DE102005059029B4

DE102005059029B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Langzeitspeicherung von Wärme

Info

Publication number: DE102005059029B4
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: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2025-12-11
Also published as: DE102005059029A1

Abstract

Verfahren zur Langzeitspeicherung von Wärme,
bei dem in mindestens zwei mit Isolierungen (6) versehenen Speichern (1; 2), welche mit Rohrleitungen verbunden sind, in denen Pumpen und Armaturen vorzugsweise mit Hilfe von Steuerungen und Regelungen den Fluss des Wärmeträgers lenken, Wärme von einer Wärmequelle (8) eingespeichert wird,
gekennzeichnet dadurch, dass
die Wärme zunächst in den ersten Speicher (1) eingespeichert wird und dessen Isolierung (6) nach außen durchdringende Wärme mit Beginn der Kühlung (th1) durch einen in der Isolierung (6) befindlichen Kühlkörper (7) mit Hilfe von Rohrleitungen, Pumpen, Armaturen, Steuerungen und Regelungen in den zweiten Speicher (2) gelangt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung 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 mm Beispiel für Heizungszwecke nutzbar.
In der wärmeren Jahreszeit fällt 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 Warmwasserbereitung dienen. Um das Problem der Wärmenutzung in der kälteren Jahreszeit zu lösen, sind z. B. aus der DE 29 52 178 A1 große Behälter zur Wärmespeicherung meistens mit dem Wärmeträger Wasser bekannt, da dieses Medium durch seine große spezifische Wärme große Mengen Wärme aufnehmen kann. Neben dem Wärmeträger Wasser können aber auch Stoffe als Wärmeträger verwendet werden, die bis zu einer bestimmten 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 Wärmedurchgangskoeffizienten der Isolierung 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 den, der durch die Isolierung dringt, etwas zu mindern, ist gemäß der DE 197 03 719 A1 „Druckloser Warmwasserspeicher aus Kunststoff für die Solar-Wärmetechnik” entwickelt worden, bei dem in der 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 warmem Brauchwasser erhitzt wird. Dadurch sollen Wärmeverluste, welche durch die Isolierung des Warmwasserspeichers dringen, mit für die Erwärmung von Brauchwasser nutzbar sein.
Der Nachteil des „Warmwasserspeichers” gemäß DE 197 03 719 A1 ist, dass nur während der 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 „Warmwasserspeicher” 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, eine Vorrichtung zur Langzeitspeicherung von Wärme zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und bei welcher 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 dringenden Wärme wieder nutzbar zu machen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe zur Langzeitspeicherung von Wärme dadurch gelöst, dass in mindestens zwei Speichern mit Isolierungen, welche mit Rohrleitungen verbunden sind, 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 befindlichen 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 einer Vorrichtung zur Langzeitspeicherung von Wärme, welche 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 Wärmedurchgangskoeffizienten der Innenisolierung zu der Außenisolierung beträgt zwischen 0,3 und 3. 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 Ausbildung 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.
Verfahren und Vorrichtung zur Langzeitspeicherung von Wärme sollen 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 Wärmedurchgangskoeffizienten.
Die 7 zeigt eine andere Ausführung des erfindungsgemäßen Speichers 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: Wärmedurchgangskoeffizient der Innenisolierung
qa: Wärmedurchgangskoeffizient der Außenisolierung

Gemäß der 1 besteht das Verfahren zur Langzeitspeicherung von Wärme aus drei Speichern 1, 2, 3 mit Isolierungen 6, welche mit Rohrleitungen verbunden sind, 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 befindlichen 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 Wärmeeinspeisung 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 eingespeist. Jahreszeitlich bedingt kann ab diesem Zeitpunkt und Temperatur to Wärme bis zur unteren Temperatur des Wärmeträgers tu entnommen werden, obwohl auch noch Wärmeeinspeisung 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 eingespeist. Jahreszeitlich bedingt kann ab diesem Zeitpunkt und Temperatur to Wärme bis zur unteren Temperatur des Wärmeträgers tu entnommen werden, obwohl auch noch Wärmeeinspeisung durch die Wärmequelle (Solaranlage) 8 erfolgen kann. Ab diesem Zeitpunkt beginnt die Saison von neuem.
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 6 als Schnitt durch die Isolierung 6 des Speichers 1 beträgt das Verhältnis des Wärmedurchgangskoeffizienten der Innenisolierung 5 zu dem der Außenisolierung 4 gleich eins. Das bedeutet die Wärmedurchgangskoeffizienten 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 in mindestens zwei mit Isolierungen (6) versehenen Speichern (1; 2), welche mit Rohrleitungen verbunden sind, in denen Pumpen und Armaturen vorzugsweise mit Hilfe von Steuerungen und Regelungen den Fluss des Wärmeträgers lenken, Wärme von einer Wärmequelle (8) eingespeichert wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Wärme zunächst in den ersten Speicher (1) eingespeichert wird und dessen Isolierung (6) nach außen durchdringende Wärme mit Beginn der Kühlung (th1) durch einen in der Isolierung (6) befindlichen Kühlkörper (7) mit Hilfe von Rohrleitungen, Pumpen, Armaturen, Steuerungen und Regelungen in den zweiten Speicher (2) gelangt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass bei Vorhandensein von mehr als zwei Speichern (1, 2) bei jedem bis auf den letzten Speicher die Wärme aus der Isolierung (6) durch einen darin befindlichen Kühlkörper (7) mit Hilfe von Rohrleitungen, Pumpen, Armaturen, Steuerungen und Regelungen in den jeweils nächsten Speicher gelangt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass in den, auf den ersten Speicher (1) folgenden Speichern nach Beginn der Kühlung (th1) aus den vorhergehenden Speichern und Erreichen einer nicht mehr steigenden Temperatur (th4), zusätzlich Wärme aus der Wärmequelle (8) eingespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Umlauf des Wärmeträgers ausschließlich durch Schwerkraft erfolgt.
Vorrichtung zur Langzeitspeicherung von Wärme, mit einem Speicher (1) welcher Rohranschlüsse für Rohrleitungen, Pumpen, Armaturen, Anschlüsse für Steuerungen und Regelungen sowie 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 Wärmedurchgangskoeffizienten der Innenisolierung (qi) zum von diesem verschiedenen Wärmedurchgangskoeffizienten der Außenisolierung (qa) zwischen 0,3 und 3 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass der Kühlkörper (7) als eine Rohrspirale ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass der Kühlkörper (7) aus verbundenen Rohrsträngen besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Rohranordnungen des Kühlkörpers (7) auf einem wärmeleitenden Material angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere Speicher mit und ohne Kühlkörper (7) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein können.