DE102005059029A1

DE102005059029A1 - Verfahren und Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme

Info

Publication number: DE102005059029A1
Application number: DE102005059029A
Authority: DE
Inventors: Karsten Juhl
Original assignee: Juhl Karsten Dipl-Ing (fh)
Current assignee: Juhl Karsten Dipl-Ing (fh)
Priority date: 2005-12-10
Filing date: 2005-12-10
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2025-12-11
Also published as: DE102005059029B4

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme zu schaffen, bei dem die ununterbrochen durch die Speicherisolierung dringende Verlustwärme vermindert wird und sie für die spätere Benutzung in das Speichersystem zurückgeführt wird. DOLLAR A Wärme der Wärmequelle 8 gelangt zunächst in den ersten Speicher 1 und bei Erwärmung der Isolierung 6 durch einen darin befindlichen Kühlkörper 7 in weitere Speicher. Die Isolierung 6 des Speichers 1 besteht aus einer Innenisolierung 5 und einer darauf befindlichen Außenisolierung 4, zwischen denen sich ein Kühlkörper 7 befindet. Das Verhältnis der Wärmedurchgangswerte Innenisolierung qi zu Außenisolierung qa beträgt zwischen 0,3 und 3. DOLLAR A Die Erfindung ermöglicht, Wärme, die saisonal im wärmeren Halbjahr oder durch Prozeßwärme anfällt, möglichst verlustfrei über eine längere Zeit zu speichern, um sie dann in der kälteren Jahreszeit zu nutzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme. Die Erfindung ermöglicht, Wärme, die saisonal zum Beispiel im wärmeren Frühlings- und Sommerhalbjahr oder durch Prozeßwärme aus Blockheizkraftwerken in dieser Zeit anfällt, möglichst verlustfrei über eine längere Zeit, zum Beispiel über ein Halbjahr, zu speichern. Diese Wärme ist dann in der kälteren Jahreszeit zum Beispiel für Heizungszwecke nutzbar.

In der wärmeren Jahreszeit fällt so durch Sonneneinstrahlung Wärme in großen Mengen und kostenlos an. In dieser Zeit kann diese Wärme jedoch nur in kleinen Mengen zum Beispiel zur Nutzung für die Warmwasser Bereitung dienen. Um das Problem der Wärmenutzung in der kälteren Jahreszeit zu lösen sind große Behälter zur Wärmespeicherung meistens mit dem Wärmeträger Wasser bekannt, da dieses Medium durch seine große spezifische Wärme große Mengen Wärme pro Grad Temperaturerhöhung und Masseneinheit aufnehmen kann. Neben dem Wärmeträger Wasser können aber auch Stoffe als Wärmeträger verwendet werden, die bis zu einer bestimmte Temperatur die Wärme aufnehmen und dann den Aggregatzustand ändern um weitere latente Wärme ohne Temperaturerhöhung bis zur vollständigen Aggregatszustandsänderung aufzunehmen. Weitere Wärmeaufnahme danach erfolgt wiederum durch Temperaturerhöhung.

Bei diesen großen Speichern ist, um möglichst lange und mit wenig Verlusten die Wärme zu speichern, eine solide Isolierung erforderlich, die möglichst wenig Wärme pro Zeit aus dem Speicher an die Umwelt entweichen läßt. Das Maß der entweichenden Wärme ist dabei vom spezifischen Wärmedurchgangswert der Isolierung in Watt pro Grad und Quadratmeter bestimmt. Da jedoch große Speicher große Oberflächen besitzen und die Temperatur mit der Füllung des Speichers mit Wärme steigt ist der Wärmeverlust grundsätzlich schon hoch und steigt noch mit der Temperaturzunahme. Die Folge dieses physikalisch zwangsläufigen Geschehens ist ein schlechter Wirkungsgrad des Speichers, indem weit weniger Wärme für die spätere Nutzung bereit steht als dem Speicher zugeführt wurde. Diesen Sachverhalt könnte man nur durch größere Vorrichtungen, wie Solarkollektoren, zum größeren Wärmeeintrag begegnen. Wenn jedoch der dann durch höhere Speichertemperaturen wieder steigende Wärmeverlust nicht in Kauf genommen werden soll muß außerdem das Speichervolumen weiter vergrößert werden.

Um den Wärmeverlust, zumindestens welcher durch die Isolierung dringt etwas zu mindern, ist gemäß der DE OS 197 03 719 ein „Druckloser Warmwasserspeicher aus Kunststoff für die Solar-Wärmetechnik" entwickelt worden, bei dem in die Isolierung des Speichermantels außen eine Rohrspirale oder ein Gewerk von Rohren angeordnet ist, durch welches von unten nach oben Frischwasser hindurchströmt, das anschließend im Speicherinneren zu warmen Brauchwasser erhitzt wird. Dadurch sollen Wärmeverluste, welche durch die Isolierung des Warmwasserspeichers dringen mit für die Erwärmung von Brauchwasser nutzbar sein.

Der Nachteil des „Druckloser Warmwasserspeicher aus Kunststoff für die Solar-Wärmetechnik" gemäß DE OS 197 03 719 ist, das nur während kurzen Zeit der Entnahme von Brauchwasser ein Teil der Verlustwärme nutzbar ist. In der überwiegenden am längsten dauernden Zeit, in welcher keine Entnahme von Brauchwasser stattfindet, entweicht Wärme durch die Isolierung des Speichers nach außen. Damit ist dieser „Druckloser Warmwasserspeicher aus Kunststoff für die Solar-Wärmetechnik" nur geringfügig besser für die Langzeitspeicherung von Wärme geeignet als die bisher üblicherweise verwendeten Speicher mit Isolierungen ohne jegliche Wärmerückgewinnungen.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Langzeitspeicherung von Wärme zu schaffen, bei dem dauerhaft und ununterbrochen Verlustwärme, welche ständig durch die Isolierung dringt stark zu vermindern und weiter noch einen Teil der durch die Isolierung dringenden Wärme wieder aufzufangen und in das Speichersystem zurückzuführen. Das Verfahren zur Langzeitspeicherung von Wärme soll somit die Gesamtwärme über lange Zeit möglichst verlustfrei speichern können und nach langer Zeit eine Nutzung dieser Wärme ermöglichen.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und bei dem dauerhaft und ununterbrochen, die durch die Isolierung dringende Verlustwärme stark vermindert wird. Des Weiteren soll der Speicher es ermöglichen noch einen Teil der durch die Isolierung dringende Wärme wieder nutzbar zu machen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe zur Schaffung eines Verfahrens zur Langzeitspeicherung von Wärme dadurch gelöst, dass in mindestens zwei Speichern mit Isolierungen, welche mit Rohrleitungen in denen Pumpen und Armaturen vorzugsweise mit Hilfe von Steuerungen und Regelungen den Fluss des Wärmeträgers lenken, von einer Wärmequelle Wärme eingespeichert wird.

Dabei gelangt die Wärme zunächst in den ersten Speicher. Bei dessen Erwärmung der Isolierung, mit Beginn der Kühlung, wird die durch die Isolierung dringende Wärme aus dieser durch einen darin befindlichem Kühlkörper mit Hilfe der Rohrleitungen Pumpen, Armaturen, Steuerungen und Regelungen, in den zweiten Speicher gepumpt, um so die Wärme später für andere Anwendungen aus den Speichern zu benutzen.

Bei Vorhandensein von mehr als zwei Speichern kann bei jedem bis auf den letzten Speicher die durch die Isolierung dringende Wärme aus der Isolierung durch einen darin befindlichen Kühlkörper mit Hilfe der Rohrleitungen Pumpen, Armaturen, Steuerungen und Regelungen, in den nächsten Speicher gelangen.

Wenn die Temperatur in den folgenden Speichern nach dem ersten Speicher nach Beginn der Kühlung aus den vorigen Speichern einen Wert erreicht hat, welcher der Temperatur der Isolierung an der Stelle des Kühlkörpers entspricht und somit nicht mehr steigen kann, wird Wärme aus der Wärmequelle zusätzlich eingespeichert. Gleichzeitig wird der Fluss des Wärmeträgers durch den Kühlkörper aus den vorigen Speichern beendet. Die Kühlung kann nun ein nachfolgender Speicher übernehmen, der sich noch auf niedrigem Temperaturniveau befindet.

Die Realisierung der Erfindung in einer vereinfachten Ausführung kann auch durch Weglassen der Pumpen erfolgen und der notwendige Umlauf des Wärmeträgers erfolgt durch Schwerkraft. Der erwärmte Wärmeträger hat eine geringere Dichte als der kältere Wärmeträger und steigt somit in den Rohrleitungen auf Dieses Prinzip erzeugt einen Umlauf des Wärmeträgers in den Rohrleitungen bei ausreichendem Höhenunterschied.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe zur Schaffung eines Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme, welcher Rohranschlüsse für Rohrleitungen Pumpen, Armaturen, Anschlüsse für Steuerungen und Regelungen und Wärmetauscher enthalten kann dadurch gelöst, dass die Isolierung des Speichers aus einer Innenisolierung und einer darauf befindlichen Außenisolierung besteht. Zwischen der Innenisolierung und der darauf angeordneten Außenisolierung befindet sich ein Kühlkörper. Das Verhältnis des Wärmedurchgangswertes der Innenisolierung zu der Außenisolierung beträgt zwischen 0,3 und 3. Das bedeutet der Bereich der Wärmedurchgangswerte zueinander können das zweifache des anderen sein. Damit ist die Temperaturabsenkung innerhalb der Isolierung steuerbar und somit die Temperaturdifferenz zwischen der Trennstelle der Isolierungen und der Außenseite des Speichers einstellbar. Als Folge sinken somit die Wärmeverluste, welche durch die Isolierung dringen.

Zweckmäßige Ausbildungen des Kühlkörpers kann eine Rohrspirale sein.

Der Kühlkörper kann aber auch aus verbundenen Rohrsträngen bestehen.

Es kann weiter zweckmäßig sein die Rohranordnungen des Kühlkörpers auf einem Wärmeleitenden Material anzuordnen.

Eine weitere zweckmäßige Ausbildung des gesamten Speichers kann darin bestehen mehrere Speicher mit und ohne Kühlkörper in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen.

Die Erfindung eines Verfahren und Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme soll an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:
Die 1 zeigt das Verfahren zur Langzeitspeicherung von Wärme mit einer Solaranlage als Wärmequelle und drei Speichern.
Die 2 zeigt ein Diagramm des Wärmeverlaufs im Speicher 1.
Die 3 zeigt ein Diagramm des Wärmeverlaufs im Speicher 2.
Die 4 zeigt ein Diagramm des Wärmeverlaufs im Speicher 3.
Die 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme.
Die 6 zeigt am Schnitt A-A den Temperaturverlauf in der Isolierung mit dem darin befindlichem Kühlkörper bei vorgegebenen Wärmedurchgangswerten.
Die 7 zeigt eine andere Ausführung des erfindungsgemäßen Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme, bei dem mehrere Speicher so in einem Gehäuse angeordnet sind, das damit auch das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar ist.

1: Erster Speicher
2: Zweiter Speicher
3: Dritter Speicher
4: Außenisolierung
5: Innenisolierung
6: Isolierung
7: Kühlkörper
8: Wärmequelle (Solaranlage)
9: Wärmetauscher
ta: Außentemperatur am Speicher
th1: Beginn Kühlung in Speicher 1
th2: Ende Wärmezufuhr in Speicher 1
th3: Beginn Wärmezufuhr in Speicher 2
th4: Zusätzliche Wärme in Speicher 2
th5: Zusätzliche Wärme in Speicher 3 aus Kühlkörper Speicher 2
to: obere Temperatur des Wärmeträgers im Speicher
tm: Temperatur zwischen Außenisolierung und Innenisolierung
tu: untere Temperatur des Wärmeträgers
qi: Wärmedurchgangswert der Innenisolierung
qa: Wärmedurchgangswert der Außenisolierung

Beschreibung des Verfahrens zur Langzeitspeicherung von Wärme:
Gemäß der 1 besteht das Verfahren zur Langzeitspeicherung von Wärme aus drei Speichern 1; 2; 3 mit Isolierungen 6, welche mit Rohrleitungen in denen Pumpen und Armaturen vorzugsweise mit Hilfe von Steuerungen und Regelungen den Fluss des Wärmeträgers lenken. Die Einspeicherung der Wärme erfolgt von einer Wärmequelle (Solaranlage) 8.
Die Wärme gelangt zunächst in den ersten Speicher 1 und erwärmt sowohl den Inhalt, also den Wärmeträger, als auch die Isolierung 6.
Gemäß der 2 werden die Pumpen und Armaturen in den Rohrleitungen mit Hilfe von Steuerungen und Regelungen so geschaltet, dass ab einer Temperatur mit Beginn der Kühlung th1, die durch die Isolierung 6 dringende Wärme aus der Isolierung 6 durch einen darin befindlichem Kühlkörper 7 in den zweiten Speicher 2 gelangt. Dabei wird weiter aus der Wärmequelle (Solaranlage) 8 bis zum Erreichen einer oberen Temperatur des Wärmeträgers to Wärme eingespeist. Jahreszeitlich bedingt kann ab diesem Zeitpunkt und Temperatur to Wärme entnommen werden, obwohl auch noch Wärme Einspeisung durch die Wärmequelle (Solaranlage) 8 erfolgt. Wiederum jahreszeitlich bedingt endet bei dem Zeitpunkt und der Temperatur th2 die Wärmezufuhr durch die Wärmequelle (Solaranlage) 8, obwohl die Entnahme der Wärme bis zum Ende der Saison auf die untere Temperatur des Wärmeträgers tu weiter geht. Ab diesem Zeitpunkt beginnt die Saison von neuem.
Gemäß der 3 erhält der zweite Speicher 2 durch die so geschalteten Pumpen und Armaturen in den Rohrleitungen mit Hilfe von Steuerungen und Regelungen ab der Temperatur th3, welche der gleiche Zeitpunkt ist wie der Beginn der Kühlung in Speicher 1, die Wärme aus dem Kühlkörper 7 in der Isolierung 6 des ersten Speichers 1. Bei Erreichen einer nicht mehr steigenden Temperatur th4 wird zusätzlich Wärme aus der Wärmequelle (Solaranlage) 8 bis zum Erreichen einer oberen Temperatur des Wärmeträgers to Wärme eingespeist. Jahreszeitlich bedingt kann ab diesem Zeitpunkt und Temperatur to Wärme bis zur unteren Temperatur des Wärmeträgers tu entnommen werden, obwohl auch noch Wärme Einspeisung durch die Wärmequelle (Solaranlage) 8 erfolgen kann. Ab diesem Zeitpunkt beginnt die Saison von neuem.
Gemäß der 4 erhält der dritte Speicher 3 durch die so geschalteten Pumpen und Armaturen in den Rohrleitungen mit Hilfe von Steuerungen und Regelungen ab der Temperatur th5 die Wärme aus dem Kühlkörper 7 in der Isolierung 6 des zweiten Speichers 2. Bei Erreichen einer nicht mehr steigenden Temperatur kann zusätzlich Wärme aus der Wärmequelle (Solaranlage) 8 bis zum Erreichen einer oberen Temperatur des Wärmeträgers to Wärme eingespeist. Jahreszeitlich bedingt kann ab diesem Zeitpunkt und Temperatur to Wärme bis zur unteren Temperatur des Wärmeträgers tu entnommen werden, obwohl auch noch Wärme Einspeisung durch die Wärmequelle (Solaranlage) 8 erfolgen kann. Ab diesem Zeitpunkt beginnt die Saison von neuem.
Beschreibung des Speichers zur Langzeitspeicherung von Wärme:
Gemäß der 1 enthält der Speicher 1 Rohranschlüsse für Rohrleitungen Pumpen, Armaturen, Anschlüsse für Steuerungen und Regelungen und Wärmetauscher. Die Isolierung 6 des Speichers 1 besteht aus einer Innenisolierung 5 und einer darauf befindlichen Außenisolierung 4. Zwischen der Innenisolierung 5 und der darauf angeordneten Außenisolierung 4 befindet sich ein Kühlkörper 7. Gemäß der Grafik 6 Als Schnitt durch die Isolierung 6 des Speichers 1 beträgt das Verhältnis des Wärmedurchgangswertes der Innenisolierung 5 zu dem der Außenisolierung 4 gleich eins. Das bedeutet die Wärmedurchgangswerte der Innenisolierung 5 und der darauf angeordneten Außenisolierung 4 sind gleich groß. Damit ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlkörper 7 und der Außenseite des Speichers in der Außenisolierung 4 gering. Als Folge sinken somit die Wärmeverluste, welche bei vollständiger Temperaturdifferenz ohne Kühlkörper 7 die Isolierung 6 durchdringen würden.
Der Kühlkörper 7 ist eine auf einem wärmeleitenden Material angeordnete Rohrspirale.

Claims

Verfahren zur Langzeitspeicherung von Wärme, bei dem mindestens in zwei Speichern 1; 2 mit Isolierungen 6, welche mit Rohrleitungen in denen Pumpen und Armaturen vorzugsweise mit Hilfe von Steuerungen und Regelungen den Fluss des Wärmeträgers lenken, von einer Wärmequelle 8 Wärme eingespeichert wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Wärme zunächst in den ersten Speicher 1 gelangt und bei dessen Erwärmung der Isolierung 6, mit Beginn der Kühlung th1, durch diese dringende Wärme aus der Isolierung 6 durch einen darin befindlichem Kühlkörper 7 mit Hilfe der Rohrleitungen Pumpen, Armaturen, Steuerungen und Regelungen, in den zweiten Speicher 2 gelangt, um so die Wärme später für andere Anwendungen aus den Speichern 1; 2 zu benutzen.
Verfahren zur Langzeitspeicherung von Wärme, nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass bei Vorhandensein von mehr als zwei Speichern 1; 2 bei jedem bis auf den letzten Speicher die durch die Isolierung 6 dringende Wärme aus der Isolierung 6 durch einen darin befindlichem Kühlkörper 7 mit Hilfe der Rohrleitungen Pumpen, Armaturen, Steuerungen und Regelungen, in die nächsten Speicher gelangt.
Verfahren zur Langzeitspeicherung von Wärme, nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass in den folgenden Speichern nach dem ersten Speicher 1, nach Beginn der Kühlung th1 aus den vorigen Speichern und Erreichen einer nicht mehr steigenden Temperatur th4, zusätzlich Wärme aus der Wärmequelle 8 eingespeichert wird.
Verfahren zur Langzeitspeicherung von Wärme, nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass in einer vereinfachten Ausführung die Pumpen weggelassen werden und der notwendige Umlauf des Wärmeträgers durch Schwerkraft erfolgt.
Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme, welcher Rohranschlüsse für Rohrleitungen Pumpen, Armaturen, Anschlüsse für Steuerungen und Regelungen und Wärmetauscher enthalten kann, gekennzeichnet dadurch, dass die Isolierung 6 des Speichers 1 aus einer Innenisolierung 5 und einer darauf befindlichen Außenisolierung 4 besteht, zwischen denen sich ein Kühlkörper 7 befindet, wobei das Verhältnis des Wärmedurchgangswertes der Innenisolierung qi zu der Außenisolierung qa zwischen 0,3 und 3 beträgt.
Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme, nach Patentanspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Kühlkörper 7 als eine Rohrspirale ausgebildet ist.
Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme, nach Patentanspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Kühlkörper 7 aus verbundenen Rohrsträngen besteht.
Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme, nach Patentanspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Rohranordnungen des Kühlkörpers 7 auf einem wärmeleitenden Material angeordnet sind.
Speicher zur Langzeitspeicherung von Wärme, nach Patentanspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere Speicher mit und ohne Kühlkörper 7 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein können.