek­ toren 14 aufgeheizt. Die notwendigen Temperaturfühler von der Regelanlage 18 zum Hauptspeicher 1 und zum Brauchwasser­ speicher 15 sind nicht dargestellt.

Um die Raumheizungs-Regelung zu vereinfachen kann von vorn herein eine Heizung mit niedriger Vorlauftemperatur vorgese­ hen werden, die in einem Pufferspeicher 16 von der Regelan­ lage 20 eingehalten wird.

Claims (7)

1. Solarheizung mit wassergefülltem Haupt-Energie-Speicher, bei der mittels Sonnenkollektoren der Hauptspeicher mit thermischer Energie beladen wird, die bei Wärmebedarf an ein Heizungssystem und einen Brauchwasserspeicher aus dem Hauptspeicher entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptspeicher (1) als flexible Hülle (2) ausgebildet ist, die in eine zumindest bei der Montage oben offene steife Wanne (3) eingelegt ist, die Hülle (2) weist im oberen Bereich eine größere Öffnung auf, die mit einer steifen Einrichtung (8) verschlossen ist und durch die alle Rohrleitungen zu den Sonnenkollek­ toren (14) und den Wärmeverbrauchern wie dem Brauchwasser­ speicher (15) und dem Pufferspeicher (16) sowie Lei­ tungen für Thermostate oder Regeleinrichtungen hindurchge­ führt sind.

2. Solarheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steife Wanne (3) als Holzkiste ausgebildet ist, wobei zwischen der Wanne (3) und der Hülle (2) ein ausreichend druckfestes Isolier­ material (4) und zwischen der Wanne (3) und dem umgebenden Mauerwerk (6) und dem Erdboden (7) oder einer entspre­ chenden Erdgrube in dem Zwischenraum (5) körniges oder Granulat-förmiges Isoliermaterial eingefüllt ist.

3. Solarheizung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Hülle (2) verschlie­ ßende Einrichtung (8) einen zusätzlichen Rohrstutzen (12) aufweist, der bei der Montage mit einem Gebläse verbunden ist, das die Hülle (2) vor der Befüllung mit Wasser mit Luft aufbläst.

4. Solarheizung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrstutzen (12) oder ein entsprechender Rohrstutzen im Betriebszustand bei einer Überhitzung des Hauptspeichers (1) zur Ableitung von Dampf oder überhitzter Luft vorgesehen ist.

5. Solarheizung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrstutzen (12) oder ein entsprechender Rohrstutzen im Betriebszustand in einen nicht isolierten Ballon (13) mündet, der mit einer Ein­ richtung zur Rückführung von Kondenswasser in den Haupt­ speicher (1) versehen ist.

6. Solarheizung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (8) zum Ver­ schluß der Hülle (2) als eine Art Dampfdom (11) aus­ gebildet ist, der sich innerhalb der Hülle (2) mit einer Stütze (9) am Boden abstützt.

7. Solarheizung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelanlage (18) die Temperatur im Brauchwasserspeicher bis zu einem Maximum zwischen 50 und 60° durch eine Umwälzpumpe (17) vom Hauptspeicher (1) beheizt einhält, während bei einem Ab­ sinken der Temperatur im Hauptspeicher (1) unter diesen Wert die Regelanlage (18) bei Wärmebedarf des Brauchwasser­ speiches (15) eine Umwälzpumpe (19) einschaltet, die den Brauchwasserspeicher (15) direkt durch die Sonnen­ kollektoren (14) aufheizt, während die Wärmeverbraucher der Heizanlage von einem Pufferspeicher (16) versorgt werden, der über eine Regelanlage (20) vom Hauptspeicher (1) beheizt auf einer bei Niedertemperatur-Heizungen gebräuchlichen Temperatur gehalten wird.