DE102009034772A1

DE102009034772A1 - Latentwärmespeicher für stationäre und mobile Anwendungen mit dualem Latentwärmespeichermaterial

Info

Publication number: DE102009034772A1
Application number: DE102009034772A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr. Scherzberg; Jürgen Dipl.-Phys. Bach; Stephan Dipl.-Chem. Kaps
Original assignee: UTEC AG SALT TECHNOLOGIES K; K Utec AG Salt Technologies
Current assignee: UTEC AG SALT TECHNOLOGIES K; K Utec AG Salt Technologies
Priority date: 2009-07-25
Filing date: 2009-07-25
Publication date: 2011-01-27

Abstract

Latentwärmespeicher für stationäre und mobile Anwendungen mit dualem Wärmespeichermaterial bestehend aus einem durch Trennwände (3) unterteilten quaderförmigen Behälter (1) mit Außenisolation (2) aus korrosionsbeständigem nichtmetallischem Werkstoff, metallischen Wärmeaustauschern (4) in Form von Rohrschlangen, Rohrbündeln oder/und Plattenwärmeaustauschern und einem dualen Stoffsystem aus zwei verschiedenen Latentwärmespeichermaterialien (5) und (6), die sich im in Sektionen unterteilten Behälter (1) befinden, wobei die Wärmezuführung beim Aufladen und die Wärmeentnahme beim Entladen durch die Wärmetauscher (4) nur aus der mit nichtkorrosivem organischem Speicherstoff gefüllten Sektion des Speichers erfolgt. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Speicherung von Solarwärme, Überschusswärme von nichtkontinuierlichen Wärmequellen, Aktivwärme von Verbrennungsmotoren, Heizkaminen zur Raumheizung und/oder Warmwasserbereitstellung oder zur mobilen Anwendung im automotiven Bereich.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher für stationäre und mobile Anwendungen, vorzugsweise für Gebäudeheizungen, welcher direkt in den zu beheizenden Räumlichkeiten aufgestellt werden kann, dadurch die gespeicherte Wärme vollständig an diese abgibt und sich durch hohe spezifische Wärmespeicherkapazität und niedrige Herstellungs- und Wartungskosten auszeichnet. Andererseits ist der Wärmespeicher auch für mobile Anwendungen, vorzugsweise für den automotiven Einsatz bei Nutzfahrzeugen geeignet. Als Wärmespeichermaterial dient ein duales, aus zwei verschiedenen Stoffklassen aufgebautes, fühlbare Wärme und Latentwärme speicherndes Stoffsystem mit Schmelz- und Erstarrungspunkten zwischen +30°C und +70°C.
Der Speicher lässt sich durch heiße Wärmetransportflüssigkeiten oder Heißluft aufladen und kann anfallende Überschusswärme speichern und diese Energie zeitverschoben an die zu beheizenden Räume oder für andere Zwecke abgeben.
Dieser Wärmespeicher eignet sich zur kurz- und längerfristigen Wärmespeicherung von unregelmäßig anfallenden Wärmen, vor allem aus Motorabwärme von Verbrennungsmotoren, Solarkollektoren, Heizkaminen oder anderen stationären bzw. mobilen Heizungen, und gibt die gespeicherte Wärme bedarfsgerecht wieder ab. Je nach Anforderung kann der erfindungsgemäße Wärmespeicher als Heizkörper mit Speicherfunktion oder als längerzeitiger Speicher gebaut werden. Der Speicher kann auch ganz oder teilweise für die Bereitstellung von Warmwasser dienen.
Als Speichermaterial für die zu speichernde Wärmeenergie dienen sowohl organische als auch anorganische Stoffe oder Stoffgemische, welche in einem Temperaturbereich von +30°C bis +70°C beim Aufladen des Speichers die eingespeiste Energie sowohl als fühlbare als auch durch die mit einem Schmelz-/Erstarrungsprozess verbundene latente Wärme speichert und beim Entladen wieder abgibt.
Im Unterschied zu Heißwasserspeichern, welche nur fühlbare Wärme speichern, erhöht sich dadurch die je Volumen- oder Masseeinheit speicherbare Wärme beträchtlich.
Latentwärmespeicher sind sowohl als stationäre als auch mobile Speicher bekannt. Ebenso sind die meisten Wärmespeicherstoffe bereits an sich bekannt. Als geeignete Speicherstoffe für den Temperaturbereich +30°C bis +70°C sind unterschiedliche anorganische und organische Stoffe einsetzbar, sofern diese einen in diesem Temperaturintervall liegenden Phasenübergang, in der Regel einen kongruenten Schmelz-/Erstarrungspunkt haben.
Prinzipiell kommen als Latentspeichermaterial zwei verschiedene Stoffklassen in Betracht. Einerseits sind das organische Stoffe wie Paraffine, Wachse oder höhere Fettsäuren. Diese schmelzen zu einer homogenen Schmelze unter Wärmeaufnahme und erstarren bei Abkühlung unter Wärmeabgabe in einem reversiblen Vorgang. Als organische Stoffe sind sie wenig oder nicht korrosiv und vergrößern auch nicht ihr Volumen beim Übergang in die feste Phase. Nachteilig ist aber die durchweg relativ geringe spezifische Schmelzenthalpie und die geringe Dichte, wodurch vor allem die je Volumeneinheit speicherbare Wärmemenge vergleichsweise gering ist.
Wesentlich höhere Speicherkapazität haben bekanntermaßen Salzhydrate, welche beim Schmelzen höhere Wärmemengen latent speichern und beim Erstarren der Schmelze wieder abgeben. Da auch die Dichte dieser Stoffe viel höher ist als die von organischen Speicherstoffen, ist bereits die durch Latentwärme speicherbare Energie je Volumeneinheit viel größer als die von Wasser oder Organika. Hinzu kommt noch eine nicht unbeträchtliche, als fühlbare Wärme speicherbare Energiemenge. Nachteilige Eigenschaften von Salzhydraten sind deren in der Regel hohe Korrosivität gegenüber vielen Metallen und die ähnlich Eis meistens beim Erstarren der Schmelze auftretende Volumenvergrößerung.
Trotz der unbestreitbaren Vorteile von Latentwärmespeichern werden für die Wärmespeicherung für Heizzwecke noch meistens Heißwasserspeicher, bei denen auf die Nutzung latenter Wärmen überhaupt verzichtet wird, angewendet, da sie konstruktiv einfach sind und keine Korrosionsprobleme haben. Die Wärmezufuhr bei Einspeicherung als auch die Wärmeentnahme bei Ausspeicherung erfolgen als Heißwasser nach dem Prinzip des Schichtspeichers. Je Kubikmeter Wasser lassen sich zwischen +30°C und +70°C etwa 165 MJ entsprechend 45,8 kWh speichern. Verkleinert sich die nutzbare Temperaturdifferenz, sinkt die speicherbare Wärmemenge dementsprechend.
Die Verwendung von Salzhydratschmelzen als Speichermaterial erfordert die Anwendung von Wärmetauschern, die den Wärmeaustausch zwischen dem schmelzenden bzw. erstarrenden Speicherstoff und dem Wärmeträger Wasser gewährleisten. Wegen der Korrosionseigenschaften geschmolzener Salze müssen entweder sehr teure korrosionsbeständige Werkstoffe verwendet werden oder der Wärmeaustausch erfolgt indirekt über einen Hilfsstoff, der zwischen korrosiver Salzschmelze und Wärmetauscher zirkuliert. Beides verteuert die Herstellungskosten von Latentspeichern beträchtlich und behindert deren breiten Einsatz bei Gebäudeheizungen oder als Warmwasserlieferant im häuslichen Bereich.
Bekannte leistungsstarke Latentwärmespeicher sind für die Aufstellung in den zu beheizenden Räumlichkeiten wenig oder nicht geeignet und müssen ebenso wie Warmwasserschichtspeicher als liegende oder stehende zylindrische Druckbehälter in Nebenräumen oder Kellerräumen aufgestellt werden. Wegen der korrosiven Wirkung von geschmolzenen Salzhydraten auf die meisten metallischen Werkstoffe wie Eisenblech oder Aluminium, selbst auf Kupferwerkstoffe und Edelstähle ist deren Verwendung als in die Salzschmelzen eintauchende Wärmeaustauscher langzeitig nicht möglich und stattdessen wurde die Zwischenschaltung eines zirkulierenden Hilfsstoffes, der selbst keine latente Wärme speichern kann, vorgeschlagen. Dieser Hilfsstoff steht direkt mit der Salzschmelze im Kontakt ohne Trennwände und wird durch Pumpen umgewälzt.
Eine bekannte Konstruktion mit geschmolzenem Natriumacetat-Trihydrat als Latentspeichermaterial umgeht die Korrosionsprobleme durch Zwischenschalten eines inerten Wärmeträgeröles, welches spezifisch leichter als die Schmelze ist, durch diese durchperlt und dabei Wärme aufnimmt oder abgibt und danach einen Wärmetauscher durchströmt, wodurch Korrosion weitestgehend vermieden wird. Die Zirkulation des Öles erfordert eine Pumpe und einen zusätzlichen Stoffkreislauf, was einer breiteren Anwendung entgegensteht.
Ein weiterer Vorschlag zur Vermeidung des direkten Kontaktes von Wärmetauscher und Salzschmelze ist der so genannte Galisol-Speicher, bei dem ein Kontakt von Schmelze mit einem flüssigen Hilfsstoff, der spezifisch schwerer als die Schmelze ist, erfolgt und welcher nach Verdampfen die Wärme als Dampf durch Kondensieren an einen Wärmetauscher abgibt. Die Aufladung erfolgt durch einen zusätzlichen Tauscher, der die Wärme an den flüssigen Hilfsstoff abgibt, wodurch sich insgesamt ein komplizierter Aufbau des Speichers ergibt und außerdem der Speicher als druckfester Behälter ausgeführt werden muss.
Die Nachteile bekannter Wärmespeicher, welche auf der Basis von Salzhydratschmelzen bisher arbeiten, sind einerseits ein hoher Preis, die Verwendung zu wartender Konstruktionsbauteile, wie Pumpen und die notwendige Aufstellung außerhalb der zu beheizenden Räume, wodurch nicht die gesamte eingespeicherte Wärme der Beheizung dieser Räume zugute kommt. Wärmespeicher, die ausschließlich mit nicht korrosiven, organischen Latentspeichermaterial arbeiten, haben den Nachteil einer wesentlich geringeren volumenbezogenen Wärmespeicherkapazität und haben kaum Vorteile im Vergleich zu einem herkömmlichen Warmwasserspeicher.
Nach den bisherigen Erfahrungen führt weder die alleinige Verwendung hochkapazitiver Salzschmelzen in Verbindung mit korrosionsbeständigen, teuren Werkstoffen noch einer komplizierten Konstruktion unter Verwendung von mittels Pumpen zirkulierender flüssiger Hilfsstoffe noch eine ausschließliche Verwendung nicht korrosiver organischer Latentspeicherstoffe zu einer wirtschaftlichen Überlegenheit von Latentwärmespeichern gegenüber Warmwasserspeichern für Gebäudeheizungen oder Warmwasserbereitstellung im häuslichen Bereich.
Die Erfindung hat das Ziel, die Nachteile bekannter Speicher, welche mit reversibel schmelzenden und erstarrenden Latentspeicherstoffen arbeiten, zu vermeiden und hohes Speichervermögen mit einer einfachen Konstruktion des Speichers zu verbinden und eine Aufstellung direkt in den zu beheizenden Räumen selbst zu ermöglichen. Weitere Ziele sind geringe Material-, Fertigungs- und Wartungskosten des Speichers im Vergleich zu anderen Wärmespeichern.
Die Erfindung muss die Aufgabe lösen, unregelmäßig anfallende Wärmeenergie für kürzere oder längere Zeit zu speichern und direkt an die zu beheizenden Räume abzugeben, dabei wesentlich höhere volumenbezogene Speicherkapazitäten als herkömmliche Wasserspeicher zu erreichen bei gleichzeitig mindestens gleichen oder niedrigeren Herstellungs- und Betriebskosten als Wasserspeicher. Die Senkung der Herstellungskosten soll durch eine auf vorgefertigten Modulen beruhende einfache Konstruktion und Form des Wärmespeichers erreicht werden, wobei die geometrische Form und die völlige Wartungsfreiheit des Speichers eine Aufstellung innerhalb der zu beheizenden Räumlichkeiten zulässt. Eine weitere zu lösende Aufgabe ist die Verwendbarkeit gewöhnlicher, preiswerter Konstruktionswerkstoffe wie Eisen und Aluminium für die erforderlichen Wärme-übertragungsflächen trotz Verwendung aggressiver Salzschmelzen als Wärmespeichermaterial.
Durch die Erfindung muss die Aufgabe gelöst werden, die bei der Verwendung korrosiver Salzschmelzen auf übliche Wärmeaustauschermaterialien eintretenden Korrosionsprobleme zu vermeiden, ohne dass dafür ein besonderer Kreislauf eines Hilfsstoffes notwendig ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung zylindrischer Druckbehälter, welche eine Aufstellung der Speicher außerhalb der zu beheizenden Räumlichkeiten notwendig machen sowie die Vermeidung jeglicher bewegter Teile, wie Pumpen, welche gewartet werden müssen.
Diese Aufgaben löst die Erfindung durch die Verwendung eines dualen Latentwärmespeicher-Stoffsystems bestehend aus einem nichtkorrosiven Speichermaterial und einem zweiten Speicherstoff in Form von Salzschmelze. Beide Speichermaterialien befinden sich durch eine Trennwand voneinander getrennt in einem gemeinsamen, vorzugsweise quaderförmigen Behälter aus korrosionsfestem, vorzugsweise nichtmetallischen Material, der in mindestens zwei Sektionen unterteilt ist und beide Typen des Speichermaterials aufnimmt. Der erforderliche Wärmetauscher aus metallischem Werkstoff befindet sich erfindungsgemäß nur in den Sektionen, welche nichtkorrosives Speichermaterial enthalten. Die Salzschmelze ist hermetisch von der Umgebung als auch durch die Trennwände vom organischen Speichermaterial abgeschlossen, steht aber im Wärmeaustausch mit diesem. Als nicht korrosives Speichermaterial kann im einfachsten Fall Wasser oder Wärmeträgeröl oder ein Latentspeichermaterial aus der Gruppe der organischen Speicherstoffe eingesetzt werden.
Beide Typen des verwendeten Speichermaterials speichern sowohl über ihre Wärmekapazität fühlbare Wärme bzw. zusätzlich auch als Latentwärme reversibel Energie. Beim Aufladen wird sowohl der nicht korrosive Speicherstoff als auch die Salzschmelze erwärmt und letztere zum Schmelzen gebracht und beide nehmen Wärme auf. Beim Entladen wird umgekehrt der nicht korrosive Speicherstoff und etwas zeitverschoben die Salzschmelze abgekühlt und beide Stoffe geben ihre fühlbare und latent gespeicherte Wärme an das durch den Wärmeaustauscher strömende Wasser oder Luft ab.
Als nicht korrosive Speicherstoffe eignen sich technische Paraffine, Wachse und Paraffinabkömmlinge und deren Gemische mit Schmelz- und Erstarrungspunkten zwischen +30°C bis +65°C. Deren spezifisches Wärmespeichervermögen liegt etwa bei 200 kJ/Liter. Hinzu kommt die als fühlbare Wärme speicherbare Energie von 1,2 bis 1,3 kJ/Liter K. Unter Verzicht auf die relativ geringe Latentwärme kann neben organischem Wärmeträgeröl auch Wasser zur Füllung der mit den Wärmeaustauschern bestückten Sektionen verwendet werden.

Als zweiter Speicherstoff werden zweckmäßig Salzhydrate verwendet. Folgende anorganische Speicherstoffe kommen in Betracht:

Anorganischer Speicherstoff	Schmelzpunkt	Latentwärme je Volumen
Anorganischer Speicherstoff	[°C]	[MJ/m³]
CaCl₂·6H₂O	+30	256
Na₂S·9H₂O	+47	413
Na₂S₂O₃·5H₂O	+48	326
CH₃COONa·3H₂O	+58	364
Mg(NO₃)₂·6H₂O + MgCl₂·6H₂O	+59	205
NaOH·H₂O	+64	468

Als bevorzugte anorganische Speicherstoffe eignen sich als Salzhydratschmelzen Natriumacetat-Trihydrat und vor allem das bei 64°C schmelzende Natriumhydroxidmonohydrat, welches aufgrund seiner großen Korrosivität und Ätzwirkung trotz seiner überragenden Latentwärme von 468 MJ/m³ noch nicht als Speicherstoff beherrscht wird.
Es wurde gefunden, dass durch die erfindungsgemäße Trennung von Hydratschmelze und Wärmetauscher und die hermetische Abschließung von Schmelze und Umgebung auch dieses hocheffektive Speichermaterial ohne Gefährdung verwendbar ist. Auch andere Stoffe mit hohem Speichervermögen, wie Natriumthiosulfat-Pentahydrat und Natriumsulfid-Nonahydrat erscheinen als Speichermaterial prinzipiell geeignet, da durch den erfindungsgemäßen Speicheraufbau diese Stoffe in den Speichersektionen hermetisch verschlossen sind.
Als Werkstoff für den in Sektionen unterteilten Behälter eignen sich korrosions- und temperaturbeständige Werkstoffe, vorzugsweise Kunststoffe, insbesondere Verbundkunststoffe (GFK) und auch PVC, PP und PE. Die Form des Speichers ist vorzugsweise ein schmales, quaderförmiges Prisma. Dieses kann einfach gefertigt werden, was niedrigen Fertigungskosten entgegenkommt. Außerdem bietet diese Form den Vorteil, dass diese Speichergeometrie zwanglos in den zu beheizenden Räumen selbst angeordnet werden kann, sei es durch Aufstellung im Raum selbst oder bei größeren Speichern durch eine Aufstellung zwischen zwei Innenwänden innerhalb eines Gebäudes.
Die Aufstellung innerhalb oder zwischen zwei zu beheizenden Räumen in einer Etage hat den weiteren Vorteil, dass Wärmeverluste als Nutzwärme in die Räume übergehen und nicht wie bei üblichen Wärmespeichern in die Keller- oder Nebenräume gelangen.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Wärmespeichers ist denkbar einfach, und es sind keine Wartungen notwendig, da keine bewegten Teile, Pumpen und dergleichen, vorhanden sind. Der Speicher besteht aus einer als liegendes oder stehendes quaderförmiges Prisma ausgeführten Wanne mit mindestens einer Trennwand, die den Behälter in mindestens zwei Sektionen unterteilt, zwei verschiedenen Latentspeicherstoffen aus unterschiedlichen Stoffklassen, vorzugsweise Paraffin oder Paraffinabkömmlinge und einem weiteren Wärmespeicherstoff, vorzugsweise einer Salzhydratschmelze und mindestens einem rohrförmigen oder plattenförmigen Wärmeaustauscher, der ausschließlich in den mit Paraffinschmelze gefüllten Sektionen eingebaut ist. Nach Befüllung werden alle Sektionen mittels Deckel hermetisch verschlossen.
Die Anzahl der Trennwände beträgt je nach Speichergröße zwischen mindestens 1 bis etwa 6. Die dadurch entstehenden Sektionen können gleiches oder unterschiedliches Volumen haben.
Als Wärmeaustauscher muss mindestens ein Tauscher vorhanden sein, welcher dann alternierend zum Aufladen und Entladen dient. Sollen Aufladen des Speichers und Entladen voneinander unabhängig erfolgen, so werden mindestens zwei Wärmeaustauscher benötigt, einer für die Wärmezufuhr beim Aufladevorgang, einer für die Wärmeentnahme beim Entladevorgang.
Geeignete Wärmeaustauscher sind vorzugsweise vorgefertigte Module, insbesondere die als Raumheizkörper verbreiteten, plattenförmigen metallischen Austauscher. Besonders geeignet und preiswert sind die aus der Gebäudeheizung bekannten ein- bis dreirippigen, flachen Profilplattenheizkörper mit und ohne zusätzlichen Wärmeleitlamellen (so genannten Konvektoren). Diese aus ein bis drei parallelen Platten bestehenden Profilplattenheizkörper können betriebsfähig in die Sektionen für Paraffinschmelze eingesetzt werden.
Der Speicheraufbau erlaubt eine Fertigung in sehr unterschiedlicher Größe und Speicherkapazität. Kleinere Speicher mit einem Volumen unter 100 Litern lassen sich zur Überbrückung von zeitlich unterschiedlichem Wärmeanfall und Wärmebedarf in Wohnräumen anordnen und können wie herkömmliche Plattenheizkörper aufgestellt oder aufgehängt werden, geben die Wärme innerhalb Stunden ab und fungieren in den Räumen als Heizkörper mit Wärmespeicherfunktion. Größere Speicher lassen sich sowohl in den Räumen aufstellen oder können zwischen zwei Zwischenwänden eingebaut sein und sind in der Lage, die gespeicherte Wärmeenergie mehrere Tage bis mehrere Wochen zu speichern. Eine Batterie solcher Speicher könnte auch prinzipiell als Saisonspeicher arbeiten.
Die Aufladung der Speicher erfolgt vorzugsweise durch erwärmtes Wasser oder andere erwärmte Flüssigkeiten, welche die einzuspeichernde Wärmeenergie von der Quelle zum Speicher transportieren. Solche Wärme kann entweder aus Solarkollektoren oder anderen unkontinuierlich arbeitenden Wärmequellen geliefert werden. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Aufladung des Wärmespeichers mit Überschussenergie von stationären oder mobilen Verbrennungsmotoren, wodurch eine Wärmeabgabe an das zu beheizende Objekt auch lange nach dem Abschalten der Wärmequelle erfolgt.
In Form heißer Motorkühlflüssigkeit oder heißer Abgase anfallende Überschusswärme kann erfindungsgemäß mittels Wärmetauscher in den Dualwärmespeicher eingespeichert und im Bedarfsfall als Warmwasser oder Warmluft wieder entnommen werden. Bei stationären Verbrennungsmotoren kann die zwischengespeicherte Wärme ebenso zu Heizzwecken genutzt werden wie bei mobilen Anwendungen im automotiven Bereich. So kann Motorabwärme gespeichert und beispielsweise bei Nutzfahrzeugen zur Beheizung von Fahrerkabinen, zur Motorwarmhaltung oder Warmhaltung der Starterbatterie verwendet werden.
Auf Schiffen zum Beispiel ließe sich mit der Abwärme der Schiffsantriebe während der Liegezeit ausreichend Heizenergie oder Warmwasser bereitstellen, wenn diese in einem der beschriebenen Wärmespeicher zwischengespeichert wird. Aber auch die Überschusswärme von Heizkaminen lässt sich durch die erfindungsgemäßen Wärmespeicher sinnvoll speichern und nach dem Erkalten des Kamins nutzen.
Wegen der Kompaktheit des Speichers gegenüber Warmwasserspeichern ist das Volumen nur ein Drittel bis ein Viertel eines herkömmlichen Speichers gleicher Kapazität. Weiterhin haben die erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher auch Vorteile, wenn diese nicht mit Überschuss- oder Solarenergie aufgeladen werden, sondern mit Wärme aus Gas-, Holzpellet- oder Ölheizungen, somit können sie die herkömmlichen Warmwasserspeicher platzsparend ersetzen oder ergänzen.
Die Entladung des Speichers kann durch das Durchleiten von Wasser oder anderen Flüssigkeiten oder auch von Luft durch das für die Wärmeausspeicherung vorgesehene Wärmeaustauschersystem erfolgen, wodurch Warm- bzw. Heißwasser oder/und Warm- bzw. Heißluft austritt.
Bei mindestens zwei unterschiedlichen Wärmeaustauschern kann das Aufladen und Entladen des Wärmespeichers gleichzeitig und voneinander unabhängig erfolgen, bei nur einem Tauscher muss das Aufladen und Entladen alternierend nacheinander erfolgen.
Ob als Wärmetauscher metallische Rohre, wie Rohrschlangenpakete oder Rohrbündel bzw. ein- oder mehrlagige Plattenwärmeaustauscher, verwendet werden, hängt im Wesentlichen von wirtschaftlichen Faktoren, wie Preis oder Bereitstellbarkeit als vorgefertigte komplette Module, ab. Beide Arten sind prinzipiell gut geeignet. Da keine Materialkorrosion erfolgen kann, können die verwendeten Profilplattenheizkörper aus der Serienfertigung als voll funktionsfähige Module direkt in die Sektionen, welche mit nicht korrosivem Speichermaterial gefüllt werden, eingesetzt werden und verbleiben dort über die gesamte Einsatzdauer des Wärmespeichers.
Sowohl Rohr- als auch Plattenwärmeaustauscher können entweder mit heißem Wasser oder zirkulierend erwärmter sonstiger Transportflüssigkeit durchströmt werden. Auch das Entladen kann mit dem zu erwärmenden Wasser oder ebenfalls mit einer speziellen zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit erfolgen. Es ist aber auch möglich, zur Wärmeentnahme beim Entladevorgang heiße Luft zu erzeugen, welche unmittelbar in den zu beheizenden Raum übertritt.
Die Baugröße des Speichers richtet sich nach der Menge der zu speichernden Wärme und liegt vorzugsweise im Bereich von 50 bis 5.000 Litern. Die Bauform ist beliebig, jedoch sind schlanke prismatische Formen günstig sowohl für eine Anordnung des Wärmespeichers direkt in den zu beheizenden Räumen oder zwischen einer doppelten Zwischenwand, wodurch die unvermeidliche Verlustwärme nicht in die Umgebung, sondern in den zu beheizenden Raum übertritt. Es ist aber auch möglich, den Speicher außerhalb des Gebäudes, etwa im Erdreich eingebettet, aufzustellen, da keinerlei Wartung notwendig ist.
Erfindungsgemäß wird das Speichervolumen mit Stoffen gefüllt, welche im Temperaturintervall +30°C bis +70°C schmelzen und möglichst ohne größere Unterkühlung wieder erstarren, und zwar immer als duales Stoffsystem. Für eine Außenisolation des Speichers sind alle herkömmlichen Stoffe und Techniken prinzipiell geeignet, wobei die einfache Geometrie die Isolation erleichtert.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird durch folgende Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Beispiel 1 (siehe Fig. 1a)
Der Wärmespeicher besteht aus einem quaderförmigen Behälter (1) in Form eines aufrecht stehenden Prismas mit Außenisolation (2), mit einer Trennwand (3), welche den Behälter (1) in die Sektionen A und B unterteilt.
Behälter (1) und Trennwand (3) bilden eine aus GFK-Platten aufgebaute unterteilte Wanne, welche mit den beiden Arten des geschmolzenen Wärmespeichermaterials (5) und (6) gefüllt ist.
Sektion A enthält einen Wärmeaustauscher (4) mit parallelen Haarnadelrohren aus Aluminium, die durch wärmeleitende Lamellen aus dem gleichen Material verbunden sind. In der Sektion A befindet sich als Wärmespeichermaterial (5) die Schmelze eines Wachses mit einem Schmelzpunkt von +45°C und einer Dichte von 0,8 kg/l. Beim Schmelzen wird eine Wärmemenge von 205 kJ/kg aufgenommen und beim Erstarren wieder abgegeben.
Die Sektion B wird mit wärmespeichernder Salzschmelze (6), zum Beispiel Natriumhydroxidmonohydrat gefüllt, dessen latente Schmelz-/Erstarrungswärme 272 kJ/kg bzw. 368 kJ/l beträgt und bei ca. 64°C schmilzt. Bei Wärmezufuhr beim Aufladen des Speichers schmilzt zunächst das den Wärmetauscher (4) umgebende Wachs (5). Nach dem völligen Schmelzen erwärmt sich die flüssige Schmelze weiter. Ein Teil der Wärme geht über die Trennwand (3) in die Sektion B über, solange bis das Salzhydrat völlig aufgeschmolzen ist und ein Wärmeausgleich erfolgt ist.
Nach Umschalten auf Entladen wird zunächst die Wachsschmelze (5) abgekühlt und das den Wärmeaustauscher (4) durchströmende kältere Wasser erwärmt. Über die Trennwand (3) erfolgt ständig Wärmenachschub von Sektion B an Sektion A, solange bis die beiden Latentspeichermaterialien in beiden Sektionen erstarrt und weitgehend abgekühlt sind. Durch alternierende Betriebsweise erfolgt wechselweises Aufladen und Entladen des Speichers je nach Wärmeangebot bzw. Wärmebedarf.
Beispiel 2 (siehe Fig. 1b)
Der Wärmespeicher besteht aus einem ebenfalls in zwei Sektionen A und B unterteilten Behälter (1) analog Beispiel 1. Als Wärmetauscher (4) ist ein einlagiger Profilheizkörper aus Eisenblech eingebaut, dessen Baugröße so bemessen ist, dass dieser die Sektion A möglichst vollständig ausfüllt. Aufbau und stoffliche Füllung der Sektionen A und B sowie Arbeitsweise entsprechen dem Beispiel 1.
Wird der Speicher durch die Außenisolation (2) vollständig umschlossen, wird die gespeicherte Wärme lange gehalten und kann bei Bedarf über den Wärmeaustauscher (4) entnommen werden. Wird die Außenisolation (2) ganz oder teilweise weggelassen, so entsteht ein Wandheizkörper mit Wärmespeicherfunktion und das Abkühlen des Speichers kann völlig ohne Wärmeabgabe über den Wärmeaustauscher (4) erfolgen.
Beispiel 3 (siehe Fig. 2)
Der Wärmespeicherbehälter (1) mit Außenisolation (2) hat die Form eines aufrecht stehenden Quaders und wird durch zwei Trennwände (3a) und (3b) in drei Sektionen A, B1 und B2 geteilt.
Die innere Sektion A hat etwa 20 Prozent Anteil am Gesamtvolumen und enthält als Wärmeaustauscher (4) zwei Plattenheizkörper mit einer Plattengröße, die das Volumen ausfüllt und ist mit gewöhnlichem Wasser, dem zweckmäßig ein Korrosionsinhibitor zugesetzt wurde, gefüllt. Die Wasserführung speichert fühlbare Wärme. Die beiden äußeren Sektionen B1 und B2 sind mit dem Speichermaterial Natriumacetatschmelze (6) gefüllt. Dieses Salzhydrat schmilzt bei 58°C unter Aufnahme von 265 kJ/kg latenter Schmelzwärme, entsprechend 364 kJ/Liter.
Beim Aufladen wird Wärme je nach Wärmeangebot zum Beispiel aus einem Blockheizkraftwerke oder einem Solarkollektor in Form warmer zirkulierender Flüssigkeit zugeführt und in einem der beiden Plattenwärmeübertrager (4) an die umgebende Paraffinschmelze (5) und mittelbar über die Trennwände (3a) und (3b) an das in den Sektionen B1 und B2 befindliche Salzhydrat (6) abgegeben. Die Wärmeausspeicherung erfolgt über den anderen Plattenwärmeübertrager (4) unabhängig voneinander, solange bis der Wärmeinhalt aller drei Sektionen A, B1 und B2 erschöpft ist.
Beispiel 4 (siehe Fig. 3 und Fig. 4)
Der Wärmespeicher besteht aus einem Behälter (1) mit 3 Sektionen A1, A2 und B von etwa gleichem Volumen. Sektion A enthält einen mehrrippigen Plattenheizkörper (4a) mit zwei parallelen Platten mit zwei Konvektoren, der mit Paraffinöl (5) gefüllt ist.
Sektion B ist hermetisch verschlossen und enthält als Speichermaterial (6) eine Mischung aus 69% NaOH und 31% H₂O. Diese ist bei einer Temperatur oberhalb 64°C flüssig und erstarrt unterhalb dieser Temperatur zu festem Natriumhydroxid-Monohydrat (NaOH·H₂O). Beim Schmelzen wird je Kilogramm Schmelze eine Wärmemenge von 270 kJ/kg latent gespeichert, die beim Erstarren wieder abgegeben wird. Das entspricht einem Wärmespeichervolumen von etwa 465 kJ/Liter Schmelze. Außerdem werden 1,5 kJ/kg K zusätzliche fühlbare Wärme gespeichert.
Die Sektion A2 ist ebenfalls hermetisch verschlossen und mit dem Speichermaterial Paraffinöl (5) gefüllt und enthält beispielsweise einen Rohrwärmeaustauscher (4b) analog Beispiel 1. Das Aufladen des Wärmespeichers erfolgt über die in der Sektion A1 befindlichen Wärmetauscher (4a) mittels Heißwasser, welches aus einem Kamineinsatz (7) eines Heizkamins stammt und zwischen diesem und dem in der Sektion A1 befindlichen Wärmetauscher (4a) mittels Pumpe (8) zirkuliert. Wird der Heizkamin befeuert, wird die Überschusswärme aus dem Feuerraum zunächst an den wassergefüllten Kamineinsatz (7) übertragen und solange der Kamin brennt an den Latentwärmespeicher abgegeben, wobei nacheinander die Sektionen A1, B und A2 aufgeschmolzen werden. Nach Erkalten des Kamins kann die gespeicherte Wärme über die in der Sektion A2 befindliche Heizschlange (4b) als Warmluft ausgespeichert werden, die direkt in den Raum übergeht. Da der Kamin und der Wärmespeicher in zu beheizenden Wohnräumen aufgestellt sind, geht keine Nutzwärme verloren.
Beispiel 5 (siehe Fig. 5)
Der Wärmespeicher hat ein mehrere Kubikmeter großes Volumen und ist zwischen einer doppelwandigen Innenwand (9) aufgestellt. Der Speicherbehälter (1) ist wegen der notwendigen statischen Stabilisierung in mehrere, z. B. 6 Sektionen (A1 bis A3 und B1 bis B3) durch die Trennwände (3a) und (3b) unterteilt.
Die Sektionen A1, A2 und A3 haben jeweils gleiches Volumen und enthalten als Wärmespeichermaterial Shell-Wax 300 mit einem Schmelzpunkt von 66°C und einer Latentwärme von 166 MJ/m³. Die Sektionen B1, B2 und B3 sind ebenfalls etwa gleich groß. Bei Befüllung mit Natriumacetat-Trihydrat (6) lässt sich darin eine Wärmemenge von 120 kWh/m³ bzw. 40 MJ/m³ inklusive der fühlbaren Wärme einspeichern.
Bei Verwendung von Natriumhydroxid-Monohydrat als Speicherstoff (5) erhöht sich diese Energiemenge auf 155 kWh/m³ bzw. 560 MJ/m³.
Die Aufladung des Speichers erfolgt normalerweise über die in den Sektionen A1 und A3 befindlichen Plattenheizkörper (4a) und (4c) durch heiße zirkulierende Wärmetransportflüssigkeit aus einem Vakuumröhren-Sonnenkollektor. Außerdem kann der Speicher unabhängig davon aus einem Heißwasserbereiter mittels Zusatzheizung aufgeladen werden.
Die Ausspeicherung der Wärme erfolgt aus der Sektion A2, die ebenfalls mit Paraffin- oder Wachsschmelze (5) gefüllt ist und ebenfalls Wärmetauscher (4) in Form von Profil-Plattenheizkörpern (4c) enthält. Für diesen Zweck eignen sich Profilheizkörper mit 2 Parallelplatten und Bauhöhen bis 2.200 mm aus Stahlblech.
Durch diesen Speicher können mehrtägige bis mehrwöchige Perioden ohne Wärmeangebot aus Solarwärme überbrückt werden. Mit einer Speicherkapazität von bis zu 2.000 MJ lässt sich der Wärmebedarf eines Niedrigenergiehauses von mehr als 1 Monat aus dem Speicher abdecken.
Alternativ zur Anordnung im Wohnbereich lässt sich der Speicher auch außerhalb und sogar im Erdreich vergraben aufstellen.
Beispiel 6
Der in Beispiel 1 und 2 beschriebene Wärmespeicher wird als mobiler Speicher für automotive Anwendungen in ein Nutzfahrzeug stehend oder liegend eingebaut und nimmt die in Form von Motorkühlflüssigkeit bereitstehende Überschusswärme während der Fahrt auf. Bei einer regelmäßigen Fahrpause wird bei stillstehendem Motor die Wärme entnommen und je nach Bedarf auf die zu beheizende Fahrerkabine, den warmzuhaltenden Motor und die warmzuhaltende Starterbatterie verteilt.
In einem Speichervolumen von nur 50 Litern lassen sich Wärmemengen von 20.000 bis 25.000 kJ reversibel speichern, wodurch Kraftstoffverbrauch und CO₂-Emission entweder des Verbrennungsmotors oder eines Heizgerätes entfallen.

Claims

Latentwärmespeicher für stationäre und mobile Anwendungen, welcher im Zusammenwirken mit einer unkontinuierlichen Wärmequelle Überschusswärme speichert und diese bedarfsgerecht wieder abgibt, bestehend aus einem korrosionsbeständigen Speicherbehälter (1) mit Außenisolation (2), Wärmetauschern zur Auf- und Entladung des Wärmespeichers (3) sowie Wärmespeicherstoffen mit Einsatzbereichen zwischen +30°C und +70°C (5) und (6), dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (1) durch Trennwände (3) in mindestens zwei Sektionen A und B unterteilt ist, welche mit zwei unterschiedlichen Wärmespeicherstoffen (5) und (6) aus verschiedenen chemischen Stoffklassen gefüllt sind, von denen ein Wärmespeicherstoff (5) eine nicht korrosive Flüssigkeit (Wasser, Öl) oder ein nicht korrosives Wachs, Paraffin oder Paraffinabkömmling ist, in welchen die metallischen Wärmeaustauscher (4) eingebettet sind und der andere Wärmespeicherstoff (6) ein Latentwärmespeicherstoff in Form einer Salzhydratschmelze mit hohem Wärmespeichervermögen ist, welche gegen die Umgebung hermetisch abgeschlossen ist und Wärme nur über die Trennwände (3) aufnimmt oder abgibt.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicherstoff in Sektion A eine nicht korrosive Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser oder ein Mineralöl, ist und der Wärmespeicherstoff in Sektion B ein Latentwärmespeichermaterial ist, welches innerhalb eines Lade-/Entladezyklus einen Phasenwechsel durchläuft, vorzugsweise Natriumhydroxidmonohydrat oder Natriumacetat-Trihydrat.
Latentwärmespeicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicherstoff in Sektion A ein organisches Latentwärmespeichermaterial ist, welches innerhalb eines Lade-/Entladezyklus einen Phasenwechsel durchläuft, vorzugsweise ein Paraffin, Paraffinabkömmling oder Wachs und der Wärmespeicherstoff in Sektion ein Latentspeicherstoff in Form eines Salzhydrates.
Latentwärmespeicher gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter vorzugsweise eine quaderförmige Form hat und durch vorzugsweise 1 bis 4 Trennwände in verschiedene Sektionen A und B aufgeteilt ist.
Latentwärmespeicher gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Sektion A befindlichen Wärmeaustauscher Plattenwärmeaustauscher, vorzugsweise Profilplattenheizkörper mit oder ohne Konvektionslamellen oder Röhrenwärmeaustauscher, vorzugsweise Rohrbündel oder Rohrschlangen sind.
Latentwärmespeicher gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr beim Aufladen und die Wärmeentnahme beim Entladen mittels Wasser oder einer zirkulierenden Flüssigkeit erfolgt.
Latentwärmespeicher gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr beim Aufladen mittels Wasser oder einen zirkulierenden Flüssigkeit erfolgt und die Wärmeentnahme beim Entladen ganz oder teilweise als Heißluft erfolgt.
Latentwärmespeicher gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher durch einen Solarkollektor, die Überschusswärme eines Heizkamins oder Abwärme eines stationären Verbrennungsmotors aufgeladen wird.
Latentwärmespeicher gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstellung direkt im zu beheizenden Raum erfolgt.
Latentwärmespeicher gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstellung innerhalb einer Trennwand zwischen zwei zu beheizenden Räumen erfolgt.
Latentwärmespeicher gemäß den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstellung außerhalb des Gebäudes, vorzugsweise im Erdreich eingebettet, erfolgt.
Latenwärmespeicher gemäß Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in ein Fahrzeug eingebaut ist, während der Fahrt mit Motorabwärme aufgeladen und bei Fahrzeugstillstand die gespeicherte Wärme an warmzuhaltende Teile des Fahrzeuges, vorzugsweise Fahrerkabine, Motor und Starterbatterie bedarfsgerecht abgibt.