Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wärmetechnik. Sie betrifft ein Heiz-/Kühlsystem gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Heiz-/Kühlsystem, welches mit einem elektrisch aufheizbaren Speicherkern aus Speckstein arbeitet, ist z.B. aus der Druckschrift DE-A1- 3 442 085 bekannt.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Heiz-/Kühlsystems. Stand der Technik
Natursteine wie Speckstein oder auch Granit, die sich bei guter Festigkeit durch eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmespeicherfähigkeit auszeichnen, werden seit langem zu heiztechnischen Zwecken wie z.B. in Kaminöfen oder dgl. verwendet, wobei die besonderen Abstrahlungs- und Speichereigenschaften des Natursteins ausgenutzt werden.
Insbesondere der Speckstein, der zu 40-50% aus Talk, zu 40-50% aus Magnesit und zu 5-8% aus Penninit besteht, hat Eigenschaften, die ihn wie kein anderes Material zum Ofenstein prädestinieren. Seine Wärmeleitfähigkeit ist mit 6,4 W/mK etwa 6-7-mal besser, das spezifische Gewicht ist mit 2980 kg/m<3> etwa doppelt so hoch und die spezifische Wärme ist mit 0,98 kJ/kg DEG C ca. 15% höher als die von Ofenziegelsteinen. Speckstein ist feuerbeständig und hitzefest. Auch bei hohen Temperaturen treten keine nachhaltigen Veränderungen auf.
Aus der US-A-4 598 192 ist es beispielsweise bekannt, bei einer Angel einen heizbaren Handgriff vorzusehen. Dazu wird eine im Handgriff eingebaute zylindrische Stange aus Speckstein (Steatit) mit zwei achsenparallelen Bohrungen versehen, in denen eine elektrische Heizspirale angeordnet ist. Eine gezielte Ausspeicherung der im Inneren des Specksteins gespeicherten Wärme ist dabei nicht möglich.
Aus der WO-93/23 969 ist eine Heizvorrichtung bekannt, bei der ein plattenförmiger Strahlungskörper aus Speckstein über ein auf einer Fläche angebrachtes, flächiges elektrisches Heizelement aufheizbar ist und über eine andere Fläche Strahlungswärme abgibt. Auch hier besteht keine Möglichkeit, Wärme aus dem Inneren der Specksteinplatte direkt auszuspeichern. Eine vergleichbare Heizvorrichtung ist auch aus der FR-A1-2 748 555 oder der DE-A1- 3 637 344 bekannt.
In der DE-C1-3 640 102 wird ein elektrisch beheizter Saunaofen beschrieben, bei dem in Hohlzylindern aus Speckstein jeweils eine elektrische Heizwendel angeordnet ist. Die eingespeicherte Wärme wird dabei nach oben an auf den Hohlzylindern liegende Steine abgegeben, die mit Wasser begossen werden. Auch in diesem Fall wird Wärme nur über die Oberfläche der Specksteinelemente abgegeben. Nichts Anderes gilt für die in der DE-A1-19 808 316 beschriebene, elek trisch beheizte Wärmekissen-Beheizungsvorrichtung, bei der die Kissen in eine von aussen beheizte Mulde mit Wänden aus Speckstein gelegt werden.
In der eingangs genannten Druckschrift DE-A1- 3 442 085 ist schliesslich ein elektrischer Wärmespeicherofen vorgeschlagen worden, der einen Speicherkern aus Specksteinstangen oder -platten aufweist. In die aneinanderstossenden Grenzflächen der Specksteinelemente sind Nuten eingefräst, die zusammen Aufnahmekanäle für elektrische Heizelemente bilden. Mit den elektrischen Heizelementen kann der Speicherkern auf hohe Temperaturen aufgeheizt werden, wobei der Speicherkern aufgrund der hohen Wärmekapazität des Specksteins eine hohe Wärmemenge aufnimmt. Zur Abgabe der Wärme an die Umgebung wird ein Gebläse verwendet, welches Luft aus der Umgebung ansaugt, am Speicherkern vorbei oder durch den Speicherkern hindurch drückt und an einem Auslass aufgewärmt ausbläst.
Die Kombination von elektrischer Aufheizung und Luftkühlung bzw. Wärmeentnahme mittels Gebläse bedingt einen komplizierten Aufbau des Ofens, bei dem nebeneinander Kanäle für die elektrischen Heizelemente und Schächte für die Führung der Gebläseluft vorgesehen werden müssen. Damit durch die Gebläseluft eine einigermassen wirksame Wärmeentnahme aus dem Inneren des Speicherkerns ermöglicht wird, müssen gemäss Fig. 4 der Druckschrift die einzelnen Specksteinplatten des Speicherkerns verschiebbar angeordnet werden, um wahlweise an verschiedenen Stellen des Speicherkerns Luftschächte für die Wärmeentnahme öffnen zu können (S. 18, letzter Absatz). Darüber hinaus kann die Gebläseluft wegen ihrer geringen Wärmekapazität nur vergleichsweise wenig Wärme transportieren.
Auch kann die in der Gebläseluft vorhandene Wärme nur schwer für andere Zwecke als die Heizung des direkt umgebenden Raumes eingesetzt werden. Schliesslich ist es aufgrund der elektrischen Heizung schwierig, den Speicherkern auch umgekehrt zur Speicherung von Kälte und damit für eine vollständige Raumklimatisierung einzusetzen. Darstellung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Heiz-/Kühlsystem zu schaffen, das unter Ausnutzung der Wärmeabstrahlungs- und Wärmespeichereigenschaften bestimmter Natursteinmaterialien bzw. Natursteine vielfältig einsetzbar ist, sich leicht an unterschiedliche Anwendungen anpassen lässt, flexibel zu betreiben ist, sich mit den unterschiedlichsten Heiz- und Kühlvorrichtungen kombinieren lässt, einfach aufgebaut ist und auch hinsichtlich des äusseren Erscheinungsbildes erhöhten ästhetischen Anforderungen genügt. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 18 gelöst.
Der Kern der Erfindung besteht darin, den Wärmeinhalt des Speicherkörpers aus Natursteinmaterial im Sinne einer Aufwärmung oder Abkühlung dadurch zu verändern, dass ein flüssiges Wärmeübertragungsmedium wie z.B. Wasser durch das Innere des Speicherkörpers geschickt wird. Hierdurch kann schnell und wirkungsvoll Wärme oder Kälte in den Speicherkörper eingespeichert oder wieder ausgespeichert werden, wobei das Einspeichern von Kälte dem Entzug von Wärme gleichzusetzen ist, und umgekehrt. Der Speicherkörper kann - wenn als Wärmeübertragungsmedium Wasser eingesetzt wird - auf einfache Weise mit üblichen Warmwasser-Heizungssystemen, Solarkollektoren oder dgl. verbunden werden. Ebenso kann auf einfache Weise die aus dem Speicherkörper ausgespeicherte Wärme bzw.
Kälte mittels des flüssigen Wärmeübertragungsmediums in Leitungen über grössere Entfernungen transportiert und an anderen Stellen zur Heizung bzw. Kühlung eingesetzt werden. Wegen der im Vergleich zu Gasen hohen Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des flüssigen Wärmeübertragungsmediums werden im Inneren des Speicherkörpers nur vergleichsweise geringe Kanalquerschnitte benötigt, so dass das aktive Speichervolumen des Speicherkörpers durch die Kanäle nur geringfügig verringert wird.
Eine erste bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Heiz-/Kühlsystems zeichnet sich dadurch aus, dass der wenigstens eine Speicherkörper aus Speckstein oder Granit besteht. Vor allem Speckstein lässt sich im Hinblick auf das Einbringen von Kanälen sehr gut und leicht bearbeiten und zeichnet sich durch besonders gute thermische Eigenschaften aus. Aber auch Granit hat ein hohes Wärmespeicherungsvermögen und lässt sich mit Vorteil dort einsetzen, wo harte, chemisch beständige und optisch ansprechende Oberflächen bevorzugt werden.
Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, den Speicherkörper aus gekörntem Natursteinmaterial unter Beimengung eines Bindematerials durch einen kombinierten Press- und Klebevorgang zu formen, wobei gleichzeitig die Kanäle bzw. in den Kanälen verlaufende Rohre mitgeformt oder eingepresst werden können. Hierzu zählt im Rahmen der Erfindung ausdrücklich auch Quarzsand, der mit einem Bindemittel zu einem Block geformt werden kann. Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung besteht jedoch der wenigstens eine Speicherkörper aus einem einstückigen Natursteinblock, in welchen der wenigstens eine Kanal durch Bohren, Fräsen oder dgl. eingebracht worden ist. Hierdurch können die vorteilhaften thermischen und auch mechanischen Eigenschaften des massiven Natursteins voll ausgenutzt werden.
Um dennoch beim Speicherkörper das Einbringen von längeren Bohrungen bzw. Kanälen zu vermeiden und bei grossen Speicherkörpern auch kleinere Natursteine verwenden zu können, ist es vorteilhaft, wenn gemäss einer anderen Ausgestaltung der wenigstens eine Speicherkörper aus mehreren Teilelementen zusammengesetzt ist, welche an entsprechenden Trennflächen aneinanderstossen, und wenn der wenigstens eine Kanal in einer der Trennflächen angeordnet ist. Der Kanal kann so auf einfache Weise durch zwei parallele Nuten gebildet werden, die in die gegenüberliegenden Oberflächen aneinandergrenzender Teilelemente eingearbeitet worden sind.
In der einfachsten Form des Systems ist es möglich, dass das Wärmeübertragungsmedium in direktem Kontakt mit dem Natursteinmaterial des Speicherkö r-pers durch den wenigstens einen Kanal strömt. Hierbei müssen allerdings besondere Vorkehrungen getroffen werden, um das System flüssigkeitsdicht zu gestalten und eine Beeinträchtigung der Kanalwände durch das fliessende Wärmeübertragungsmedium zu vermeiden. Dazu ist es denkbar, die Innenwände der Kanäle mit einem geeigneten widerstandfähigen Material auszukleiden, zu beschichten oder dgl.
Es wird deshalb eine Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, bei der das Wärmeübertragungsmedium durch ein Rohr strömt, welches in den wenigstens einen Kanal eingesetzt ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Rohr aus einem gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise Cu, besteht, und wenn das Rohr mit seiner Aussenfläche in engem thermischen Kontakt zum Natursteinmaterial des Speicherkörpers steht. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass das Rohr mittels einer Kleberschicht aus einem thermisch gut leitenden Kleber in den wenigstens einen Kanal eingeklebt ist. Ein solcher thermischer Leitkleber, der z.B. mit Metallpulver gefüllt ist, koppelt nicht nur das Rohr thermisch eng an die Kanalwand an, sondern gleicht auch aufgrund seiner Flexibilität gewisse Unterschiede in der thermischen Ausdehnung von Rohr und Speicherstein aus.
Ist das Volumen des Speicherkörpers ausreichend gross, ist es zur effektiven und schnellen Ein- und Ausspeicherung der Wärme/Kälte von Vorteil, wenn durch den Speicherkörper mehrere voneinander beabstandete Kanäle verlaufen, wobei insbesondere die Kanäle im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und von dem Wärmeübertragungsmedium in der gleichen Richtung oder in alternierend wechselnden Richtungen durchströmt werden.
Wenn das Ausspeichern von Wärme aus dem Speicherkörper über Konvektion an der Oberfläche erfolgt, ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Oberfläche des wenigstens einen Speicherkörpers Mittel, insbesondere in Form von Rippen, zur Verbesserung des Wärmeaustausches mit der Umgebung aufweist.
Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, das Wärmeübertragungsmedium mittels Schwerkraft durch den Speicherkörper zirkulieren zu lassen. Um jedoch eine schnellere, effektivere und besser regelbare Ein- und Ausspeicherung zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn das Wärmeübertragungsmedium mittels einer Pumpe durch den wenigstens einen Kanal gepumpt wird.
Soll die ausgespeicherte Wärme zu anderen als Raumheizungszwecken verwendet werden, ist es zweckmässig, wenn das Wärmeübertragungsmedium zur Abgabe von im Speicherkörper aufgenommener Wärme bzw. Kälte durch einen Wärmetauscher strömt, um dort die Wärme an ein anderes Medium abzugeben. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Wärme, die z.B. aus einem mit dem Speicherkörper in thermischem Kontakt stehenden Kamin-ofen, durch Sonneneinstrahlung oder dgl. aufgenommen worden ist, in ein herkömmliches Warmwasser-Heizungssystem eingespiesen werden soll.
Der Speicherkörper kann grundsätzlich als reines Speicherelement ohne weitere Funktion ausgebildet und in einem thermisch isolierten abgeschlossenen Raum untergebracht sein. Es ist aber auch denkbar, dass der Speicherkörper als Heizkörper oder als Boden- oder Wandplatte oder als Sitz- oder Fensterbank ausgebildet ist, und damit neben der Speicherfunktion weitere Funktionen übernimmt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Wärme bzw. Kälte mittels des durch den wenigstens einen Kanal strömenden Wärmeübertragungsmediums in den wenigstens einen Speicherkörper eingespeichert wird, und dass die eingespeicherte Wärme bzw. Kälte mittels des durchströmenden Wärmeübertragungsmediums wieder aus dem wenigstens einen Speicherkörper ausgespeichert wird. Auf einen Wärmeaustausch durch Strahlung und/oder Konvektion über die Oberflächen kann dabei verzichtet werden. Hierdurch lässt sich der Betrieb des Systems besonders gut steuern und regeln.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass Wärme bzw. Kälte mittels des durch den wenigstens einen Kanal strömenden Wärmeübertragungsmediums in den wenigstens einen Speicherkörper eingespeichert wird, und dass die eingespeicherte Wärme bzw. Kälte zumindest teilweise über die Oberfläche des wenigstens einen Speicherkörpers an die Umgebung abgegeben wird. In diesem Fall wird der Speicherkörper zugleich als Heizkörper eingesetzt.
Schliesslich ist es aber auch denkbar, dass Wärme bzw. Kälte durch die Oberfläche des wenigstens einen Speicherkörpers aus der Umgebung aufgenommen und eingespeichert wird, und dass die eingespeicherte Wärme bzw. Kälte zumindest teilweise mittels des durchströmenden Wärmeübertragungsmediums wieder aus dem wenigstens einen Speicherkörper ausgespeichert wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Speicherkörper als Ofenstein oder Solarkollektor eingesetzt wird.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Kurze Erläuterung der Figuren
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 ein stark vereinfachtes Anlagenschema eines Heiz-/Kühlsystems gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Betriebszustand, bei dem Wärme durch das Wärmeübertragungsmedium in den Speicherkörper eingespeichert und über die Oberfläche des Speicherkörpers nach aussen abgegeben wird; Fig. 2 das Anlagenschema aus Fig. 1 in einem Betriebszustand, bei dem Wärme über die Oberfläche des Speicherkörpers in den Speicher körper eingespeichert und durch das Wärmeübertragungsmedium ausgespeichert und nach aussen abgegeben wird;
Fig. 3 ein zu Fig. 1 und 2 vergleichbares Anlagenschema, bei dem der Speicherkörper direkt mit einer Wärmequelle (z.B. einem Ofen) in Kontakt steht und das Wärmeübertragungsmedium den Speicherkörper in wechselnden Richtungen in einer Rohrschlange durchströmt; Fig. 4 den ausschnittweisen Querschnitt durch einen beispielhaften einstückigen Speicherkörper mit eingeklebten Rohren entlang der Schnittebene IV-IV in Fig. 3; Fig. 5 in einem zu Fig. 4 vergleichbaren Querschnitt einen aus zwei Teilelementen zusammengesetzten Speicherkörper; Fig. 6 in einem zu Fig. 4 vergleichbaren Querschnitt einen Speicherkörper mit vergrösserter Oberfläche;
Fig. 7 in einem zu Fig. 4 vergleichbaren Querschnitt ein zwei separate Speicherkörper umfassendes System mit einem zwischen den Speicherkörpern gebildeten Strömungskanal; und Fig. 8 im Querschnitt eine Heizsystem nach der Erfindung mit einem als Wandheizkörper ausgebildeten Speicherkörper. Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist ein stark vereinfachtes Anlagenschema eines Heiz-/Kühlsystems gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das Heiz-/Kühlsystem 10 umfasst einen Speicherkörper 11 aus Naturstein, insbesondere Speckstein oder Granit, dessen Inneres in Längsrichtung von einer Mehrzahl von parallel verlaufenden Kanälen 18 durchzogen ist. Die Kanäle 18 sind nach Anzahl und Verteilung so konfiguriert, dass sich ein möglichst gleichmässiger und effizienter Wärmeaustausch zwischen einem durch die Kanäle fliessenden Wärme-übertragungsmedium und dem Volumen des Speicherkörpers 11 ergibt. In die Kanäle 18 sind vorzugsweise Cu-Rohre 22 mittels einer Kleberschicht 23 aus thermisch gut leitendem Kleber eingeklebt (Fig. 4). Durch die Rohre 22 strömt ein flüssiges Wärmeübertragungsmedium, insbesondere Wasser.
Die Rohre 22 in den Kanälen 18 sind an beiden Enden mittels einer Verzweigung 19 bzw. 20 an eine Zuleitung 13 und eine Ableitung 12 angeschlossen, durch welche in Richtung der eingezeichneten Pfeile das Wärmeübertragungsmedium zu- bzw. abgeführt wird. Selbstverständlich kann die Strömungsrichtung auch umgedreht werden. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 strömt das Wärmeübertragungsmedium in einem geschlossenen Kreislauf, wobei die Strömung durch eine in den Kreislauf eingeschaltete Pumpe erzeugt und aufrechterhalten wird. Es ist aber auch ein offener Kreislauf denkbar, der z.B. mit einem oder mehreren Speichern für das Wärmeübertragungsmedium in Verbindung steht. Das Wärmeübertragungsmedium wird im Kreislauf durch einen Wärmetauscher 15 gepumpt, in welchem es je nach Betriebsart des Systems Wärme aufnehmen oder abgeben kann.
Der Wärmeaustausch erfolgt mit einem anderen Medium, welches den Wärmetauscher 15, vorzugsweise im Gegenstrom, von der Zuleitung 16 zur Ableitung 17 durchströmt. Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, auf den Wärmetauscher 15 zu verzichten, und das Wärmeübertragungsmedium direkt durch eine Wärmequelle wie z.B. einem auf dem Dach befindlichen Solarkollektor oder den Heizkessel einer Öl-, Gas- oder Holzheizung, oder aber einen Wärmeverbraucher, zu schicken.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Betriebsart wird gemäss den am Speicherkörper 11 eingezeichneten Pfeilen Wärme über die Oberfläche durch Wärmestrahlung oder Konvektion an die Umgebung abgegeben. Der Speicherkörper 11 funktioniert hierbei als Heizkörper. Die abgegebene Wärme kann entweder als abgespeicherte Wärme dem Inneren des Speicherkörpers 11 entnommen werden, oder dem Speicherkörper 11 mittels des im Wärmetauscher 15 aufgeheizten Wärmeübertragungsmediums zugeführt werden. Im erstgenannten Fall kann die Pumpe 14 abgeschaltet sein.
Die eingespeicherte Wärme kann dabei entweder über das Wärmeübertragungsmedium vorher eingespeichert worden sein, oder aber durch Aufwärmen des Speicherkörpers 11 über seine äussere Oberfläche, z.B. durch Sonneneinstrahlung oder durch thermischen Kontakt mit einer anderen Wärmequelle wie z.B. einem fossil beheizten Ofen.
Eine andere Betriebsart ist in Fig. 2 wiedergegeben: Hier nimmt der Speicherkörper 11 über seine äussere Oberfläche von aussen Wärme auf (Pfeile). Die so eingespeicherte Wärme kann nun - wie in Fig. 1 dargestellt - auf demselben Weg wieder nach aussen abgegeben werden, oder sie wird mittels des durch den Speicherkörper 11 strömenden Wärme-übertragungsmediums ausgespeichert und über den Wärmetauscher oder auf andere Weise an anderer Stelle abgegeben.
Ein spezieller Fall der Wärmeaufnahme von aus-sen ist in Fig. 3 gezeigt: Der Speicherkörper 11 steht hier - z.B. als Ofenstein - mit seiner äusseren Oberfläche in direktem thermische Kontakt mit einer externen Wärmequelle 21, einem Kaminofen, einer Öl- oder Gasbrennkammer oder dgl. Die aus der Wärmequelle 21 kommende Wärme wird im Speicherkörper 11 eingespeichert und kann gleichzeitig oder zeitlich verzögert über die äussere Oberfläche nach aussen abgegeben werden (Pfeile). Ebenso kann die gespeicherte Wärme wiederum mittels des Wärme-übertragungsmediums entnommen und am Wärmetauscher 15 an einen anderen Wärmeverbraucher abgegeben werden.
Wenn sich - wie bei dem System gemäss Fig. 3 - im Speicherstein 11 ein Wärmegradient (von der Wärmequelle 21 zur gegenüberliegenden Oberfläche) ausbildet, ist es zweckmässig, das Wärmeübertragungsmedium sukzessive auf das höhere Temperaturniveau zu bringen, indem es in einer Rohrschlange in wechselnder Richtung den Speicherkörper 11 mehrfach durchströmt. Es ist aber auch denkbar, den Speicherkörper 11 direkt elektrisch aufzuheizen, indem entweder in bestimmte Kanäle 18 elektrische Widerstandheizungen bzw. Heizpatronen eingebaut werden oder die in den Ka nälen 18 angeordneten Rohre 22 durch elektromagnetische Wechselfelder von aussen oder innen induktiv aufgeheizt werden.
Es versteht sich von selbst, dass alle Erläuterungen, die bisher zur Heizfunktion gemacht worden sind, äquivalent auch auf die Kühlung übertragen werden können, wobei Wärmequellen und Wärmeverbraucher entsprechend durch Kältequellen und Kälteverbraucher zu ersetzen sind.
Der Speicherkörper 11 kann - wie in Fig. 4 dargestellt als einstückiger Naturstein ausgebildet sein, in den die Kanäle 18 mittels Bohren, Fräsen oder anderer materialabtragender Verfahren eingebracht werden. Bei Verwendung von Speckstein, der vergleichsweise weich und gut zu bearbeiten ist, ergeben sich in dieser Hinsicht wenig Probleme. Gleichwohl kann es vorteilhaft sein, den Speicherkörper 11 gemäss Fig. 5 aus mehreren Teilkörpern 11a und 11b zusammenzusetzen. In diesem Fall können die Kanäle 18 in der Trennfläche 24 der beiden Teilkörper 11a, b dadurch gebildet werden, dass in jeden der Teilkörper 11a, b eine entsprechende Nut mit halbkreisförmigem Querschnitt eingearbeitet (eingefräst) wird. Hierdurch wird auch das Einkleben der Rohre 22 erleichtert.
Insbesondere kann so eine Rohrschlange gemäss Fig. 3 in einem Stück vollständig in das Innere des Speicherkörpers 11 eingelassen werden. Weiterhin bietet das Zusammensetzen des Speicherkörpers 11 aus Teilkörpern 11a, b gemäss Fig. 5 die einfache Möglichkeit, in der Trennfläche 24 an den Rohren 22 thermisch gut leitende metallische Zusatzflächen 32 in Form von Metallblechen oder dgl. anzubringen, um die Wärme-übergangsfläche zwischen dem Wärmeübertragungsmedium in den Rohren 22 und dem Speicherkörper 11 zu vergrössern und ggf. eine direkte thermische Ankopplung der Rohre 22 an den Aussenraum zu bewirken.
Grundsätzlich kann die Ein- und Ausspeicherung von Wärme im Speicherkörper praktisch ohne Mitwirkung der Aussenflächen vollständig über das durchströmende Wärmeübertragungsmedium erfolgen. Spielen bei der Ein- und Ausspeicherung jedoch die Aussenflächen eine tragende Rolle, wie dies vor allem in Fig. 1 der Fall ist, kann es von Vorteil sein, die thermisch aktive Aussenfläche durch ge eignete Mittel zu vergrössern. Dies kann beispielsweise gemäss Fig. 6 dadurch geschehen, dass in die betreffende Aussenfläche Rippen 25 eingefräst werden, an denen bei konvektivem Wärmeübergang die Umgebungsluft entlangströmt.
Weiterhin ist es denkbar, innerhalb des Heiz-/Kühlsystems der Erfindung gemäss Fig. 7 mehrere separate, voneinander beabstandete Speicherkörper 11, 11' anzuordnen. Der Zwischenraum zwischen den Speicherkörpern 11, 11' kann dann z.B. als Strömungskanal 26 ausgebildet sein, durch den zum Wärmeaustausch über die Oberfläche Luft strömt.
Ebenso ist es denkbar, gemäss Fig. 8 in einem Heiz-/Kühlsystem 10' einen Speicherkörper 11'' als Wandheizkörper vor einer mit einer Isolierungsschicht 28 abgedeckten Wand 27 anzuordnen. Die Wärmeabgabe nach aussen erfolgt in diesem Fall je nach Temperaturniveau in unterschiedlichen Anteilen über Abstrahlung und Konvektion. Die konvektive Abgabe kann dabei durch eine spezielle Ausgestaltung und Ausrichtung der Aussenflächen des Speicherkörpers 11'' wie auch durch einen zusätzlichen Hinterströmungskanal 29 verbessert werden, der durch Zusatzelemente 30 und 31 in geeigneter Weise konfiguriert wird. Bezugszeichenliste
10, 10' Heiz-/Kühlsystem
11, 11', 11'' Speicherkörper (Naturstein)
11a, b Teilelement
12 Ableitung
13 Zuleitung
14 Pumpe
15 Wärmetauscher
16 Zuleitung
17 Ableitung
18 Kanal
19, 20 Verzweigung
21 Wärmequelle (z.B. Ofenkammer)
22 Rohr (z.B. aus Cu)
23 Kleberschicht
24 Trennfläche
25 Rippe
26 Strömungskanal
27 Wand
28 Isolierungsschicht
29 Hinterströmungskanal
30, 31 Zusatzelement
32 Zusatzfläche (z.B. Cu-Blech)
The present invention relates to the field of heat engineering. It relates to a heating / cooling system according to the preamble of claim 1. Such a heating / cooling system, which operates with an electrically heatable storage core of soapstone, is e.g. known from the publication DE-A1-3,402,085.
The invention further relates to a method for operating such a heating / cooling system. State of the art
Natural stones such as soapstone or granite, which are characterized by good strength by a comparatively high thermal conductivity and heat storage capacity, have long been used for heating purposes such. used in stoves or the like, taking advantage of the special radiation and storage properties of natural stone.
In particular, the soapstone, which consists of 40-50% talcum, 40-50% magnesite and 5-8% penninite, has properties that predestine it like no other material to Ofenstein. Its thermal conductivity is about 6-7 times better at 6.4 W / mK, the specific gravity is about twice as high at 2980 kg / m3 and the specific heat is about 0.98 kJ / kg DEG C approx. 15% higher than that of oven bricks. Soapstone is fire resistant and heat resistant. Even at high temperatures, no lasting changes occur.
For example, it is known from US-A-4 598 192 to provide a heatable handle on a fishing rod. For this purpose, a built-in handle cylindrical soapstone (steatite) is provided with two axis-parallel holes in which an electric heating coil is arranged. A targeted withdrawal of stored heat inside the soapstone is not possible.
From WO-93/23 969 a heating device is known in which a plate-shaped radiation body made of soapstone can be heated via a surface mounted on a flat electric heating element and emits radiant heat on another surface. Again, there is no way to heat directly from the inside of soapstone plate auszuspeichern. A comparable heating device is also known from FR-A1-2 748 555 or DE-A1-3 637 344.
In DE-C1-3 640 102, an electrically heated sauna heater is described in which in each case an electric heating coil is arranged in hollow cylinders of soapstone. The stored heat is released upwards on stones lying on the hollow cylinders, which are watered with water. Also in this case, heat is released only over the surface of the soapstone elements. Nothing else applies to the described in DE-A1-19 808 316, elec trically heated heat pad heater, in which the cushions are placed in an externally heated trough with walls of soapstone.
In the aforementioned publication DE-A1-3,402,085, finally, an electric heat storage furnace has been proposed, which has a memory core of soapstone bars or plates. In the abutting boundary surfaces of the soapstone elements grooves are milled, which together form receiving channels for electric heating elements. With the electric heating elements of the memory core can be heated to high temperatures, the memory core absorbs a high amount of heat due to the high heat capacity of the soapstone. To deliver the heat to the environment, a blower is used which sucks in air from the environment, past the memory core or through the memory core and blows out at an outlet warmed up.
The combination of electrical heating and air cooling or heat removal by means of a fan causes a complicated structure of the furnace, in which adjacent channels for the electric heating elements and shafts for the guidance of the forced air must be provided. 4, the individual soapstone plates of the memory core must be slidably arranged in order to be able to selectively open air ducts for heat removal at different points in the memory core (p. 18) , last paragraph). In addition, because of its low heat capacity, the forced air can only transport comparatively little heat.
Also, the heat present in the forced air can be difficult to use for purposes other than heating the directly surrounding space. Finally, it is difficult due to the electric heater, the memory core also vice versa for storing cold and thus for a complete room air conditioning. Presentation of the invention
It is therefore an object of the invention to provide a heating / cooling system, which is widely used by exploiting the heat radiation and heat storage properties of certain natural stone materials or natural stones, can be easily adapted to different applications, is flexible to operate, dealing with a variety of heating - And cooling devices combine, is simple and also meets with respect to the external appearance increased aesthetic requirements. It is a further object of the invention to provide a method for operating such a system.
The object is solved by the entirety of the features of claims 1 and 18.
The essence of the invention is to change the heat content of the storage body made of natural stone material in the sense of heating or cooling in that a liquid heat transfer medium such. Water is sent through the interior of the storage body. As a result, heat or cold can be quickly and effectively stored in the storage body or re-stored, the storage of cold is equivalent to the withdrawal of heat, and vice versa. The storage body can - if water is used as a heat transfer medium - be easily connected to conventional hot water heating systems, solar collectors or the like. Likewise, in a simple manner, the stored out of the storage body heat or
Refrigeration transported by means of the liquid heat transfer medium in lines over long distances and used at other points for heating or cooling. Because of the high heat capacity and thermal conductivity of the liquid heat transfer medium compared to gases, only comparatively small channel cross sections are required in the interior of the storage body, so that the active storage volume of the storage body is only slightly reduced by the channels.
A first preferred embodiment of the inventive heating / cooling system is characterized in that the at least one storage body consists of soapstone or granite. Soapstone in particular can be processed very well and easily with regard to the introduction of channels and is characterized by particularly good thermal properties. But also granite has a high heat storage capacity and can be used with advantage where hard, chemically resistant and visually appealing surfaces are preferred.
In principle, it is conceivable within the scope of the invention to form the storage body of granulated natural stone material with the addition of a binding material by a combined pressing and gluing process, wherein at the same time the channels or pipes extending in the channels can be co-formed or pressed. In the context of the invention, quartz sand, which can be formed into a block with a binder, is expressly included in this. According to another embodiment of the invention, however, the at least one storage body consists of a one-piece block of natural stone, in which the at least one channel has been introduced by drilling, milling or the like. As a result, the advantageous thermal and mechanical properties of solid natural stone can be fully exploited.
In order nevertheless to avoid the introduction of longer holes or channels in the storage body and to be able to use smaller natural stones for large storage bodies, it is advantageous if, according to another embodiment, the at least one storage body is composed of a plurality of sub-elements which abut on corresponding separation surfaces, and when the at least one channel is disposed in one of the parting surfaces. The channel can thus be formed in a simple manner by two parallel grooves, which have been incorporated into the opposite surfaces of adjacent sub-elements.
In the simplest form of the system, it is possible for the heat transfer medium to flow in direct contact with the natural stone material of the storage device through the at least one channel. In this case, however, special precautions must be taken to make the system liquid-tight and to avoid deterioration of the channel walls by the flowing heat transfer medium. For this purpose, it is conceivable to line the inner walls of the channels with a suitable resistant material, to coat or the like.
It is therefore preferred an embodiment of the invention in which the heat transfer medium flows through a tube which is inserted into the at least one channel. In particular, it is advantageous if the tube consists of a good heat-conducting material, preferably Cu, and if the tube is in close thermal contact with the natural stone material of the storage body with its outer surface. This is achieved, in particular, by gluing the tube into the at least one channel by means of an adhesive layer of a thermally highly conductive adhesive. Such a conductive thermal adhesive, e.g. is filled with metal powder, not only thermally coupled the pipe tightly to the channel wall, but also compensates due to its flexibility certain differences in the thermal expansion of the tube and storage stone.
If the volume of the storage body is sufficiently large, it is advantageous for the effective and rapid storage and withdrawal of the heating / cooling if a plurality of spaced-apart channels extend through the storage body, wherein in particular the channels run essentially parallel to one another and from the heat transfer medium in the be flowed through the same direction or in alternating alternating directions.
If the removal of heat from the storage body takes place via convection at the surface, it is furthermore advantageous if the surface of the at least one storage body has means, in particular in the form of ribs, for improving the heat exchange with the environment.
In principle, it is conceivable within the scope of the invention to circulate the heat transfer medium by gravity through the storage body. However, to enable a faster, more effective and more controllable injection and withdrawal, it is advantageous if the heat transfer medium is pumped by a pump through the at least one channel.
If the stored heat to be used for other than space heating purposes, it is expedient if the heat transfer medium for discharging absorbed in the storage body heat or cold flows through a heat exchanger to deliver there the heat to another medium. This is especially the case when heat, e.g. from a standing with the storage body in thermal contact fireplace stove, by sunlight or the like has been added, to be fed into a conventional hot water heating system.
The storage body can basically be designed as a pure storage element without any further function and be accommodated in a thermally insulated enclosed space. But it is also conceivable that the storage body is designed as a radiator or as a floor or wall plate or as a seat or windowsill, and thus takes over the memory function in addition to other functions.
A preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that heat or cold is stored by means of flowing through the at least one channel heat transfer medium in the at least one storage body, and that the stored heat or cold by means of the flowing heat transfer medium back from the at least a memory body is stored. On a heat exchange by radiation and / or convection over the surfaces can be omitted. This makes it possible to control and regulate the operation of the system particularly well.
Another preferred embodiment is characterized in that heat or cold is stored by means of the flowing through the at least one channel heat transfer medium in the at least one storage body, and that the stored heat or cold at least partially over the surface of the at least one storage body to the Environment is delivered. In this case, the storage body is also used as a radiator.
Finally, it is also conceivable that heat or cold is absorbed and stored by the surface of the at least one storage body from the environment, and that the stored heat or cold is at least partially expelled again by means of the flowing heat transfer medium from the at least one storage body. This is particularly the case when the storage body is used as a furnace brick or solar collector.
Further embodiments emerge from the dependent claims. Brief explanation of the figures
The invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings. 1 shows a greatly simplified system diagram of a heating / cooling system according to a preferred embodiment of the invention in an operating state in which heat is stored by the heat transfer medium in the storage body and discharged to the outside via the surface of the storage body; Fig. 2 shows the system diagram of Figure 1 in an operating state in which heat is stored on the surface of the storage body in the memory body and stored by the heat transfer medium and discharged to the outside.
Fig. 3 is a system diagram similar to Fig. 1 and 2, in which the storage body is in direct contact with a heat source (e.g., a furnace) and the heat transfer medium flows through the storage body in alternating directions in a coil; 4 is a fragmentary cross-section through an exemplary one-piece storage body with glued-in tubes along the section plane IV-IV in FIG. 3; FIG. 5 shows, in a cross section comparable to FIG. 4, a storage body composed of two partial elements; FIG. Fig. 6 in a comparable to Figure 4 cross-section a storage body with an enlarged surface.
FIG. 7 shows, in a cross section comparable to FIG. 4, a system comprising two separate storage bodies with a flow channel formed between the storage bodies; FIG. and FIG. 8 shows in cross-section a heating system according to the invention with a storage body designed as a wall heating element. Ways to carry out the invention
In Fig. 1 a greatly simplified system diagram of a heating / cooling system according to a preferred embodiment of the invention is shown. The heating / cooling system 10 comprises a storage body 11 made of natural stone, in particular soapstone or granite, whose interior is traversed in the longitudinal direction by a plurality of parallel channels 18. The channels 18 are configured in terms of number and distribution so that the most uniform and efficient heat exchange between a heat transfer medium flowing through the channels and the volume of the storage body 11 results. In the channels 18, preferably copper tubes 22 are glued by means of an adhesive layer 23 of good thermal conductivity adhesive (Fig. 4). Through the tubes 22 flows a liquid heat transfer medium, in particular water.
The tubes 22 in the channels 18 are connected at both ends by means of a branch 19 or 20 to a supply line 13 and a discharge line 12, through which the heat transfer medium in the direction of the arrows drawn on and is discharged. Of course, the flow direction can also be reversed. In the embodiment of Fig. 1, the heat transfer medium flows in a closed circuit, wherein the flow is generated and maintained by a pump connected in the circuit. However, it is also conceivable an open circuit, e.g. communicates with one or more storage devices for the heat transfer medium. The heat transfer medium is circulated through a heat exchanger 15 in which it can absorb or release heat depending on the operating mode of the system.
The heat exchange takes place with another medium which flows through the heat exchanger 15, preferably in countercurrent, from the supply line 16 to the discharge line 17. Of course, it is also conceivable to dispense with the heat exchanger 15, and the heat transfer medium directly by a heat source such. a solar collector on the roof or the boiler of an oil, gas or wood heating, or a heat consumer to send.
In the mode of operation illustrated in FIG. 1, according to the arrows drawn on the storage body 11, heat is released to the environment via heat radiation or convection via the surface. The storage body 11 here works as a radiator. The heat released can be taken either as stored heat to the interior of the storage body 11, or the storage body 11 are supplied by means of the heated heat exchanger 15 in the heat transfer medium. In the former case, the pump 14 may be turned off.
The stored heat may have been previously stored either via the heat transfer medium or by warming up the storage body 11 via its outer surface, e.g. by solar radiation or by thermal contact with another heat source, e.g. a fossil-heated stove.
Another mode is shown in Fig. 2: Here, the storage body 11 takes on its outer surface from the outside heat (arrows). The heat stored in this way can now - as shown in FIG. 1 - be released outwards again in the same way, or it is stored out by means of the heat transfer medium flowing through the storage body 11 and discharged elsewhere via the heat exchanger or in another way.
A special case of heat absorption from outside is shown in Fig. 3: the storage body 11 is here - e.g. as Ofenstein - with its outer surface in direct thermal contact with an external heat source 21, a stove, an oil or gas combustion chamber or the like. The heat coming from the heat source 21 heat is stored in the storage body 11 and may be delayed or delayed over the outer surface be discharged to the outside (arrows). Likewise, the stored heat can in turn be removed by means of the heat transfer medium and discharged at the heat exchanger 15 to another heat consumer.
If - as in the system according to FIG. 3 - a thermal gradient (from the heat source 21 to the opposite surface) forms in the storage brick 11, it is expedient to bring the heat transfer medium successively to the higher temperature level by moving it in a coil in an alternating direction flows through the storage body 11 several times. However, it is also conceivable to heat the storage body 11 directly by either 18 electrical resistance heaters or cartridges are installed in certain channels or in the Ka channels 18 arranged tubes 22 are heated by electromagnetic alternating fields from the outside or inside inductively.
It goes without saying that all explanations that have hitherto been made for the heating function can be equivalently also transferred to the cooling, wherein heat sources and heat consumers are to be replaced accordingly by cold sources and cold consumers.
The storage body 11 can - as shown in Fig. 4 are formed as one-piece natural stone, in which the channels 18 are introduced by means of drilling, milling or other material removal processes. When using soapstone, which is relatively soft and easy to work, there are few problems in this regard. Nevertheless, it may be advantageous to assemble the storage body 11 according to FIG. 5 from a plurality of partial bodies 11a and 11b. In this case, the channels 18 in the parting surface 24 of the two part bodies 11a, b can be formed by incorporating (milled in) into each of the part bodies 11a, b a corresponding groove with a semicircular cross section. As a result, the bonding of the tubes 22 is facilitated.
In particular, such a tube coil according to FIG. 3 can be completely inserted into the interior of the storage body 11 in one piece. Furthermore, the assembling of the storage body 11 from part bodies 11a, b according to FIG. 5 offers the simple possibility of applying in the parting surface 24 to the tubes 22 thermally highly conductive metallic additional surfaces 32 in the form of metal sheets or the like in order to form the heat transfer surface between the To increase heat transfer medium in the tubes 22 and the storage body 11 and possibly to effect a direct thermal coupling of the tubes 22 to the outside space.
In principle, the storage and removal of heat in the storage body can take place virtually completely without the involvement of the outer surfaces via the heat transfer medium flowing through. Play in the storage and withdrawal but the outer surfaces a supporting role, as is the case especially in Fig. 1, it may be advantageous to increase the thermally active outer surface by ge suitable means. This can happen, for example, according to FIG. 6, in that ribs 25 are milled into the outer surface in question, along which the ambient air flows along in the case of convective heat transfer.
Furthermore, it is conceivable within the heating / cooling system of the invention according to FIG. 7, a plurality of separate, spaced-apart storage body 11, 11 'to order. The gap between the storage bodies 11, 11 'can then be e.g. be formed as a flow channel 26 through which air flows through the surface for heat exchange.
Likewise, it is conceivable, according to FIG. 8, to arrange a storage body 11 "in a heating / cooling system 10 'as a wall heating element in front of a wall 27 covered with an insulating layer 28. Depending on the temperature level, heat emission to the outside takes place in different proportions via radiation and convection. The convective discharge can be improved by a special design and orientation of the outer surfaces of the storage body 11 '' as well as by an additional Hinterströmungskanal 29, which is configured by additional elements 30 and 31 in a suitable manner. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10, 10 'heating / cooling system
11, 11 ', 11' 'storage body (natural stone)
11a, b subelement
12 derivative
13 supply line
14 pump
15 heat exchangers
16 supply line
17 derivation
18 channel
19, 20 branching
21 heat source (e.g., oven chamber)
22 pipe (e.g., Cu)
23 adhesive layer
24 separating surface
25 rib
26 flow channel
27 wall
28 insulation layer
29 Hinterströmungskanal
30, 31 additional element
32 additional surface (e.g., Cu sheet)