-
Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Derartige Wärmespeicher sind aus der Praxis bekannt. Es handelt sich üblicherweise um mit Wasser gefüllte Speicher, bei denen das Wasser, also das Speichermedium, beispielsweise durch eine Heizungsanlage oder mit Hilfe von Solarkollektoren und einem zugehörigen Wärmetauscher erwärmt wird, so dass später die in den Speicher eingelagerte Wärme mittels des Wärmetauschers wieder entnommen werden kann.
-
Problematisch ist dabei, dass unabhängig von der Qualität der Isolierung nach einer gewissen Zeit stets ein thermischer Ausgleich zwischen der Temperatur des Speichermediums und der Umgebungstemperatur stattfindet, so dass derartige Speicher mit Wasser als Speichermedium stets nur zum Einlagern von Wärme über einen vergleichsweise kurzen Zeitraum geeignet sind. Tagsüber Solar eingelagerte Wärme kann beispielsweise am nächsten Morgen zur Erwärmung des Brauchwassers beim Duschen verwendet werden.
-
Die Erhöhung der im Speicher eingelagerten Wärmemenge kann durch die Verwendung von Phasenwechselmaterial verbessert werden, beispielsweise in Form von Wachsen, wobei je nach verwendetem Wachs die Phasenwechseltemperatur bestimmt werden kann. Auch dabei ergibt sich das Problem, dass bei Unterschreitung der Wechseltemperatur der Phasenwechsel unaufhaltsam einsetzt, so dass auch bei diesen Wärmespeichern, abhängig von der Qualität der verwendeten Isolierung, der Zeitraum begrenzt ist, über welchen die im Speicher enthaltende Wärme wieder freigesetzt wird.
-
Es wäre wünschenswert, im Sommer solar eingelagerte Wärme erst nach mehreren Monaten, beispielsweise im Winter, abrufen zu können, um auf diese Weise eine Unterstützung der Heizungsanlage zu schaffen, also eine Speicherung der Wärme über einen möglichst langen, nahezu beliebig langen Zeitraum zu ermöglichen. Dementsprechende Speichermedien sind ebenfalls aus der Praxis bekannt, beispielsweise in Form von Salzen bzw. Salzgemischen, die beispielsweise in kleinen Kunststoffbeuteln als so genannte Taschenwärmer handelsüblich sind.
-
Nachdem das Speichermedium zunächst erwärmt und verflüssigt worden ist, gibt es seine fühlbare Wärme ab, und zwar bis zur Angleichung an die Umgebungstemperatur, selbst wenn diese unterhalb der Temperatur des Phasenwechsels liegt. Es handelt sich dann bei dem Speichermedium um eine unterkühlte Schmelze, die nach wie vor den latenten Wärmeinhalt aufweist. In diesem Zustand kann die latente Wärme über einen vergleichsweise langen, nahezu beliebigen Zeitraum gespeichert bleiben.
-
Problematisch ist dabei die Auslösung der Kristallisation: Die latente Wärme wird bei den aus der Praxis bekannten Taschenwärmern dadurch freigesetzt, dass die Kristallisation der unterkühlten Schmelze mit Hilfe kleiner, im Kunststoffbeutel befindlicher Plättchen ausgelöst wird, indem diese Plättchen verformt werden. Ob dabei innerhalb des Beutels durch die Verformung der Plättchen entstehende Druckimpulse die Kristallisation des Speichermediums auslösen, oder ob es das Entlangströmen des Speichermediums an scharfen Kanten oder an Spitzen des Plättchens ist, welche die Kristallisation des Speichermediums auslöst, ist Gegenstand unterschiedlicher Theorien. Problematisch ist jedenfalls, dass die Auslösung der Kristallisation unerwünscht und unbeabsichtigt erfolgen kann, so dass die latente Wärme vorzeitig frei gegeben wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Wärmespeicher dahingehend zu verbessern, dass dieser die Speicherung von Wärme über einen möglichst langen Zeitraum ermöglicht und die Freisetzung der eingelagerten latenten Wärme zu einem beliebig bestimmbaren Zeitpunkt ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, einen oder mehrere einzelne Behälter zu verwenden. Grundsätzlich kann die vorgeschlagene Technologie bei einem einzigen Wärmespeicher angewendet werden. Da dann jedoch die gesamte gespeicherte Latentwärme freigesetzt wird, ist es zugunsten einer feiner dosierbaren Wärmeabgabe vorteilhaft, das Speichermedium auf mehrere Behälter zu verteilen. Nachfolgend wird daher stets in der Beschreibung davon ausgegangen, dass mehrere Behälter Anwendung finden, ohne dass jedoch der vorliegende Vorschlag darauf eingeschränkt ist. Durch die Verteilung des Speichermediums auf mehrere Behälter kann ein insgesamt sehr großes Speichervolumen geschaffen werden, welches eine wirkungsvolle Unterstützung der Heizungsanlage bewirken kann. Die Einbringung dieses großen Speichervolumens in bestehende Bauten, beispielsweise in Kellerräume, wird dabei problemlos ermöglicht, da die einzelnen Speicherzellen, nämlich die einzelnen Behälter, mit vergleichsweise kleinen baulichen Abmessungen ausgestaltet werden können und so beispielsweise problemlos durch vorhandene Türöffnungen transportiert werden können.
-
Vorschlagsgemäß ist vorgesehen, ein Speichermedium der bereits vorbeschriebenen und an sich bekannten Art zu verwenden, welches nach Abgabe der fühlbaren Wärme und nach Unterschreitung der Phasenwechseltemperatur als unterkühlte Schmelze vorliegt, so dass auf diese Weise die latente Wärme theoretisch über einen unbegrenzt langen Zeitraum gespeichert werden kann und erst dadurch freigesetzt wird, dass die Kristallisation dieses Speichermediums ausgelöst wird.
-
Zudem ist vorschlagsgemäß vorgesehen, diese Kristallisation des Speichermediums dadurch in Gang zu setzen, dass ein Auslöser vorgesehen ist, der sich normalerweise gar nicht im Speichermedium befindet und der vielmehr zum Auslösen der Kristallisation in das Speichermedium eingetaucht wird. Da dieser Auslöser ansonsten in einer Wartestellung außerhalb des Speichermediums verbleibt, ist eine unerwünschte vorzeitige Kristallisation des Speichermediums und somit die vorzeitige Abgabe der latenten Wärme ausgeschlossen, so dass auf diese Weise die im Speichermedium enthaltene latente Wärme über einen sehr langen Zeitraum gespeichert werden kann. Diese Speicherdauer kann mehrere Monaten und ggf. mehrere Jahre betragen, so dass beispielsweise im Sommer eingelagerte solare Wärme über einen milden Winter und den folgenden Sommer hinweg bis zu einem strengeren Winter gespeichert bleiben kann, in dem sie dann dadurch abgerufen wird, dass erst dann die Kristallisation des Speichermediums ausgelöst wird.
-
Der Auslöser ist dabei vorteilhaft zumindest in dem Bereich, in welchem er mit dem Speichermedium in Kontakt gerät, also mit welchem er in das Speichermedium eintaucht, frei von Spitzen sowie von scharfen Kanten. Sollte vorgesehen sein, den Auslöser in das flüssige Speichermedium eintauchen zu lassen zu einem Zeitpunkt, wo keine Kristallisation des Speichermediums erwünscht ist, so kann durch diese Ausgestaltung des Auslösers sichergestellt werden, dass durch den Kontakt des Auslösers mit dem Speichermedium nicht versehentlich eine Kristallisation ausgelöst wird, die auf der Scharfkantigkeit des Auslösers beruhen würde.
-
Vorteilhaft kann der Auslöser eine Vertiefung aufweisen, in welcher sich flüssiges Speichermedium sammelt, wenn der Auslöser in das Speichermedium eingetaucht ist. Auf diese Weise kann der Auslöser als eine Art Probennehmer dienen, mit dem eine kleine Materialmenge des Speichermediums aus dem Behälter entnommen werden kann. Diese kleine Materialprobe des Speichermediums kann dann separat vom übrigen Behälterinhalt zur Kristallisation gebracht werden, so dass am Auslöser Kristallisationskeime vorliegen. Wenn der Auslöser dann zu einem gewünschten Zeitpunkt erneut in das Speichermedium eintaucht, bewirken diese Kristallisationskeime die Auslösung der Kristallisation des gesamten Behälterinhaltes, so dass auf diese Weise mit Hilfe des Auslösers präzise und zu einem gewünschten Zeitpunkt die Kristallisation des Behälterinhaltes angestoßen werden kann.
-
Vorteilhaft kann außerhalb der dem Behälter umgebenden Isolierung eine so genannte Wartekammer für den Auslöser vorgesehen sein. Wenn der Auslöser also über einen langen Zeitraum seine so genannte Wartestellung einnimmt und keinen Kontakt mit dem übrigen Behälterinhalt hat, nimmt er, da sich die Wartekammer außerhalb der Isolierung befindet, die Umgebungstemperatur an. Wenn der Phasenwechsel des Speichermediums beispielsweise im Bereich von 50°C oder höher liegt, so wird sich diese Umgebungstemperatur, der auch die Wartekammer ausgesetzt ist, stets unterhalb dieser Phasenwechseltemperatur befinden.
-
Speichermedium, welches an dem Auslöser anhaftet bzw. sich in der vorerwähnten Vertiefung des Auslösers befindet, kristallisiert nach ersten Versuchen überraschend aus, auch ohne mechanische Beeinflussung, wie einen Druckimpuls oder das Entlangströmen an einer scharfen Kante. Da bei einer ausreichend klein bemessenen Menge des Speichermediums dieses die Umgebungstemperatur in sehr kurzer Zeit annimmt, wird möglicherweise die Kristallisation bei Unterschreitung der Phasenwechseltemperatur allein aufgrund des Temperaturschocks ermöglicht, so dass diese kleine Menge des Speichermediums auskristallisiert, die sich am Auslöser befindet, während die demgegenüber viel größere Menge des Speichermediums, die sich im Behälter des Wärmespeichers befindet, sehr viel träger reagiert und aufgrund von Isolierungsmängeln oder auch bei bewusster Entnahme der fühlbaren Wärme sehr viel langsamer abkühlt, und daher auch bei Unterschreitung der Phasenwechseltemperatur nicht kristallisiert, sondern vielmehr in den Zustand einer unterkühlten Schmelze übergeht.
-
Die erwähnte Wartekammer außerhalb der Isolierung dient dazu, den dort befindlichen Auslöser samt Speichermedium vor äußeren Verschmutzungen zu schützen, beispielsweise vor Staubpartikeln, die ansonsten beim nächsten Eintauchen des Auslösers in den Behälter und in das dort befindliche Speichermedium zu einer entsprechenden Verschmutzung des Speichermediums führen könnten. Die Verschmutzungen könnten ggf. unerwünschte Kristallisationskeime darstellen und eine vorzeitige, unerwünschte Kristallisation des Speicherinhaltes bewirken.
-
Die Wartekammer ist dabei vorteilhaft mittels eines Deckels vom übrigen Behälter getrennt. Dieser Deckel kann möglichst schnell zwischen den Auslöser und den übrigen Behälterinnenraum gebracht werden, nachdem der Auslöser in das Speichermedium des Behälters eingetaucht wurde und wieder herausbewegt wurde, um auf diese Weise zu verhindern, dass vom Auslöser herab fallende Tropfen im Wärmespeicher zu unerwünschten Druckwellen und ggf. zu einer unerwünschten Auslösung einer Kristallisation führen können. Zudem kann der erwähnte Deckel als thermische Isolierung dienen, so dass einerseits das vorschnelle Auskühlen des Speicherbehälters vermieden wird und andererseits die Wartekammer nicht in unerwünschter Weise vom übrigen Behälter beheizt wird, sondern vielmehr thermisch von diesem isoliert ist und dementsprechend schnell die Umgebungstemperatur außerhalb des Speicherbehälters annehmen kann, so dass der erwähnte Kristallisationsvorgang der am Auslöser anhaftenden Materialprobe des Speichermediums erfolgt.
-
Vorteilhaft kann der Auslöser zu einem Zeitpunkt in das Speichermedium eintauchen, wenn das Speichermedium eine Temperatur oberhalb der Phasenwechseltemperatur aufweist. In diesem Fall ist nämlich sichergestellt, dass durch den Kontakt zwischen dem Auslöser und dem Speichermedium nicht versehentlich eine Kristallisation des Speichermediums ausgelöst wird, sondern es wird lediglich dafür Sorge getragen, dass der Auslöser mit einer geringen Materialmenge des Speichermaterials versehen ist, mit welcher er dann aus dem übrigen Speichermedium heraus bewegt wird und in seine Wartestellung verbracht wird, beispielsweise in der erwähnten Wartekammer. Sollten dabei kristallisierte Anteile an Speichermedium vom Auslöser in den übrigen Behälter eingebracht werden, so findet aufgrund des dort herrschenden Temperaturniveaus keine Kristallisation statt, sondern vielmehr werden die kristallisiert vorliegenden Anteile aufgelöst. Am Auslöser hingegen, der in die kühlere Wartekammer verbracht worden ist, kann nun die Kristallisation des Speichermediums erfolgen, während das übrige, im Behälter verbliebene Speichermedium nach wie vor flüssig bleibt und, nach Abgabe seiner fühlbaren Wärme, als unterkühlte Schmelze vorliegt. Wenn in diesem Zustand der unterkühlten Schmelze der Auslöser erneut in das Speichermedium eingebracht wird, löst er zuverlässig die Kristallisation des Speichermediums und damit die Freisetzung der darin enthaltenen latenten Wärme aus.
-
Die Dosierung der freigesetzten latenten Wärme kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, dass die Behälter, von denen ja vorzugsweise eine Mehrzahl vorgesehen ist, einzeln aktiviert werden können, d. h., individuell für jeden einzelnen Behälter oder ggf. für eine Gruppe von mehreren Behältern, nicht jedoch für die Gesamtheit sämtlicher Behälter, die Kristallisation des darin enthaltenen Speichermediums ausgelöst wird.
-
Um beim Einlagern der Wärme ein möglichst hohes Temperaturniveau im Behälter erzielen zu können, ist vorteilhaft vorgesehen, dass ggf. nur ein einzelner Behälter oder die erwähnte Gruppe von Behältern in den Fluidkreislauf des Wärmetauschers geschaltet werden kann. Dazu sind entsprechende Sperrventile an den einzelnen Behältern vorgesehen, so dass mittels des Wärmetauschers einerseits die Einlagerung solarer Wärme in bestimmte Speicherbehälter ermöglicht ist und andererseits die Entnahme der durch Kristallisation freigesetzten latenten Wärme nur von einem oder mehreren ausgewählten Behältern über das Systemfluid und den Wärmetauscher zu beispielsweise der Erwärmung von Brauchwasser oder für die Erwärmung des Heizungskreislaufes genutzt werden kann.
-
Vorteilhaft kann am Behälter ein Temperatursensor vorgesehen sein, der die Temperatur des Speichermediums erfasst, die nahe dem Behälterboden herrscht, Aufgrund der thermischen Schichtung ist dort die niedrigste Temperatur des Speichermediums zu messen. Wenn beispielsweise die Phasenwechseltemperatur bei 58°C liegen sollte, kann mittels einer Anlagensteuerung vorgesehen sein, Solarwärme in diesen Behälter einzulagern, bis dieser nahe dem Behälterboden eine Temperatur von beispielsweise 68°C aufweist. Da an dem Behälterboden die niedrigste im Behälter herrschende Temperatur zu erwarten ist, ist auf diese Weise zuverlässig sichergestellt, dass sich innerhalb des Behälters sämtliche eventuell vorhandenen Kristalle aufgelöst haben müssen, so dass beim anschließenden Abkühlen dieses Speicherbehälters unter die Phasenwechseltemperatur nicht mit einer unerwünschten automatischen Kristallisation des Speichermediums zu rechnen ist.
-
Mit Hilfe des erwähnten Temperatursensors kann zudem auch beim Abkühlen des Behälters der Temperaturverlauf des Behälters überwacht werden und beispielsweise festgestellt werden, dass ausschließlich der fühlbare Wärmeinhalt des Speichermediums entnommen wird und die Phasenwechseltemperatur unterschritten wird. Andernfalls kann, bei ungeplantem Freisetzen der latenten Wärme, auch dieser Vorgang mittels des Temperatursensors erfasst werden, so dass dieser Umstand bei der Steuerung der Heizungsanlage berücksichtigt werden kann, weil nun bekannt ist, dass aus diesem betreffenden Wärmespeicher keine weitere latente Wärme mehr entnommen werden kann, und wenn diese unerwünschte Kristallisation bei demselben Behälter mehrmals nacheinander festgestellt werden sollte, so kann dieser Behälter ausgetauscht, gereinigt oder repariert werden, um zukünftig derartig ungeplante Kristallisationen auszuschließen.
-
Um die Kristallisation des Speichermediums zuverlässig zu bewirken, welches sich an dem Auslöser befindet, kann beispielsweise eine möglichst schnelle Abkühlung des Auslösers vorgesehen sein. Hierzu kann beispielsweise ein Peltier-Element Verwendung finden, so dass der Auslöser, wenn er nicht mehr in das übrige Speichermedium eingetaucht ist, dementsprechend schnell abgekühlt werden kann und durch den Temperaturschock die Kristallisation des an ihm anhaftenden Speichermediums bewirkt.
-
Bei dem Wärmetauscher, der vorschlagsgemäß dem Wärmespeicher zugeordnet ist, kann es sich um einen in den Behälter integrierten oder um einen in Entfernung vom Behälter angeordneten externen Wärmetauscher handeln. Alternativ zu diesen beiden Ausgestaltungen kann der Behälter selbst doppelwandig ausgestaltet sein und dadurch den Wärmetauscher bilden, so dass von den beiden Fluiden, nämlich dem Speichermedium und dem Systemfluid, das eine im Behälterinnenraum und das andere zwischen den Behälterwänden vorgesehen ist.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der rein schematischen Darstellung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt
-
1 eine Anordnung von Wärmespeicherbehältern, und
-
2 in gegenüber 1 vergrößertem Maßstab eine schematische Ansicht eines Auslösers.
-
In 1 ist mit 1 ein Wärmespeicher bezeichnet, der aus mehreren Behältern 2 gebildet ist, wobei rein beispielhaft lediglich zwei Behälter 2 dargestellt sind. In den Behältern 2 befindet sich jeweils ein Speichermedium 3, wobei ein Salz als Phasenwechselmaterial vorgesehen ist.
-
Die Behälter 2 sind jeweils doppelwandig ausgestaltet und weisen jeweils eine Außenwand 4 auf, wobei zwischen den beiden Wänden des Behälters 2 ein Systemfluid 5 vorgesehen ist, beispielsweise Wasser, so dass über diese Systemflüssigkeit Wärme zur Beheizung des Speichermediums 3 in den Behälter 2 eingebracht werden kann, wenn nämlich beispielsweise das Systemfluid 5 solar beheizt wird, beispielsweise mit Hilfe von Solarkollektoren. Andererseits kann diese Systemflüssigkeit 5 zur Beheizung eines so genannten Tagesspeichers dienen, beispielsweise eines Schichtenspeichers, welcher nachts mit Wärme aufgeladen wird, indem das Systemfluid 5 diesen Schichtenspeicher durchströmt.
-
Einlässe 6 und Auslässe 7 für das Systemfluid 5 sind an den Behältern 2 vorgesehen, wobei mit Hilfe von Sperrventilen 8, von denen rein beispielhaft lediglich ein einziges dargestellt ist, gesteuert werden kann, welcher der mehreren Behälter 2 in den Fluidkreislauf des Systemfluids 5 eingebunden werden soll. Dabei kann eine Anordnung der Sperrventile 8 derart vorgesehen sein, dass jeder einzelne Behälter 2 in den Fluidkreislauf des Systemfluids 5 eingebunden werden kann. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Sperrventile 8 oder bei einer entsprechend geringeren Anzahl der überhaupt im gesamten Wärmespeicher 1 verbauten Sperrventile 8 kann vorgesehen sein, jeweils zwei oder mehr Behälter 2 gruppenweise in den Fluidkreislauf des Systemfluids 5 einzubinden. Auf diese Weise kann bei entsprechendem solaren Wärmeertrag nach und nach die Auffüllung der einzelnen Behälter 2 mit solarer Wärme erfolgen, und umgekehrt kann dementsprechend gezielt die Entnahme gespeicherter Wärme aus den einzelnen Behältern 2 mit Hilfe der Sperrventile 8 und des Systemfluids 5 erfolgen.
-
Die Behälter 2 sind jeweils von einer Isolierung 9 umgeben, um die in den jeweiligen Behälter 2 eingelagerte fühlbare Wärme so lange wie möglich im Behälter 2 halten zu können. An der inneren Behälterwand ist unten, im Bereich des Behälterbodens, ein Temperatursensor 10 vorgesehen, der zur Erfassung der jeweils niedrigsten Temperatur des Speichermediums in einen Behälter 2 dient, nämlich der Temperatur des Speichermediums im unteren Bereich des Behälters 2.
-
Von oben kann in jeden Behälter 2 ein Auslöser 11 eingebracht und in das Speichermedium 3 eingetaucht werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass jedem Behälter 2 ein eigener Auslöser 11 zugeordnet ist. Abweichend davon kann jedoch auch vorgesehen sein, einen Auslöser für zwei oder mehrere, gegebenenfalls für sämtliche Behälter 2 des Wärmespeichers 1 vorzusehen.
-
In 1 ist ein derartiger Auslöser 11 lediglich rein schematisch angedeutet und seine Auf- und Abbeweglichkeit ist mit einem Doppelpfeil angedeutet, um zu verdeutlichen, dass der Auslöser 11 wahlweise in eine untere Kontaktstellung gebracht werden kann, in welcher er in das Speichermedium 3 eintaucht, und in eine obere Wartestellung, in welcher er vom Speichermedium 3 beabstandet ist.
-
2 zeigt einen unteren Abschnitt des Auslösers 11 in einem gegenüber 1 größeren Maßstab, nämlich den Bereich des Auslösers 11, der in das Speichermedium 3 eintauchen kann: Dieser Bereich ist allseitig verrundet ausgeführt, weist also weder Spitzen auf noch scharfe Kanten, und weist zudem eine Vertiefung 12 auf, in der sich Speichermedium 3 sammelt, wenn der Auslöser 11 in seine Kontaktstellung gebracht und in das Speichermedium 3 eingetaucht ist.
