AT502828B1 - Heiz- oder brauchwasserwärmespeicher mit mindestens zwei wärmequellen - Google Patents

Description

2 AT 502 828 B1

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heiz- oder Brauchwasserwärmespeicher mit mindestens zwei Wärmequellen.

Aus dem Stand der Technik sind einteilige, wassergefüllte Heiz- oder Brauchwasserwärmespeicher bekannt, bei denen der untere Teil von einer Umweltwärmequelle, zum Beispiel einem Solarabsorber, beheizt wird und der obere Teil von einem konventionellen Heizgerät beheizt wird. Wird im Sommer viel Solarwärme in den unteren Teil eingebracht, so reicht dies zumeist zur Beheizung des Speichers aus. Im Winter und in der Übergangszeit hingegen, wenn wenig Solarwärme aufgenommen werden kann, wird der untere Teil des Speichers lediglich von der Umweltwärmequelle vorgewärmt, während das konventionelle Heizgerät den oberen Teil auf Solltemperatur heizt.

Bei Warmwasserspeichern besteht das Problem, dass auf der einen Seite die Temperatur eine bestimmte Temperatur nicht übersteigen soll, um die Abstrahlverluste zu limitieren. Um Wärme auf einem bestimmten Niveau entnehmen zu können, ist eine bestimmte Mindesttemperatur in einem Teilbereich notwendig. Andererseits muss die Temperatur zumindest temporär oberhalb 55°C gehalten werden, um Legionellenbildung zu vermeiden. Hieraus resultiert ein relativ kleiner Temperaturbereich, in dem sich die Speichertemperatur aufhalten darf. Somit ist ein relativ großer Speicherbehälter notwendig, um viel Wärme aufnehmen zu können. Ein großes Volumen verfügt über eine große Oberfläche, so dass nennenswerte Verluste an die Umgebung auftreten.

Aus CH 648 412 A5 ist ein Speicher bekannt, in welchem oberhalb eines Dispergierelements ein Latentspeichermedium zur Wärmespeicherung auf nahezu konstantem Niveau angeordnet ist; darüber befindet sich Paraffinöl. Das Paraffinöl kann über eine Pumpe nach unten gepumpt werden, um einen Wärmeausgleich zwischen oben und unten zu ermögliche.

Die DE 299 14 113 U1 zeigt einen dreiteiligen Speicher, wobei jedes Speicherteil Latentspeichermaterial enthält. Die Wärme des Solarkollektors wird je nach Temperaturniveau in unterschiedliche Speicherteile eingeleitet.

Die WO 99/43988 offenbart einen Wärmespeicher, bei dem zwischen einem Niedertemperatur-Latentwärmespeicher und einem Hochtemperatur-Latentwärmespeicher ein Wasserspeicher zwischengeschaltet ist. Ein Solarkollektor erhitzt sowohl den Wasserspeicher, als auch den Niedertemperatur-Latentwärmespeicher. Das Abgasrohr eines Heizkessels überträgt Wärme auf alle drei Speicherteile. DE 298 21 270 U1 zeigt einen Wärmespeicher, bei dem ein Latentspeichervolumen von einem Wasservolumen umgeben ist. Optional ist vorgesehen, dass das Paraffin des Latentspeichervolumens von Wasser durchströmt wird. Als Wärmequelle dient eine Heizungsanlage mit Wasserzulauf und Wasserablauf. Der Brauchwasserspeicher wird indirekt über die Vorrichtung mit Latentspeichervolumen erhitzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Wärmekapazität eines Heiz- oder Brauchwasserwärmespeichers mit mindestens zwei Wärmequellen zu erhöhen und dabei das notwendige Speichervolumen zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird dies gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Wärmespeicher zweigeteilt ist und ein Speicherteil teilweise oder vollständig mit Latentspeichermaterialien gefüllt ist. Latentwärmespeichermaterialien werden auch PCM (Phase Change Materials) genannt. Der mit den Latentspeichermaterialien gefüllt Speicherteil wird mittels eines konventionellen Heizgerätes beheizt, während der andere Speicherteil mittels einer Umweltwärmequelle beheizt wird. Meist erhitzt die Wärmequelle für den oberen Bereich des Wärmespeichers hierbei indirekt über einen Wärmeträgerkreislauf; es ist jedoch auch eine direkte Beheizung z.B. mittels einer elektrischen Heizpatrone im oberen Teil des Speichers möglich. 3 AT 502 828 B1

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 bilden die beiden Speicherteilbereiche eine Baueinheit. Hierbei befindet sich der mit den Latentspeichermaterialien gefüllt Speicherteil oberhalb des anderen, da er zumeist die höhere Temperatur aufweist. 5 Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 können alternativ zu Anspruch 2 die beiden Speicherteile baulich getrennt, jedoch thermisch über mindestens eine Wärmeträger führende Leitung verbunden sein.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 handelt es sich bei dem Phasenwechselenergie spei-io chernden Medium um ein paraffinhaltiges Medium. Besonders vorteilhaft ist eine Mischung aus Wasser beziehungsweise Wasserglykol und mikroverkapseltem Paraffin.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 weist der Latentspeicher eine Vorrichtung zum Volumenausgleich auf. Sofern es sich beim dem Phasenwechselenergie speichernde Medium um 15 PCS handelt, kann ein konventionelles Ausdehnungsgefäß mit einem von einer Membran abgetrennten Stickstoffpolster handeln.

Neben Paraffin wären auch andere Medien zur Aufnahme der Phasenumwandlungsenergie geeignet, insbesondere Salzgemische. So können beispielsweise Gemische aus Magnesiumnit-20 rat mit Nitraten oder Alkali- oder Erdalkalimetallen verwendet werden. Auch Salzgemische auf der Basis von Magnesiumnitrat und Lithiumnitrat (Mg (N03)2 6 H20 und LiN03, z.B. 87-92 % Mg (N03)2 6 H20 und 8-13 % LiN03 Schmelztemperatur 70°C +/- 2 K, Schmelzwärme 54,32 Wh/kg) sind hierzu geeignet. 25 Paraffin (CnH2n+2) stellt eine Sammelbezeichnung für gesättigte Kohlenwasserstoffgemische dar, die hauptsächlich aus Erdöl gewonnen werden. Paraffine, die auch als Wachse bezeichnet werden, sind organische Stoffe, die nach der Raffination geruchlos, geschmacklos und ungiftig sind. Es wird zwischen Normalparaffine und Isoparaffine unterschieden. Normalparaffine sind einfache, lang gestreckte Ketten. Isoparaffine haben von einer langen Grundkette verzweigende 30 Äste. Für wärmetechnische Anwendungen kommen überwiegend Normalparaffine zum Einsatz. Die Schmelztemperatur der Paraffine liegt zwischen 30 bis 90°C bei einer Zahl n zwischen 18 und 50. Mit steigender Molekülkettenlänge bzw. steigender Molmasse nimmt die Schmelztemperatur des Materials stetig zu. Paraffine sind gut für thermische Anwendungen geeignet. Der Vorteil der Paraffine liegt in der Nutzung der latenten Wärme während des Phasenwechsels. 35 Ein geringerer Teil wird als sensible Wärme gespeichert. Die spezifische Wärmekapazität von Wärmeparaffin liegt bei etwa 2,1 kJ/(kg*K), die Schmelzenthalpie bei 180 bis 230 kJ/kg. Hierdurch sind Paraffine bestens zur Wärmespeicherung geeignet. Paraffin speichert beim Phasenwechsel etwa soviel Wärme wie die gleiche Menge Wasser bei einer Temperaturdifferenz von 40 K. Demzufolge werden Paraffine vorzugsweise im Bereich ihrer Schmelztemperatur 40 eingesetzt, da sie in diesem Bereich viel Wärme speichern können. Es ist jedoch darauf zu achten, dass beim Phasenübergang fest (Dichte 0,8 bis 0,9 kg/l) zu flüssig (Dichte 0,75 bis 0,85 kg/l) das Volumen um etwa 10 % zunimmt, so dass bei mit Paraffinen gefüllten Wärmespeichern eine Kompensationsvorrichtung vorgesehen sein sollte. 45 Eine Sonderform stellen PCS (Phase Change Slurries) dar. Hierbei wird Paraffin in kleinen Kügelchen (Durchmesser 1 bis 20 pm) von einer Hülle (Wandstärke deutlich kleiner 200 nm) umschlossen (Mikroverkapselung). Diese Kügelchen werden in Wasser gegeben, wodurch eine Emulsion aus Wasser und Kügelchen mit PCM-Eigenschaften, d.h. einer hohen Energieaufnahmemöglichkeit in einem kleinen Temperaturbereich, entsteht. Durch geeignete Wahl des so PCM kann die Schmelztemperatur des PCS individuell in einem Bereich vorzugsweise zwischen 6 und 65°C eingestellt werden.

Ein besonderer Vorteil des PCS gegenüber PCM stellt die Tatsache dar, dass das Paraffin beim PCS durch die Kügelchen weiterhin mobil bleibt. Bei konventionellem Paraffin findet die Erstar-55 rung zunächst an den Wärmeübertragerflächen des kühlenden Mediums statt. Das Paraffin 4 AT 502 828 B1 lagert sich am Wärmeübertrager ab und bildet eine Dämmschicht, so dass die weitere Wärmeübertragung deutlich erschert wird. Die Wärmeleitfähigkeit von festem Paraffin liegt bei lediglich 0,18 W/(mK). Demgegenüber erstarrt bei PCS lediglich das Paraffin in den Kügelchen. Die Kügelchen können von der Wärmeübertragerfläche weg transportiert werden und somit die 5 Wärmeübertragung auf das restliche PCS erleichtern.

Die Verfahrensansprüche schützen eine besonders vorteilhafte Betriebsweise des Wärmespeichers gemäß den Ansprüchen 1 bis 6. Demzufolge wird der PCM oder PCS enthaltende Speicherten mit einer Temperatur um die Schmelztemperatur betrieben, da er in diesem Bereich viel io Wärme bei nahezu konstanter Temperatur aufnehmen, speichern und abgeben kann. Ist die Temperatur des anderen Speicherteils höher als die Temperatur des PCM oder PCS enthaltenden Speicherteils, so wird Wärme vom wärmeren Speicherteil auf das PCM oder PCS übertragen. 15 Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen detailliert erläutert.

Figur 1 zeigt eine Heizung mit einem erfindungsgemäßen Wärmespeicher 1, der aus einem oberen Speicherten 2 und einem unteren Speicherteil 3 besteht. Im oberen Speicherteil 2 befindet sich eine Emulsion (PCS) aus Wasser und mikroverkapseltem Paraffin. Die Schmelztempe-20 ratur des PCS ist auf die Solltemperatur des Speicherteils abgestimmt und kann nicht mehr verändert werden. Dieser Speicherteil 2 ist einerseits über einen Wärmeaustauscher 4 innerhalb des Speicherteils 2 mit einem konventionellen Heizgerät 9 verbunden. Andererseits befindet sich in diesem Speicherteil 2 ein Wärmeaustauscher 5, der über eine Leitung 14 mit dem anderen Speicherteil 3 und einem Plattenwärmeaustauscher 10 einer nicht detaillierter darge-25 stellten Frischwasserstation mit Kaltwasserzulauf 15 und Vorlaufleitung 16 verbunden ist. Zwischen dem Plattenwärmeaustauscher 10 und dem unteren Speicherteil 3 befindet sich eine Pumpe 11. Im unteren Speicherteil 3 befindet sich ein Wärmeaustauscher 6, welcher übereine Pumpe 8, welche Sole fördert, mit einem Solarabsorber 7 verbunden ist. 30 Zwischen den beiden Speicherteilen 2, 3 findet zwar ein Wärmeübergang durch Wärmeleitung statt, der jedoch relativ gering ist.

Beim Betrieb wird der untere Speicherteil 3 durch den Solarabsorber 7 über den Wärmeaustauscher 6 gewärmt. Das Heizgerät 9 erwärmt den oberen Speicherteil 2 über den von oben nach 35 unten durchströmten Wärmeaustauscher 4 auf eine Solltemperatur bis zu 5 Kelvin oberhalb der Schmelztemperatur des PCS, so dass das PCS vollständig geschmolzen ist. Hierbei wird zunächst das PCS im oberen Bereich des oberen Speicherteils 2 geschmolzen; durch die Abkühlung des Wärmeträgers im Wärmeaustauscher 4 findet zunächst im unteren Bereich des oberen Speicherteils 2 noch keine Phasenumwandlung statt. Wird warmes Brauchwasser benötigt, so 40 läuft die Pumpe 11 an und fördert Wasser in den unteren Speicherteil 3. Das zuströmende Wasser verdrängt vorgewärmtes Wasser im unten Speicherteil 3, das in den Wärmeaustauscher 5 im oberen Speicherteil 2 strömt, dort Wärme aus dem PCS aufnimmt und erhitzt zum Plattenwärmeaustauscher 10 der Frischwasserstation strömt, wo Wärme auf kaltes, zuströmendes Brauchwasser abgegeben wird. Wird die Schmelztemperatur unterschritten, so gibt das 45 PCS Wärme ab ohne dass die Temperatur im Speicherteil 2 fällt. Erst wenn das gesamte PCS kristallisiert ist, fällt die Temperatur im Speicherteil 2.

Wird im Sommer viel Wärme über den Solarabsorber 7 in den unteren Speicherteil 3 eingebracht, kann gegebenenfalls auf die Beheizung des oberen Speicherteils 2 mittels Heizgerät 9 so verzichtet werden. Durch Umwälzen von Wasser vom unteren Speicherteil 3 in den Wärmeaustauscher 5 des oberen Speicherteils 2 kann dann das PCS Wärme aufnehmen. Ist der Wärmeaustauscher 10 der Frischwasserstation nicht auf der Brauchwasserseite durchströmt, so wird dort keine Wärme übertragen. 55 Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmespeicher 1, der sich vom zuvor beschriebenen

Claims (4)

1. 5 AT 502 828 B1 Wärmespeicher dadurch unterschiedet, dass zwei baulich getrennte Speicherteilen 2, 3, die über eine Leitung 14 verbunden sind, vorliegen. Das Funktionsprinzip ist ansonsten identisch. Parallel zum Wärmeaustauscher 10 der Frischwasserstation ist eine Bypassleitung 13 angeordnet, die auf der einen Seite mit einem Dreiwegeventil 12 endet. Zum Transferieren von Wärme vom unteren Speicherteil 3 in den oberen Speicherteil 2 wird das Dreiwegeventil 12 derart geschaltet, dass die Bypassleitung 13 anstelle des Wärmeaustauschers 10 durchströmt wird. Die Bypassleitung 13 aus dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 kann auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 eingesetzt werden. Ebenso kann die Bauform gemäß Figur 2 auch ohne Bypassleitung wie die Bauform gemäß Figur 1 betrieben werden. Patentansprüche: 1. Zweigeteilter Wärmespeicher (1) für Heiz- und / oder Brauchwasser, an den mindestens zwei Wärmequellen (7, 9) sowie ein Wärmeabnehmer (10) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicherteil (2) teilweise oder vollständig mit Latentspeichermaterialien gefüllt ist, dieser Speicherteil (2) von einem brennstoffbeheizten oder elektrischen Heizgerät (9) indirekt oder direkt beheizt wird, der andere Speicherteil (3), welcher mit Wasser befüllt ist, von einer Umweltwärmequelle, vorzugsweise einem Solarabsorber (7), beheizt wird und der Wärmeabnehmer (10) mit den beiden Speicherteilen (3, 2) seriell in einem Kreislauf geschaltet ist. 2. Wärmespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (1) eine Baueinheit bildet, bei dem der mit Latentspeichermaterialien gefüllte Speicherteil (2) oberhalb des anderen Speicherteils (3) angeordnet ist. 3. Wärmespeicher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (1) aus je einer Baueinheit für den mit Latentspeichermaterialien gefüllte Speicherteil (2) und einer Baueinheit für den anderen Speicherteil (3), welche über mindestens eine ein Wärmeträger führende Leitung (14) miteinander verbunden sind, besteht. 4. Wärmespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Latentspeichermaterialien gefüllte Speicherteil (2) mit einem paraffinhaltigen Medium, bestehend aus einem Fluid aus Wasser oder Wasserglykol mit mikroverkapseltem Paraffin gefüllt ist. 5. Wärmespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium des Wärmeverbrauchers (10) zunächst den nicht mit Latentspeichermaterialien gefüllten Speicherteil (3) und anschließend den mit Latentspeichermaterialien gefüllte Speicherteil (2) durchströmt. 6. Wärmespeicher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Latentspeichermaterialien gefüllte Speicherteil (2) eine Vorrichtung zum Volumenausgleich, vorzugsweise ein Ausdehnungsgefäß, aufweist.
2. 7. Verfahren zum Betreiben eines Wärmespeichers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beheizen des mit Latentspeichermaterialien gefüllten Speicherteils (2) bis zur Schmelztemperatur des Latentspeichermaterials oder wenig darüber stattfindet.
3. 8. Verfahren zum Betreiben eines Wärmespeichers (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Entladen des mit Latentspeichermaterialien gefüllten Speicherteils (2) bis zur Schmelztemperatur des Latentspeichermaterials oder wenig darunter 6 AT 502 828 B1 stattfindet und bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur wenige Kelvin unterhalb der Schmelztemperatur des Latentspeichermediums ein Beheizen des Beheizen des mit Latentspeichermaterialien gefüllten Speicherteils (2) stattfindet.
4. 9. Verfahren zum Betreiben eines Wärmespeichers (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sofern die Temperatur des nicht mit Latentspeichermaterialien gefüllten Speicherteils (3) größer der Temperatur des mit Latentspeichermaterialien gefüllten Speicherteils (2) ist, Wärme mittels eines die beiden Speicherteile (2, 3) durchströmenden Fluids übertragen wird. 10 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 15 20 25 30 35 40 45 50 55