DE102007034511A1

DE102007034511A1 - Behälter zum Speichern eines wärmespeichernden Mediums

Info

Publication number: DE102007034511A1
Application number: DE102007034511A
Authority: DE
Inventors: Georg Haase
Original assignee: HYDRO ENERGY; HYDRO-ENERGY
Current assignee: Hydro Energy & Co Kg 40885 Ratingen De GmbH; Hydro Energy & Co Kg De GmbH
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2009-01-29
Also published as: DE202007010809U1; WO2009012853A1; EP2167897A1

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Einzelteile für einen bekannten Behälter zum Speichern eines Mediums so zu konstruieren bzw. zu planen, dass der Behälter auch in Räumen mit begrenzt großen Zugangsöffnungen aufgebaut bzw. nachgerüstet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Größe jedes einzelnen Flächenelementes (110), aus denen der Behälter zusammengebaut ist, eine vorgegebene Normgröße nicht überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Behälter, insbesondere einen Langzeit-Wasser-Wärmespeicher, zum Speichern eines wärmespeichernden Mediums, insbesondere Wasser.
Derartige Behälter sind insbesondere für die Brauchwasseraufbereitung seit längerem bekannt. Als großvolumige Langzeit-Wasser-Wärmespeicher tragen diese Behälter bei der Ausnutzung fossiler Brennstoffe zu Heizzwecken, bei der Nutzung erneuerbarer Energien, wie Solarenergie, Wind- und Wasserkraft, bei dem Betrieb von Block-Heiz-Kraftwerken und bei der Nutzung industrieller und gewerblicher Abwärme erheblich zur Energieeinsparung und Emissionsminderung bei. Aus der deutschen Patentschrift DE 41 16 375 C2 ist es bekannt, dass derartige großvolumige Behälter traditionell aus Stahlblech gefertigt werden. Sie werden als Fertigmodule in Gebäude transportiert und dort gegebenenfalls mit weiteren Modulen gekoppelt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Einzelteile für derartige Behälter so zu konstruieren bzw. zu bemessen, dass die Behälter auch in Räumen mit begrenzt – großen Zugangsöffnungen, wie z. B. Normtüren aufgebaut bzw. nachgerüstet werden können.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass die Größe jedes einzelnen der Flächenelemente des Behälters eine vorgegebene Normfläche nicht überschreitet.
Durch diese beanspruchte Begrenzung in der Dimensionierung der einzelnen Flächenelemente des Behälters ist es vorteilhafterweise möglich, diese Flächenelemente auch in Räumen mit begrenzt – großen Zugangsöffnungen, wie z. B. Normtüren einzubringen, vorausgesetzt, dass zumindest die Breite oder die Länge dieser Normfläche einen Transport des Flächenelementes durch die Zugangsöffnung gestattet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Flächenelemente in einer automatischen Massenproduktion hergestellt werden können.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Behälter quaderförmig ausgebildet, um eine größtmögliche Raumausnutzung zu erzielen. Bei den Flächenelementen handelt es sich dann um Boden-, Decken- und Wandelemente. Vorteilhafterweise ist dann die Fläche jedes dieser Boden-, Decken- und Wandelemente kleiner als eine vorgegebene Normfläche. Beispielhaft beträgt die Breite der Boden- und Deckenelemente 1500 mm und die Breite der Wandelemente 1000 mm, so dass ein Quertransport dieser Elemente durch eine Normtüre mit einer Höhe von 2000 mm problemlos möglich ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die Wandelemente an zumindest einer ihrer Längsseiten eine Abkantung auf, die sich vorzugsweise über die gesamte Längsseite des jeweiligen Wandelementes erstreckt. Während des späteren Betriebs des Behälters, insbesondere wenn dieser mit Wasser gefüllt ist, sind die Wandelemente mit einem hohen Innendruck des Behälters belastet und müssen diesem standhalten. Um unerwünscht große Deformationen, insbesondere Ausbeulungen, der Wandelemente zu verhindern oder zumindest zu vermindern, dienen diese Abkantungen als Versteifung der Wände.
Die Abkantungen ragen vorzugsweise in das Innere des Behälters hinein. Dies hat zum Einen den Vorteil, dass der Behälter mit maximaler Größe bzw. maximalem Volumen entsprechend der verfügbaren Raumgröße dimensioniert werden kann; das Volumen des Behälters muss nicht kleiner dimensioniert werden, weil Abkantungen an der Außenseite des Behälters überstehen. Außerdem ist eine Verletzungsgefahr im Außenbereich des Behälters durch die nach innen in den Behälter ragenden Abkantungen nicht gegeben.
Eine zusätzliche Versteifung der Wandelemente gegen den Innendruck kann durch V-Profile erreicht werden, die an dem freien, d. h. wandfernen Ende der Abkantung angebracht sind.
Damit der Behälter seine Funktion als Wärmespeicher erfüllen kann, ist es erforderlich, dass Wärmeenergie in den Behälter eingebracht und aus diesem wieder entnommen werden kann. Dazu ist es vorteilhaft, wenn zumindest eines der Flächenelemente des Behälters eine oder mehrere Öffnungen aufweist zum Einbau und Anschluss einer Energiequelle oder Energiesenke, beispielsweise eines Wärmetauschers, in/an den Behälter.
Derartige Behälter sind als Wärmespeicher dann besonders effektiv, wenn sie möglichst groß sind. Je größer das Speichervolumen, umso größer ist der Ausnutzungsgrad der verwendeten Wärmeerzeuger und umso größer ist die Nutzung der erneuerbaren Energie, insbesondere der Solarenergie.
Unter dem Gesichtspunkt des Baus möglichst großer Behälter ist es vorteilhaft, wenn ursprünglich kleinere Behälter nachträglich erweiterbar sind. Dazu ist es vorteilhaft, dass die Flächenelemente an ihren Rändern verschweißbar oder verklebbar sind und dass diese Verbindungen untereinander vorzugsweise lösbar oder reproduzierbar sind.
Zur Vorteilhaftigkeit der erfindungsgemäßen Behälter, insbesondere wenn sie großvolumig ausgefüllt sind, wird Folgendes ausgeführt:
Sehr großen Einfluss auf die Rußschichtbildung und Schadstoffemission hat die jährliche Brennerstartzahl bei Heizkesseln, die aufgrund der Überdimensionierung in 80% aller Gebäude und aufgrund ihres sehr geringen Wasserinhaltes, bis zu 40 000 beträgt; damit ist sie laut Bundesumweltamt für 50% des gesamten Schadstoffausstoßes verantwortlich. Schon bei Verwendung der erfindungsgemäßen Behälter als Wasserspeicher mit einem Speichervolumen von 2000 l würden die Brennerstarts auf 500 und weniger reduziert. Dadurch würden die Kamin-, Betriebs- und Bereitschaftsverluste, die bekanntlich je nach Anlagenart zwischen 20% und 60% liegen, derart minimiert, dass sich eine Primärenergieersparnis von 30% bis 70% und damit auch eine Emissionsminderung bei Co₂ von 30% bis 70% ergeben würde. Eine Überdimensionierung von Heizkesseln hätte bei Verwendung der erfindungsgemäßen Behälter praktisch keinen Einfluss mehr auf den Jahresnutzungsgrad des Heizkessels. Sie führt lediglich dazu, dass die Betriebszeit etwas kürzer wird. Im Betrieb arbeiten Brenner und Kessel mit ihrem höchstmöglichen Wirkungsgrad, so dass der vom Hersteller angegebene Feuerungswirkungsgrad annähernd auch dem tatsächlichen Anlagenwirkungsgrad entspricht.
Die Rußschichtbildung in Heizkesseln, die besonders aus der hohen Brennerstartzahl resultiert, beträgt bei Verwendung der erfindungsgemäßen Behälter nur noch ca. 5% der sonst üblichen Rußschichtbildung, was wiederum zu einem verminderten Primärenergieeinsatz führen würde. Durch die geringe Startzahl ergibt sich eine sehr lange Brennerlaufzeit, die einerseits eine Kaminversottung verhindert, andererseits zu einer nicht unerheblichen Brennstoffeinsparung führen würde. Denn in der Regel erreicht ein Öl- oder Gasbrenner seinen so genannten stationären Betriebszustand erst nach ca. 6 Minuten nach dem Einschalten. Erst dann erfolgt in der Regel auch die Messung des Wirkungsgrades und des Schadstoffausstoßes.
Feuerräume für Öl- und Gasbrenner, die zzt. fast alle für den Niedertemperaturbetrieb mit all seinen Nachteilen konzipiert sind, könnten bei Verwendung des erfindungsgemäßen Behälters wieder der altbewährten Hochtemperaturtechnologie angepasst werden. Dadurch ergäbe sich eine weitere Emissionsminderung, die bei CKW mit 50% und Co mit 30% bewertet werden kann. Hinzu kommt, dass Heizkessel in Hochtemperaturtechnologie erheblich einfacher und damit kostengünstiger hergestellt werden können.
Solarenergie, wie sie zzt. genutzt wird, dient in 99% aller Fälle nur der Warmwasseraufbereitung, weil zu Heizzwecken bei konventionellen Heizsystemen Anbindungs- und Speichermöglichkeiten fehlen. Der Jahresnutzungsgrad wird lt. statistischen Erhebungen für den m² mit 200 kWh angegeben. Würde die Solarenergie jedoch einem erfindungsgemäßen Behälter mit einem Speichervolumen von ca. 6000 l zugeführt und durch Verwendung dieses Behälters bzw. Wärmespeichers auch zu Heizzwecken genutzt werden, so würde der Jahresnutzungsgrad auf ca. 800 kWh/m² steigen. Bei Verwendung von noch größeren Speichervolumen wäre ein noch größerer Anteil der Solarenergie an der Gebäudeheizung nutzbar.
Der Erfindung sind insgesamt drei Figuren beigefügt, wobei
1 einen erfindungsgemäßen Behälter mit abgenommenem Deckel,
2 einen Grundriss bzw. eine Bodenplatte des erfindungsgemäßen Behälters nach 1; und
3 die Bodenplatte bzw. den Grundriss für einen erweiterten erfindungsgemäßen Behälter
zeigt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche mechanische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt den erfindungsgemäßen Behälter 100 mit abgenommenem Deckel. Es sind insbesondere die Wandelemente 110-n mit n = 1 – N zu erkennen, die jeweils rechtwinklig zugeschnitten sind und mit ihrer Schmalseite senkrecht auf dem Boden 120 des Behälters stehen. Einzelne der Wandelemente 110 weisen Öffnungen 116, insbesondere in Form von Flanschöffnungen auf zum Einbau und Anschluss von beispielsweise einem Wärmetauscher 200. Der Wärmetauscher ermöglicht sowohl das Einbringen von Energie in ein wärmespeicherndes Medium, z. B. Wasser, im Innern des Behälters 100, wie auch die Entnahme von Energie aus diesem Medium. So könnte z. B. Fernwärme über die Öffnung und den Wärmetauscher in das wärmespeichernde Medium eingebracht werden und einige Zeit später könnte bei Bedarf die Wärme durch Anschluss des Wärmetauschers an ein lokales Heizsystem wieder entnommen werden.
Die Wandelemente sind erfindungsgemäß in ihrer Breite und Höhe nicht größer als eine vorgegebene Normfläche, beispielsweise 1000 mm × 2000 mm. Auch die Boden- und Deckenelemente sind in ihrer Breite und Länge einer vorgegebenen Normfläche untergeordnet und belaufen sich in ihren Abmessungen beispielsweise auf 1500 mm × 3000 mm. Alle Flächenelemente werden beim Zusammenbau des Behälters miteinander verbunden, d. h. je nach Material miteinander verschweißt oder verklebt. In jedem Fall muss die Verbindung zwischen den Elementen dicht gegenüber dem verwendeten wärmespeichernden Medium ausgebildet sein. Nicht nur die Wandelemente, sondern alle Flächenelemente, d. h. auch die Boden- und Deckelelemente können aus Kunststoff oder aus Metall gefertigt sein.
2 zeigt einen Grundriss bzw. die Bodenplatte 120 für den Behälter nach 1. Es ist zu erkennen, dass zumindest einzelne der Wandelemente 110 an ihren Längsseiten rechtwinklige Abkantungen 112-n mit n = 1, 2, ... aufweisen. Diese Abkantungen dienen, insbesondere wenn sie sich über die gesamte Höhe des Behälters erstrecken, einer Versteifung der Wandelemente gegen den durch das wärmespeichernde Medium ausgeübten Druck von innen gegen die Wandelemente. Eine noch weitere Versteifung der Wandelemente wird durch die an den freien bzw. wandfernen Enden der Abkantungen angebrachten V-Profile 114-n mit n = 1,2... erreicht. Die erwähnten Verbindungen zwischen den einzelnen Flächenelementen müssen sich nicht über die gesamte Fläche zwischen zwei unmittelbar benachbarten Abkantungen erstrecken; vielmehr ist es in der Regel ausreichend, wenn die Flächenelemente z. B. mit einer einzelnen Schweißnaht miteinander verschweißt sind.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Behälter, wobei das Speichervolumen gegenüber dem in den 1 und 2 gezeigten Behältern verdoppelt wurde. Die ursprüngliche Außenwände 110-(n-1) bis 110-N (vgl. 1) bilden bei der in 3 gezeigten Erweiterung eine Trennwand zwischen den beiden Kammern I und II des erweiterten Speichers. Eine Trennung der beiden Kammern ist jedoch im Hinblick auf eine effiziente Nutzung des Wärmespeichers unerwünscht, denn dafür muss dieser ein möglichst großes zusammenhängendes Speichervolumen aufweisen. Bei der Erweiterung wird dies einfach dadurch realisiert, dass z. B. in das Wandelement 110-N möglichst große Öffnungen 118 (siehe 1) möglichst in unterschiedlicher Höhe eingebracht werden, so dass die beiden Kammern I und II miteinander kommunizieren können. Diese Öffnungen 118 mit großer lichter Weite gewährleisten auch bei einer Batterie aus vielen einzelnen miteinander kommunizierenden Kammern, dass sich eine ungestörte Temperaturschichtung allein durch den Gewichtsunterschied des oben wärmeren Wassers und des unteren kälteren Wassers einstellt. Das Wasser in den bei den Kammern I und II bildet dann ein homogenes wärmespeicherndes Medium, welches de facto nicht durch die Zwischenwand getrennt ist.
Grundsätzlich ist eine erste Kammer I nicht nur, wie in 3 beispielhaft gezeigt, mit einer, sondern mit beliebig vielen Kammern mit gleichem oder anderem Grundriss erweiterbar.
Wird in einer Batterie aus mehreren Kammern I, II das wärmespeichernde Medium nur in einer der Kammern durch einen eingebrachten Wärmetauscher aufgeheizt, so steigt das erwärmte Wasser durch natürliche Konvektion nach oben, während der untere Bereich vorerst kalt bleibt. Das erwärmte Wasser verteilt sich dann jedoch in der oberen Schicht des Mediums auch ohne mechanische Hilfe über die gesamte Speicherbatterie, d. h. über alle Kammern, sofern diese über die Öffnungen 116-x miteinander kommunizieren. Die Verteilung des erwärmten Wassers erfolgt bis zu einem Punkt in beliebiger Höhe, in dem z. B. ein Temperaturfühler für ein Ende der Beladung sorgen kann. Dieser Effekt setzt sich solange fort, bis die gesamte Batterie in allen Kammern bis zu diesem Punkt geladen ist und eine durchgehend gleichmäßige Temperaturverteilung aufweist. Wird nachfolgend durch einen oberen Wärmetauscher Wärme entnommen, so setzt der gleiche Effekt in umgekehrter Reihenfolge ein.
Die soeben beschriebene automatische Verteilung des erwärmten Wassers erfolgt aufgrund von natürlicher Konvektion.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4116375 C2 [0002]

Claims

Behälter (100) zum Speichern eines wärmespeichernden Mediums, insbesondere Wasser, wobei der Behälter aus einer Mehrzahl von Flächenelementen (110) zusammengebaut ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Größe jedes einzelnen der Flächenelemente (110) eine vorgegebene Normfläche nicht überschreitet.
Behälter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (100) quaderförmig ausgebildet ist und es sich bei den Flächenelementen um Boden-, Deckel- und Wandelemente (110) handelt.
Behälter (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Normfläche für die Boden- und Deckelelemente 1500 mm × 3000 mm beträgt.
Behälter (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Normfläche für die Wandelemente 1000 mm × 2000 mm beträgt.
Behälter (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandelemente (110) rechteckig zugeschnitten sind und an zumindest einer ihrer Längsseiten eine Abkantung (112) aufweisen, die sich vorzugsweise über die gesamte Längsseite der Wandelemente erstreckt.
Behälter (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkantung (112) in das Innere des Behälters hineinragt.
Behälter (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein V-Profil an dem freien wand-fernen Ende der Abkantung angebracht ist, welches sich vorzugsweise über die gesamte Länge der Abkantung (112) erstreckt.
Behälter (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Flächenelemente (110) des Behälters eine oder mehrere Öffnungen (116) aufweist zum Einbau und Anschluss einer Energiequelle oder einer Energiesenke, beispielsweise eines Wärmetauschers, in/an den Behälter (100).
Behälter (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelemente (110) aus Kunststoff oder aus Metall, insbesondere Normblechteilen gefertigt sind.
Behälter (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelemente (110) an ihren Rändern miteinander verbindbar, z. B. verschweißbar oder verklebbar sind.