DE10108152A1 - Latentwärmespeicher - Google Patents

Abstract

Latentwärmespeicher (100) mit einem ersten Speicherbehälter (1), der mit einem Latentspeichermedium und vorzugsweise einem Trägermittel gefüllt ist, und mit einem zweiten Speicherbehälter (2), der mit einem Sekundärmedium gefüllt ist, wobei in dem ersten Speicherbehälter zum Erwärmen oder Abkühlen des Latenspeichermediums ein Wärmetauscher (5) angeordnet ist, der erste Speicherbehälter innerhalb des zweiten, äußeren Speicherbehälters angeordnet ist und die Außenseite des inneren Speicherbehälters in Verbindung mit dem Sekundärmedium steht. Hierdurch ist es möglich, eine Optimierung der Speicherkapazität und eine Verringerung der Trägheit des Latentwärmespeichers bei einfachem Aufbau zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher der dem Anspruch 1 und ein Verfahren der dem Anspruch 17 entsprechenden Art.

Bei den in Rede stehenden Latentwärmespeichern handelt es sich um Wär­ mespeicher, bei denen Stoffe (Latentspeichermedien) bei der Änderung ihres Aggregatzustandes Energie in Form von Wärme speichern bzw. abgeben.

Insbesondere wird dabei von der Fest-Flüssig-Umwandlung Gebrauch ge­ macht. Die auftretende Schmelz- oder Erstarrungswärme wird als latente (verborgene) Wärme bezeichnet.

Es ist bekannt, daß durch Einsatz von Wärmespeichern mit Latentspeicher­ medien, wie Salzhydrate oder Paraffine, eine bis zu fünffach höhere Wärme­ speicherkapazität gegenüber mit Wasser betriebenen Wärmespeichern er­ reichbar ist.

Gewöhnlich werden solche Latentwärmespeicher mittels aus Solaranlagen stammender Wärme gespeist, was den Vorteil einer direkten Nutzung der gewonnenen Wärme besitzt und aus ökologischen Gründen sinnvoll ist.

Ein derartiger Latentwärmespeicher ist beispielsweise in der DE 199 53 113 C3 offenbart. Dieser Latentwärmespeicher besitzt einen Speicherbehälter, der mit einem Salzhydrat als Latentspeichermedium befüllt ist, in dem ein Wärmetauscher zum Erwärmen oder Abkühlen eines Sekundärmediums an­ geordnet ist. Der Wärmetauscher weist dabei mehrere durch Zwischenräume voneinander beabstandete Wärmeleitplatten auf, die mit dem Sekundärme­ dium in thermischen Kontakt stehen.

Nachteilhaft ist bei den gewöhnlichen Latentwärmespeichern, daß diese auf Grund ihrer Bauweise nur einen Teil der möglichen Leistung erbringen, da das Salzhydrat nicht gleichmäßig und schnell zum Schmelzen bzw. Erstarren gebracht werden kann, so daß die bekannten Anlagen eine große Trägheit bei der Abgabe und der Aufnahme von Wärme aufweisen. Sie sind nicht in der Lage bei großem Anfall von Wärme, welche beispielsweise durch So­ laranlagen bei Sonnenschein bereitgestellt wird, diese schnell aufzunehmen. So geht ein Teil der vorhandenen Wärme verloren.

Jahreszeitlich bedingt wird bei durch Solaranlagen betriebenen Wärmespei­ chern eine zusätzliche Heizquelle benötigt, wenn die Sonneneinstrahlung zur Erhaltung der notwendigen Temperatur des Latentspeichermediums nicht mehr ausreicht. Wenn dazu elektrischer Strom verwendet wird, sollte dies günstigerweise zu Zeiten erfolgen, in denen der Stromtarif niedrig ist, d. h. hauptsächlich nachts. Die bisher bekannten Anlagen können dies wegen der Trägheit nur bedingt leisten, zumal ein Teil der Energie durch die Trägheit verloren geht.

Andererseits können die Anlagen in umgekehrter Weise die gespeicherte Wärme bei einer Spitzenbelastung, wie sie beispielsweise beim Duschen oder Befüllen von Badewannen auftritt, nicht schnell genug an das Wasser bzw. Sekundärmedium abgeben. Dadurch wird das Wasser nicht gleichmä­ ßig stark erwärmt und es kommt zu ungewünschten Temperaturschwankun­ gen beim Verbraucher.

Teilweise können diese Problem durch den bekannten Einsatz eines Wär­ meträgermittels, wie insbesondere Öl, reduziert werden. Das Öl wird durch das Latentspeichermedium hindurch gepumpt und nimmt dabei die vorhan­ dene Wärme auf bzw. verteilt diese gleichmäßiger. Problematisch ist hierbei jedoch, daß durch die thermische Ausdehnung des Öls und/oder Aggregats bedingten Ausdehnung des Latentspeichermediums in den herkömmlichen Wärmespeichern Platzreserven vorhanden sein müssen. Eine solche Volu­ menänderung kann bis zu ca. 12% betragen. Dadurch wird auf das Volumen bezogen eine ungünstige Leistung erreicht. Zusätzlich sind durch die Volu­ menänderung bedingt Atmungsleitungen zum Druckausgleich nötig, welche mit der freien Atmosphäre in Verbindung stehen. Durch die "offene" Bauwei­ se, welche z. B. aus der Zeitschrift "SI Informationen, Sanitär Heizung Kli­ ma", Juli 1996, Seiten 19-21 bekannt ist, kann es zum Eindringen von Was­ ser kommen, was zum einen Korrosion und zum anderen eine Veränderung der Eigenschaften (z. B. Schmelzpunkterniedrigung durch Verunreinigung) des Latentspeichermediums durch Wassereinlagerung bewirkt. Ferner sind bei den gewöhnlichen Anlagen Pumpen zur Umwälzung des Öls nötig, wel­ ches den Aufbau aufwendig gestaltet und den Einsatz elektrischer Energie zum Betrieb der Pumpen nötig macht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Optimierung der Speicherkapazität und eine Verringerung der Trägheit eines Latentwärmespeichers bei einfa­ chem Aufbau zu erreichen.

Diese Aufgabe wird in ihrem apparativen Aspekt durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.

Dadurch, daß der Latentwärmespeicher einen ersten Speicherbehälter, der mit einem Latentspeichermedium und einem Warmeträgermittel gefüllt ist, und einen zweiten Speicherbehälter, der mit einem Sekundärmedium gefüllt ist, umfaßt, wobei in dem ersten Speicherbehälter zum Erwärmen oder Ab­ kühlen des Latentspeichermediums ein Wärmetauscher angeordnet ist, der erste Speicherbehälter innerhalb des zweiten, äußeren Speicherbehälters angeordnet ist und die Außenseite des inneren Speicherbehälters in Verbin­ dung mit dem Sekundärmedium steht, ist es möglich, eine weitgehende Lastverlagerung auf das Sekundärmedium und damit eine vollständige oder zumindest bessere Ausnutzung der Wärmeenergie, insbesondere Solarener­ gie zu erreichen.

Dieses wird nämlich über die Außenseite des inneren Speicherbehälters er­ wärmt und steht dann dem Verbraucher zur Verfügung. Aufgrund des großen Volumens des Sekundärmediums steht daher immer ausreichend warmes Sekundärmedium bereit. Durch die große Oberfläche der Außenseite des in­ neren Speicherbehälters wird das Sekundärmedium schnell erwärmt und steigt aufgrund seiner geringen Dichte zur Entnahme nach oben. Auch wird das Problem der Trägheit des Latentspeichermediums gelöst, da die Erwär­ mung (oder Abkühlung) des Sekundärmediums rasch von statten geht, so daß dieses zur Bedienung des Verbrauchers ohne Temperaturschwankun­ gen eingesetzt werden kann. Bei dem Sekundärmedium kann es sich bei­ spielsweise um Wasser handeln.

Günstig ist es, wenn der in dem inneren Speicherbehälter angeordnete Wärmetauscher von einem Sekundärmedium durchströmt wird. Dann können zwei getrennte Kreisläufe zum Betrieb des Latentwärmespeichers eingesetzt werden: Ein erster Kreislauf zum Aufheizen des Latentspeichermediums und ein zweiter Kreislauf zur Versorgung der Verbraucher. Auch eine Verbindung der Kreisläufe zur besseren Wärmeausnutzung ist denkbar. Dann durch­ strömt das Sekundärmedium zunächst den Wärmetauscher zur Erwärmung des Latentspeichermediums und anschließend gelangt es zum Verbrauch in den zweiten, äußeren Speicherbehälter.

Vorteilhafterweise ist der in dem inneren Speicherbehälter angeordnete Wärmetauscher ein Röhrenwärmetauscher und umfaßt dabei günstigerweise mindestens eine etwa senkrecht angeordnete Röhre. Auch eine separate Anordnung der Röhren ist vorteilhaft. So wird durch die großen Flächen ein besonders schnelles und vollständiges Schmelzen des Latentspeichermedi­ ums erreicht, ohne daß sogenannte "tote" Ecken vorhanden sind. Dies wird durch die Wand des inneren Speicherbehälter unterstützt, welche die Wärme sofort an das Sekundärmedium weitergibt.

Ebenfalls ist eine spulenförmige Anordnung der Röhren denkbar. Eine noch größere Oberfläche und somit bessere Wärmeabgabe an das Latentspei­ chermedium wird erreicht, wenn die Röhren mit Wärmeleitplatten versehen sind.

Wenn eine Wärmezufuhr und/oder Wärmeentnahme über das Sekundärme­ dium in dem zweiten, äußeren Speicherbehälter erfolgt, kann bei Jahreszeit­ lich bedingter Temperaturabfall der Solaranlage im Bedarfsfall eine Nachhei­ zung durchgeführt werden. Die Wärme steht dann sofort zur Verfügung und es ist eine kurze Aufheizdauer ausreichend. Vorteilhafterweise ist dazu das in dem zweiten, äußeren Speicherbehälter vorhandene Sekundärmedium durch geeignete Mittel erwärmbar, wobei diese günstigerweise einen von dem Sekundärmedium umflossenen Heizstab, der vorzugsweise elektrisch betrieben wird, umfassen, wobei der Heizstab entweder innerhalb oder au­ ßerhalb des zweiten Speicherbehälters angeordnet ist. Hierdurch wird eine Nutzung der Zeiten des niedrigen Stromtarifs ermöglicht. Falls die Heizquelle außerhalb des Speichers angeordnet ist, kann sie zur Umwälzung eine Pum­ pe beinhalten und zur Wartung bzw. Entkalkung muß der Speicher nicht entleert werden. Ein Betrieb der Mittel über eine Wärmepumpe oder über in einer Batterie zwischengespeicherter elektrischer Energie aus Solarzellen ist ebenfalls denkbar.

Wenn außerhalb des Latentwärmespeichers ein mit dem inneren Speicher­ behälter kommunizierender Ausgleichsbehälter angeordnet ist, kann auf eine Atmungsleitung ins Freie verzichtet werden, so daß trotz einer Volumenände­ rung des Latentspeichermediums und/oder des Wärmeträgeröls keine Feuch­ tigkeit in das System eindringt. Somit ist der Einsatz einfacher Werkstoffe möglich. Zudem behält das Latentspeichermedium seine Eigenschaften bei. Ferner wird eine vollständige Raumausnutzung des Speichers erreicht, da selbst bei vollständiger Kristallisation des Latentspeichermediums der obere Teil des Speichers mit Wärmeträgermittel gefüllt bleibt und bei Wärmeeintritt aufgeladen wird. Es muß kein Ausdehnungsraum innerhalb des Speichers vorgesehen sein, so daß die Kapazität des Speichers bei gleicher Ge­ samtstellgröße steigt.

Der Ladezustand bzw. Sättigungsgrad des Speichers ist über den Füllstand des Wärmeträgermittels, welches bei einer Volumenänderung verdrängt wird, bestimmbar, so daß eine Füllstandsanzeige für den inneren Speicherbehälter vorgesehen ist. Diese ist vorzugsweise an dem Ausgleichsbehälter angeord­ net.

Da der Füllstand mit dem Ladezustand des Speichers korreliert, kann über die Füllstandsanzeige eine Wärmezufuhr in den inneren Speicherbehälter geregelt werden. Dies ist beispielsweise einfach mittels eines Druckmessers oder eines Füllstandmessers, wie einem Schwimmer, durchführbar.

Günstig ist es, wenn ein von dem Sekundärmedium (beispielsweise Wasser) aus dem zweiten, äußeren Speicherbehälter durchflossener externer Wär­ metauscher vorgesehen ist. Dann kann das Sekundärmedium selber zu Heizzwecken und der zweite Wärmetauscher zur Brauchwasserheizung wie Warmwasseraufbereitung genutzt werden. Somit wird eine Entkopplung der Heizung von der Warmwasseraufbereitung möglich. Dies ist aufgrund der relativen Temperaturkonstanz des Vor- und Rücklaufs einer Heizung von Vorteil.

Wenn für die Sekundärmedien Druckausgleichsmittel vorgesehen sind, die vorzugsweise als Druckausgleichsbehälter ausgebildet sind, ist die Wär­ meausdehnung der Sekundärmittel im geschlossenen Kreislauf möglich. Um große Kapazitäten z. B. für größere Wohneinheiten bereitzustellen, kön­ nen mehrere Latentwärmespeicher zu einer Speicherbatterie verbunden sein und dabei die Sekundärmedien den ersten Wärmetauscher und/oder den zweiten Speicherbehälter in Reihe und/oder parallel durchfließen, wodurch sich eine besonders gute Nutzung der Wärmeenergie ergibt.

In Ihrem verfahrensmäßigen Aspekt wird die Aufgabe durch das in Anspruch 17 wiedergegebene Verfahren gelöst.

Da, das Verfahren zur latenten Wärmespeicherung und Abgabe, bei dem ein Sekundärmedium von einem Latentwärmespeicher erwärmt oder abgekühlt wird, der aus einem ersten Speicherbehälter, der mit einem Latentspeicher­ medium und einem Wärmeträgermittel gefüllt ist, und aus einem zweiten Speicherbehälter, der mit dem Sekundärmedium gefüllt ist, besteht, wobei ein in dem ersten Speicherbehälter angeordneter Wärmetauscher das La­ tentspeichermedium erwärmt oder abkühlt, der erste Speicherbehälter inner­ halb des zweiten, äußeren Speicherbehälters angeordnet ist, so daß der Wärmetransfer zwischen dem Latentspeichermedium und dem Sekundär­ medium über die Außenseite des inneren Speicherbehälters erfolgt, umfaßt, kann - wie oben schon erwähnt - ein weitgehender Ausgleich der Trägheit des Latentspeichermediums durch die Lastverlagerung auf das Sekundär­ medium und damit eine vollständige oder zumindest bessere Ausnutzung der Wärmeenergie, insbesondere Solarenergie erreicht werden, da die Erwär­ mung (oder Abkühlung) des Sekundärmediums schneller durchgeführt wird, so daß dieses zur Bedienung des Verbrauchers ohne Temperaturschwan­ kungen eingesetzt werden kann. Der Wärmeaustausch zwischen dem La­ tentspeichermedium im inneren Speicherbehälter und dem Sekundärmedium erfolgt dabei ständig über die Wandung des inneren Speicherbehälters, die im Kontakt mit dem Sekundärmedium steht.

Wenn die Wärmezufuhr und/oder Entnahme durch ein geeignetes Heizmittel bzw. einen Verbraucher über das Sekundärmedium erfolgt, ist es auf einfa­ che Weise im Bedarfsfall möglich, wie z. B. im Winter, wenn die Heizleistung durch Nachlassen der regenerativen Energien zum Speisen des Latentwär­ mespeichers abfällt, den Speicher durch konventionelle Energiequellen nachzuheizen. Das Sekundärmedium nimmt dabei die eingebrachte Wärme schnell auf und gibt sie dann an das Latentspeichermedium ab, welches sel­ ber durch seine Trägheit die Wärme nur langsam aufnimmt und speichert. Somit steht das Sekundärmedium sofort mit der gewünschten Temperatur zum Verbrauch zur Verfügung und gleichzeitig wird der Speicher gespeist, so daß eine optimale Ausnutzung der zugeführten Wärme jederzeit gewährlei­ stet ist.

Günstigerweise kann das Wärmeträgermittel sich in einen mit dem inneren Speicherbehälter kommunizierenden Ausgleichsbehälter ausdehnen, so daß das gesamte Volumen des Speichers trotz der auftretenden Volumenände­ rungen des Latentspeichermediums und des Wärmeträgermittels zur Wär­ mespeicherung genutzt werden kann. Ferner kann eine Anlage geschlossen betrieben werden, wodurch Umwelteinflüsse, insbesondere Wasser deren Betrieb nicht nachteilig beeinflussen.

Vorzugsweise dient eine Füllstandsanzeige zur Bestimmung des Sättigungs­ grads des Latentwärmespeichers, die meist in dem Ausgleichsbehälter an­ geordnet ist. Somit wird neben den oben erwähnten Vorteilen erreicht, daß die Speicherkapazität jederzeit bekannt ist. Dies ist wichtig, da das Nachhei­ zen mit elektrischem Strom oder sonstigen Wärmequellen, wie einem Holz­ kohleofen, nicht zur vollständigen Ausschöpfung der Kapazität des Speichers führen darf, weil sonst nicht genügend Kapazität für den Solaranlagenbetrieb vorhanden wäre und diese ungenutzt bliebe, was aus energetischen und ökologischen Gründen ungewünscht ist.

In diesem Zusammenhang ist es daher von Vorteil, wenn eine Regelung der Wärmezufuhr und/oder der Entnahme in bzw. aus dem inneren Speicherbe­ hälter über die Füllstandsanzeige erfolgt. Dann erfolgt die Regelung der Wärmezufuhr direkt über den Sättigungsgrad der Anlage. Dies ist somit in einfacher Weise z. B. durch einen Schwimmer, der bei einer bestimmten Schwimmhöhe einen Schalter betätigt, der die "externe" Wärmezufuhr ab­ schaltet, möglich. Dieses Verfahren kann auch zur Begrenzung der maximal möglichen Auf- bzw. Entladung des Speichers dienen. Der Speicher darf nämlich in Abhängigkeit von dem verwendeten Latentspeichermedium ge­ wisse Temperaturen nicht über- bzw. unterschreiten, da es sonst zu Beschä­ digungen des Latentspeichermediums kommt.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungs­ gemäßen Latentwärmespeichers mit externer Verschaltung;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines Fig. 1 entsprechenden Latent­ wärmespeichers mit davon abweichender externer Verschaltung und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Speicherbatterie unter Einsatz mehrerer erfindungsgemäßer Latentwärmespeicher.

Fig. 1 zeigt einen als Ganzes mit 100 bezeichneten Latentwärmespeicher. Der Latentwärmespeicher besteht aus einem inneren Speicherbehälter 1, der mit einem nicht dargestellten Latentspeichermedium und einem ebenfalls nicht dargestellten Wärmeträgermittel befüllt ist.

Eine ideale Schmelztemperatur bietet das vorzugsweise eingesetzte Latent­ speichermedium Natriumacetat. Es schmilzt bei 58,5°C und kühlt sich bei­ spielsweise von 63,5°C auf 48,5°C beim Übergang vom flüssigen in den fe­ sten Zustand ab, wobei der nutzbare Wärmeinhalt ca. 100 kWh/m³ beträgt.

Dabei liegt der Anteil latenter Wärme bei ca. 75%. Wasser speichert zum Vergleich eine Wärmemenge von nur 17,4 kWh/m³, da es in diesem Tempe­ raturbereich seinen Aggregatzustand nicht ändert. Somit wird eine bis zu ca. fünffach höhere Kapazität erreicht. Bai dem Wärmeträgermittel handelt es sich beispielsweise um Weißöl, welches das Latentspeichermedium durch­ setzt, und somit für einen fast hundertprozentigen Wärmeaustausch zwi­ schen den beiden Stoffen sorgt und die Wärmeaufnahme bzw. -abgabe be­ schleunigt.

Der innere Speicherbehälter 1 ist von einem äußeren Speicherbehälter 2, in dem sich Sekundärmedium, wie beispielsweise Wasser befindet, vollkom­ men umgeben. Das heißt, daß der innere Speicherbehälter 1 frei in dem äu­ ßeren Speicherbehälter 2 hängt und nur mit diesem im oberen Bereich über die jeweiligen Randzonen verbunden ist. Der äußere Speicherbehälter 2 stellt gleichzeitig auch das Gehäuse des Latentwärmespeichers dar. Nicht dargestellt in Fig. 1, jedoch normalerweise vorhanden, ist eine den Latent­ wärmespeicher 100 umgebende Isolierhülle zur besseren Wärmedämmung.

Der Latentwärmespeicher 100, sowie dessen innerer und äußerer Speicher­ behälter besitzen eine im wesentlichen zylindrische Gestalt, die sowohl oben als auch unten abgerundet ist. Zum Aufstellen des Gerätes besitzt es an dem Boden angeschweißte Standfüße 3, 3', 3", die in etwa im Kreisumfang gleichmäßig beabstandet angebracht sind. An seiner Oberseite besitzt der Latentwärmespeicher 100 einen angeflanschten Deckel 4, der mit mehreren Durchbrüchen für noch zu beschreibende Anschlüsse versehen ist.

Etwa mittig in dem inneren Speicherbehälter 1 ist ein von oben nach unten in diesen hineinragender Wärmetauscher 5 angeordnet. Der Wärmetauscher besteht aus dem eigentlichen Wärmetauscherrohr 12, welches sich - von oben nach unten gesehen - zunächst etwa senkrecht durch den Gehäuse­ deckel 4 erstreckt, um sich dann etwa spulenförmig nach unten zu winden. Anschließend, d. h. nach der letzten Windung erstreckt sich das Wärmetau­ scherrohr 12 senkrecht nach oben etwa parallel zum ersten etwa senkrech­ ten Bereich durch den Deckel 4. Der Wärmetauscher 5 wird von einem weite­ ren Sekundärmedium durchflossen, welches durch die Leitung 9 im Sinne des Pfeiles in den Wärmetauscher hineinfließt und nach Durchströmen des spulenförmigen Bereiches den Wärmetauscher über die Leitung 10 verläßt. Zur Kontrolle der Temperatur des austretenden Sekundärmediums ist an der Leitung 10 ein Thermometer 11 angebracht. Bei dem Sekundärmedium, wel­ ches den Wärmetauscher 5 durchfließt, kann es sich ebenfalls um Wasser handeln.

Das beispielsweise durch regenerative Energien aufgeheizte Sekundärmedi­ um fließt also durch die Leitung 9 in den Wärmetauscher 5 hinein und gibt im Bereich dessen spulenförmigen Abschnitts seine Wärme an das Latentspei­ chermedium bzw. an das Weißöl ab und verläßt anschließend den Wärme­ tauscher über die Leitung 10. Die von dem Latentspeichermittel aufgenom­ mene Wärme wird von dem Bereich des Wärmetauschers 5 radial nach au­ ßen geleitet und gelangt über die Wandung des Speicherbehälters 1 zu dem im äußeren Speicherbehälter 2 gelagerten Sekundärmedium und gibt dort seine Wärme ab. Das Sekundärmedium des äußeren Speicherbehälters 2 wird also nur indirekt aufgeheizt.

Zur Versorgung des äußeren Speicherbehälters 2 mit Kaltwasser ist in sei­ nem unteren Bereich eine entsprechende Leitung 7 für die Kaltwasserzufuhr vorhanden. Das kalte Wasser tritt im Sinne des Pfeiles unten in den Wärme­ speicher ein und wird in dem äußeren Speicherbehälter 2 über die Außen­ wandung des Speicherbehälters 1 von dem Latentspeichermittel erwärmt. Aufgrund seiner sich dabei verändernden Dichte steigt das warme Wasser nach oben und kann dort an einem oberen Anschluß den Wärmespeicher 100 über die Leitung 6 verlassen. Die Leitung 6 ist mit einem Ventil 13 zur Flußregelung versehen. Das in der Leitung 6 sich befindende, erwärmte Wasser bzw. Sekundärmedium kann nun für die Versorgung von verschie­ denen Verbrauchern eingesetzt werden. Dazu kommen vor allem Heizungen in Betracht. Dann läuft das Heizungswasser nach dem Durchströmen der Heizung über die Leitung 7 wieder in den äußeren Speicherbehälter zurück.

Dies ist energetisch besonders günstig, da sich bekanntermaßen die Tem­ peraturen des Heizungsvorlaufs und -rücklaufs nur wenig unterscheiden.

Denkbar ist jedoch auch eine anderweitige Nutzung des erwärmten Wassers.

In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel wird heißeres Brauchwasser - wie es zum Beispiel zum Baden benötigt wird - mittels eines externen Wärmetau­ schers 50 erzeugt. Dieser ist über eine Zuleitung 51, welche von dem oberen Teil des äußeren Speicherbehälters 2 in den Wärmetauscher 50 führt, und mit einer entsprechenden Rückleitung 52, die das im Wärmetauscher 50 ab­ gekühlte Sekundärmedium wieder in den unteren Bereich des äußeren Spei­ cherbehälters 2 des Latentwärmespeichers 100 zurückführt, verbunden. Der Wärmetauscher 50 arbeitet nach dem Gegenstromprinzip, wozu in seinem unteren Bereich über eine Leitung 53 Kaltwasser zugeführt wird, welches dann im Wärmetauscher 50 auf seinem Weg nach oben von dem Sekundär­ medium aus dem Latentwärmespeicher erwärmt wird und den Wärmetau­ scher 50 über die Warmwasserleitung 54 verläßt. Das sich dabei abkühlende Sekundärmedium aus dem äußeren Speicherbehälter 2 fließt durch die Lei­ tung 52 in diesen zurück, so daß durch den Dichteunterschied im Bedarfsfall auf eine gesonderte Pumpe zum Betrieb des Wärmetauschers 50 verzichtet werden kann. Das in den äußeren Speicherbehälter 2 zurückfließende Se­ kundärmedium wird ähnlich wie das über die Versorgungsleitung 7 eintreten­ de kältere Sekundärmedium auf seinem Weg in den oberen Bereich des äu­ ßeren Speicherbehälters 2 wieder, wie oben schon beschrieben, über den inneren Speicherbehälter 1 erwärmt.

Da das Sekundärmedium, insbesondere wenn es sich um Wasser handelt, bei der Erwärmung bzw. Abkühlung eine Volumenveränderung erfährt, ist ein externer Druckausgleichsbehälter 70 vorgesehen, der über eine Leitung 71 mit dem äußeren Speicherbehälter 2 verbunden ist. Somit kann trotz voll­ ständiger Füllung des äußeren Speicherbehälters 2 die notwendige Ausdeh­ nung des Wassers gewährleistet werden. An der Leitung 71 befindet sich zu dessen Temperaturüberwachung ein Thermometer 72 und ein Absperrventil 73, um den Druckausgleichsbehälter 70 zum Beispiel für Wartungszwecke von dem Wärmespeicher zu trennen. Zur Überwachung des auf der Leitung 71 bzw. in dem Druckausgleichsbehälter 70 herrschenden Drucks ist ein Ma­ nometer 74 vorgesehen und als Sicherheitsmaßnahme ein Überdruckventil 76.

Da bei der Temperaturänderung das Latentspeichermedium bzw. das Wär­ meträgeröl ebenfalls Volumenänderungen erfahren, ist in dem Deckel 4 des Latentwärmespeichers 100 eine mit dem inneren Speicherbehälter 1 über ei­ nen Anschluß 62 kommunizierende Leitung 61 vorgesehen, die mit einem Ausgleichsbehälter 60 verbunden ist. So kann trotz vollständiger Füllung des inneren Speicherbehälters 1 mit Latentspeichermittel bzw. Wärmeträgeröl deren Volumenänderungen ohne eine Atmungsleitung in Freie erlaubt wer­ den. So wird zum einen die Kapazität pro Volumen des inneren Speicherbe­ hälters 1 bzw. des gesamten Latentwärmespeichers 100 vergrößert, da im Gegensatz zu den bisher bekannten Lösungen kein im Latentwärmespeicher vorhandener Ausdehnungsraum vorhanden sein muß. Ferner wird durch den Verzicht auf die Atmungsleitung ins Freie ein geschlossenes System erreicht, welches den Eintritt von Wasser in das Latentspeichermedium bzw. in den Speicherbehälter verhindert. Daher verändert sich das Latentspeichermedi­ um nicht durch Wassereinlagerung in seinen Eigenschaften und es tritt ferner nur eine vergleichsweise geringe Korrosion auf. Somit ist der Einsatz einfa­ cher Werkstoffe für den Aufbau des Latentwärmespeichers 100 möglich. Die Leitung 61 ist mit einem Absperrventil 63, einem Manometer 64 zur Druck­ überwachung und einem Sicherheitsventil 66 versehen.

Das Manometer 64 zur Drucküberwachung besitzt den Vorteil, daß über den Druck, welcher mit dem Füllstand des inneren Speicherbehälters korreliert, eine Überwachung des Ladezustandes bzw. des Sättigungsgrades des La­ tentspeichermediums bzw. des Wärmeträgeröls möglich ist. Bei hoher Tem­ peratur schmilzt das Latentspeichermedium und verringert dadurch sein Vo­ lumen, so daß sich in dem Ausgleichsbehälter 60 wenig Öl befindet. Fällt die Temperatur, so geht ein Teil des Latentspeichermediums in die feste Phase über, wodurch sich sein Volumen vergrößert, so daß ein Teil des Wärmeträ­ geröls in den Ausgleichsbehälter 60 verdrängt wird. Somit steigt auch der an dem Manometer 64 abgelesene Druck an. Durch geeignete Mittel ist über das Manometer 64 oder andere Mittel zur Füllhöhenbestimmung, wie zum Beispiel einfache Schwimmer, eine Regelung der Wärmezufuhr in den La­ tentwärmespeicher 100 möglich. Dies ist besonders für den noch zu be­ schreibenden Fall des Nachheizens von Belang, da es dort nicht zu einer vollständigen Aufheizung des Latentspeichermediums kommen darf, so daß für die vorzugsweise solarbetriebene Aufheizung immer Kapazitäten zur Verfügung stehen.

Am tiefsten Punkt des Bodens des äußeren Speicherbehälters 2 befindet sich ein Ablauf 8, so daß auf einfache Weise der äußere Speicherbehälter etwa zu Wartungszwecken entleert werden kann. Ein vergleichbarer An­ schluß, der nach außen geführt ist, kann ebenfalls an dem inneren Speicher­ behälter 1 vorgesehen sein.

Wenn es sich bei dem in dem äußeren Speicherbehälter eingesetzten Se­ kundärmedium und ebenso bei dem den Wärmetauscher 5 durchfließenden Speichermedium um Wasser handelt, so ist es möglich, die Leitung 10 und den äußeren Speicherbehälter 2 zu verbinden, so daß eine besonders gute Energieausnutzung der in dem Sekundärmedium vorhandenen Wärme er­ reicht wird.

Der in Fig. 2 dargestellte als Ganzes mit 200 bezeichnete Latentwärmespei­ cher entspricht im wesentlichen dem aus Fig. 1 bekannten, so daß für bau­ gleiche Teile entsprechende um 100 erhöhte Bezugszeichen Verwendung finden. Der Latentwärmespeicher 200 unterscheidet sich im wesentlichen von dem Latentwärmespeicher 100 nur dadurch, daß zur jahreszeitlich be­ dingten Nachheizung ein externer Heizkreislauf 120 mit dem äußeren Spei­ cherbehälter 2 verbunden ist. Dieser Heizkreislauf 120 ist nötig, da der erfin­ dungsgemäße Latentwärmespeicher vorzugsweise mittels Solaranlagen be­ trieben wird. Jahreszeitlich bedingt wird jedoch in nördlicheren Breitengraden eine zusätzliche Heizquelle benötigt, wenn die Sonneneinstrahlung nachläßt. Wenn hier, wie normalerweise üblich, elektrischer Strom zur Heizung ver­ wendet wird, muß die Nachheizung und die Wärmebevorratung möglichst in den Niedertarifzeiten erfolgen. Damit eine Aufheizung in möglichst kurzer Zeit durchzuführen ist, ist es von Vorteil, das Sekundärmedium in dem äuße­ ren Speicherbehälter 2 aufzuwärmen, welches dann über den inneren Spei­ cherbehälter 1 die Wärme an das darin befindliche Latentspeichermedium abgibt. Diese Abgabe der Wärme erfolgt zeitverzögert. Die Flußrichtung der Wärme ist also im Gegensatz zum Verbrauchsfall umgekehrt. Durch das schnelle Aufheizen des Sekundärmediums kann die Niedertarifzeit voll aus­ genutzt werden und durch die kurze Aufheizungsdauer besonders wenig Strom verbraucht werden. Ferner ist eine solche Anordnung von Vorteil, da die Wärme in dem Sekundärmedium sofort zum Verbrauch zur Verfügung steht. Durch die externe Bauweise ist ein solcher Heizkreislauf mit allen denkbaren Varianten der Aufheizsysteme für den Latentwärmespeicher ein­ setzbar. Der externe Heizkreislauf 120 umfaßt eine Leitung 121, die das Se­ kundärmedium aus dem äußeren Speicherbehälter 2 an einen elektrischen Heizstab 123 und durch einen dazugehörigen Heiztopf 124 zur Erwärmung leitet und dann wiederum über eine Leitung 122 in den oberen Bereich des äußeren Speicherbehälters 2 zurückführt. Zur Umwälzung ist in dem Heiz­ kreislauf eine Pumpe 126 vorgesehen sowie ein Ventil 125 zur Flußregulie­ rung. Ferner können eine unterschiedliche Anzahl von Absperrventilen bzw. Überbrückungsleitungen vorgesehen sein, um die Wartung bzw. die Entkal­ kung des Heizstabes bzw. des Heiztopfes ohne Schwierigkeiten zu ermögli­ chen.

In Fig. 3 ist eine als Ganzes mit 300 bezeichnete Latentwärmespeicherbatte­ rie dargestellt, die sich aus vier erfindungsgemäßen Latentwärmespeichern 400, 500, 600 und 700 zusammensetzt, die im wesentlichen denen aus Fig. 1 und 2 entsprechen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Spei­ cherbatterie 300 insbesondere zur Brauchwassererwärmung mittels regene­ rativer Energien eingesetzt. Die Brauchwassererwärmung wird über das in den äußeren Speicherbehältern 402, 502, 602 und 702 erwärmte Sekundär­ medium mittels des aus Fig. 1 bekannten externen Wärmetauschers durch­ geführt, von dem aus Übersichtlichkeitsgründen nur ein Wärmetauscher 450 an dem ersten Latentwärmespeicher 400 in der Fig. 3 dargestellt ist. Ent­ sprechende Wärmetauscher sind ebenfalls an den übrigen Latentwärme­ speichern auf gleiche Weise angeordnet. Ebenfalls aus Übersichtlichkeits­ gründen ist nur an dem ersten Latentwärmespeicher 400 der Ausgleichsbe­ hälter 460 und der Druckausgleichsbehälter 470 dargestellt. An den übrigen Wärmespeichern sind entsprechende Vorrichtungen ebenfalls vorhanden. Denkbar wäre auch eine gemeinsame Verschaltung der Ausgleichsbehälter bzw. Druckausgleichsbehälter zu einer Einheit.

An dem vierten Latentwärmespeicher 700 ist ein dem aus Fig. 2 bekannter externer Heizkreislauf 720 verbunden, der zur Erwärmung des Sekundärme­ diums in dem äußeren Speicherbehälter 702 dient, falls die regenerativen Energien nicht ausreichen. An den übrigen Latentwärmespeichern 400, 500 und 600 können solche externe Heizkreisläufe ebenfalls angebracht sein oder es ist analog zu den Ausgleichsbehältern möglich, eine gemeinsame externe Heizvorrichtung für alle vier Latentwärmespeicher auszuführen.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Latentwärmespeicher 400, 500, 600 und 700 bezüglich der Wärmeversorgung der Wärmetauscher 405, 505, 605 und 705 in Reihe geschaltet. Die aus den regenerativen Energien stammende Wärme wird mittels des Sekundärmediums über die Leitung 309 zunächst in den ersten Wärmetauscher 405 in dem ersten Latentwärmespei­ cher 400 eingeleitet und tritt nach einer ersten Wärmeabgabe über die Lei­ tung 310 aus diesem heraus und wird daraufhin in den Wärmetauscher 505 des Latentwärmespeichers 500 geführt, um dort wiederum seine Wärme weiter abzugeben. Anschließend wird der Wärmetauscher 605 des Latent­ wärmespeichers 600 versorgt und zuletzt der Wärmetauscher 705 des La­ tentwärmespeichers 700. Zur effektiven Ausnutzung der noch im Sekundär­ medium vorhandenen restlichen Wärmeenergie wird dies nach dem letzten Wärmetauscher 705 parallel über die Leitung 306 in alle äußeren Speicher­ behälter 402, 502, 602 und 702 der entsprechenden Latentwärmespeicher geleitet. In den entsprechenden äußeren Speicherbehältern verdrängt es weiter unten liegende Schichten kälteren Sekundärmediums, welches über die ebenfalls parallelgeschalteten Leitungen 307 die Wärmespeicher verläßt und über eine Sammelleitung 314 und eine Leitung 316 wieder den regene­ rativen Energiequellen zur Erwärmung zugeführt wird.

Vorzugsweise wird als regenerative Energie Solarenergie eingesetzt. Diese Sonnenenergie heizt ein Wärmeträgermittel in einem Kollektor K auf. Das Kollektorensystem ist ähnlich wie der Latentwärmespeicher mit einem Druckausgleichsbehälter 320 und einer Umwälzpumpe 321 versehen. Ferner sind eine Reihe von Drosselventilen, Absperrventilen, Überdruckventilen und Kontrollmanometer oder Thermometer vorhanden. Das Kollektorensystem wird mit einem geschlossenen Kreislauf betrieben und übergibt seine Wärme an das Sekundärmedium vor einem Wärmetauscher 323. Das Wärmeträ­ germittel wird also über die Leitungen 324 und 322 im Kreis gepumpt.

Das erwärmte Sekundärmedium fließt aus dem Kollektor K über eine Leitung 317 durch ein Drosselventil und ein Rückschlagventil, wonach es in eine Pumpe gelangt, die es in eine Sammelleitung 315 befördert. Von der Sam­ melleitung 315 wird zum einen über die Leitung 309 die Latentwärmespei­ cherbatterie 300 versorgt. Andererseits kann das durch die Solarenergie er­ wärmte Sekundärmedium, was im Normalfall Wasser ist, ohne Umweg über die Speicherbatterie bzw. für eine Heizung des Gebäudes eingesetzt werden. Hierbei können zum einen normale Wandheizungen H oder Fußbodenhei­ zungen FH betrieben werden. Hierzu führen von der Sammelleitung 315 mehrere mit Drosselventilen, Rückschlagventilen, Absperrventilen und Pum­ pen versehene Heizkreisläufe an die entsprechenden Heizungen H bzw. FH. Da bekanntermaßen der Vor- und Rücklauf einer Heizung sich in ihrer Tem­ peratur nur geringfügig unterscheiden, wird der Rücklauf aus den Heizungen teilweise direkt wieder in diesen Kreislauf eingespeist. Der übrige Teil wird in die Sammelschiene 314 eingespeist und wieder den regenerativen Wärme­ quellen ausgesetzt.

Zur effektiven Ausnutzung weiterer vorhandener regenerativer Wärmequel­ len, insbesondere in Zeiten mit geringer Sonneneinstrahlung, können weitere Wärmequellen wie Wärmepumpen W oder Holzkohleöfen O mit den entspre­ chenden Sammelschienen 314 bzw. 315 verbunden sein, um die Heizung bzw. die Latentwärmespeicherbatterie 300 zu versorgen. Die Wärmepumpe W und der Ofen O sind ebenfalls über Drosselventile, Rückschlagventile und Pumpen mit der Sammelschiene 315 verbunden, so daß durch eine nicht dargestellte Regeleinheit je nach Bedarf das Sekundärmedium in der ent­ sprechenden Wärmequelle aufgeheizt wird und dem System zugeführt wer­ den kann.

Ferner kann eine externe elektrische Heizeinheit E mit der Sammelschiene 315 verbunden sein, um ähnlich wie im Fall des externen Heizkreislaufes 720, bei einem Ausfall der regenerativen Wärmequellen oder einer nicht aus­ reichenden Versorgung durch diese Wärme zum Beispiel mittels Niedrigta­ rifstroms zu regenerieren, um das System mit Wärme zu versorgen.

Es ist offensichtlich, daß eine Vielzahl von Betriebsarten mit dem erfindungs­ gemäßen Latentwärmespeicher und seinen externen Zusätzen unter Einsatz verschiedenster Wärmequellen möglich ist. So wäre es beispielsweise denk­ bar, die Heizung nicht direkt über die Sammelschiene 315 bzw. 314 zu be­ treiben, sondern über die Latentwärmespeicherbatterie 300 mit warmem Se­ kundärmedium zu versorgen. Weiterhin wäre auch der Einsatz des erwärm­ ten Sekundärmediums aus den äußeren Speicherbehältern zur Brauchwas­ serversorgung denkbar. Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher und seine externen Zusätze sind also höchstvariabel in verschiedensten Anlagen und unterschiedlichen Situationen und Anforderungen einsetzbar.

Claims (22)

1. Latentwärmespeicher (100, 200, 400, 500, 600, 700)
mit einem ersten Speicherbehälter (1, 101, 401, 501, 601, 701), der mit einem Latentspeichermedium und vorzugsweise einem Wärmeträger­ mittel gefüllt ist, und
mit einem zweiten Speicherbehälter (2, 102, 402, 502, 602, 702), der mit einem Sekundärmedium gefüllt ist,
wobei in dem ersten Speicherbehälter zum Erwärmen oder Abkühlen des Latentspeichermediums ein Wärmetauscher (5, 105, 405, 505, 605, 705) angeordnet ist,
der erste Speicherbehälter innerhalb des zweiten, äußeren Speicher­ behälters angeordnet ist und
die Außenseite des inneren Speicherbehälters in Verbindung mit dem Sekundärmedium steht.

2. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem inneren Speicherbehälter (1, 101, 401, 501, 601, 701) ange­ ordnete Wärmetauscher (5, 105, 405, 505, 605, 705) von einem Sekundär­ medium durchströmt wird.

3. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der in dem inneren Speicherbehälter (1, 101, 401, 501, 601, 701) angeordnete Wärmetauscher (5, 105, 405, 505, 605, 705) ein Röhren­ wärmetauscher ist.

4. Latentwärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Röhrenwärmetauscher mindestens eine etwa senkrecht angeord­ nete Röhre umfaßt.

5. Latentwärmespeicher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Röhren separat angeordnet sind.

6. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren spulenförmig angeordnet sind.

7. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren mit Wärmeleitplatten versehen sind.

8. Latentwärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Latentwärmespeichers (100, 400) ein mit dem inneren Speicherbehälter (1, 401) kommunizierender Aus­ gleichsbehälter (60, 460) angeordnet ist.

9. Latentwärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine, vorzugsweise an dem Ausgleichsbe­ hälter (60) angeordnete, Füllstandsanzeige (64) für den inneren Speicherbe­ hälter (1) vorgesehen ist.

10. Latentwärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstandsanzeige (64) zur Regelung der Wärmezufuhr in den inne­ ren Speicherbehälter (1) vorgesehen ist.

11. Latentwärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (120, 720) vorgesehen sind, mit denen das in dem zweiten, äußeren Speicherbehälter (102, 702) vorhandene Se­ kundärmedium erwärmbar ist.

12. Latentwärmespeicher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (120, 720) einen von dem Sekundärmedium umflossenen Heizstab (123), der vorzugsweise elektrisch betrieben wird, umfassen, wobei der Heizstab (123) entweder innerhalb oder außerhalb des zweiten Spei­ cherbehälters angeordnet ist.

13. Latentwärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein von dem Sekundärmedium aus dem zweiten, äußeren Speicherbehälter (1, 401) durchflossener externer Wär­ metauscher (50, 450) vorgesehen ist.

14. Latentwärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Sekundärmedien Druckausgleichs­ mittel vorgesehen sind, die vorzugsweise als Druckausgleichsbehälter (70, 470) ausgebildet sind.

15. Latentwärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Latentwärmespeicher (400, 500, 600, 700) zu einer Speicherbatterie (300) verbunden sind.

16. Latentwärmespeicher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Wärmetauscher (5, 105, 405, 505, 605, 705) und/oder die zweiten Speicherbehälter (2, 102, 402, 502, 602, 702) derart miteinander verbunden sind, daß die Sekundärmedien die ersten Wärmetauscher (405, 505, 605, 705) und/oder die zweiten Speicherbehälter (402, 502, 602, 702) in Reihe und/oder parallel durchfließen.

17. Verfahren zur latenten Wärmespeicherung und Abgabe, bei dem ein Sekundärmedium von einem Latentwärmespeicher (100, 200, 400, 500, 600, 700) erwärmt oder abgekühlt wird, der aus einem ersten Speicherbehälter (1, 101, 401, 501, 601, 701), der mit einem Latentspeichermedium und vor­ zugsweise einem Wärmeträgermittel gefüllt ist, und aus einem zweiten Spei­ cherbehälter (2, 402, 502, 602, 702), der mit dem Sekundärmedium gefüllt ist, besteht, wobei ein in dem ersten Speicherbehälter angeordneter Wär­ metauscher (5, 105, 405, 505, 605, 705) das Latentspeichermedium erwärmt oder abkühlt, der erste Speicherbehälter innerhalb des zweiten, äußeren Speicherbehälters angeordnet ist, so daß der Wärmetransfer zwischen dem Latentspeichermedium und dem Sekundärmedium über die Außenseite des inneren Speicherbehälters erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr und/oder Entnahme durch ein geeignetes Heizmittel (120, 720) bzw. einen Verbraucher über das Sekundärmedium erfolgt.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Latentspeichermedium und ggfs. Wärmeträgeröl sich in einen mit dem inneren Speicherbehälter (1, 401) kommunizierenden Ausgleichsbehälter (60, 460) ausdehnen kann.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sättigungsgrad des Latentwärmespeichers (100) über den Füllstand des Latentspeichermediums und ggfs. Wärmeträgeröls in dem Ausgleichsbehälter (60) bestimmt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung der Wärmezufuhr und/oder der Entnahme in bzw. aus dem inneren Speicherbehälter (1) über die Füllstandsanzeige (64) erfolgt.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Wärmezufuhr und/oder Wärmeentnahme über das Sekundärmedium in dem zweiten, äußeren Speicherbehälter erfolgt.