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Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicherbehälter zum Speichern eines Wärmeträgerfluids, insbesondere zum Speichern von Warmwasser, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Speichern eines Wärmeträgerfluids in einem Wärmespeicherbehälter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
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Vorrichtungen zum Speichern von thermischer Energie, also von Wärme, eines Wärmeträgerfluids, sogenannte Wärmespeicherbehälter, sind allgemein bekannt. Sie besitzen ein breites Anwendungsspektrum und werden beispielsweise in Heizungsanlagen oder zur Warmwasserspeicherung in Gebäuden eingesetzt. Bei dem Wärmeträgerfluid handelt es sich gewöhnlich um Heizungs- beziehungsweise Warmwasser. Wasser ist zum Speichern von Wärme aufgrund seiner sehr hohen Wärmekapazität und seiner relativ niedrigen Viskosität besonders gut geeignet. Bei den Wärmespeicherbehältern unterscheidet man vor allem zwischen sensiblen Wärmespeicherbehältern und Latentwärmespeichern. Sensible Wärmespeicher zeichnen sich dadurch aus, dass sie beim Lade- und/oder Entladevorgang, das heißt beim Einschichten oder Abgeben des Wassers, ihre „fühlbare” Temperatur verändern. Dies sind zum Beispiel Pufferspeicher in Heizungsanlagen.
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Dabei geht bei der Temperaturänderung während des Lade- und/oder Entladevorgangs ein Anteil der zu speichernden Wärme verloren, beispielsweise durch eine schlechte Wärmedämmung des Behälters an sich. Um die Wärmedämmung zu verbessern, ist eine Erhöhung der Wärmedämmungsschicht jedoch nur begrenzt möglich und auch sinnvoll, da mit steigender Schichtdicke die wärmeabgebende Fläche des meist zylinderförmigen Wärmespeicherbehälters steigt. Eine ebenfalls bessere Wärmedämmung ließe sich auch durch die Verwendung eines stärker wärmedämmenden Materials erreichen. Die Nachteile dieser Lösungen sind jedoch die erforderlichen konstruktiven Änderungen des Wärmespeicherbehälters und die dadurch entstehenden Kosten.
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Latentwärmespeicher gemäß dem Stand der Technik zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Allgemeinen thermische Energie verlustarm, mit vielen Wiederholungszyklen und über einen langen Zeitraum speichern können. Neben anderen Lösungen verwendet man dabei optional als Speichermedien sogenannte Phasenwechselmaterialien, deren latente Schmelzwärme wesentlich größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität speichern können. Latentwärmespeicher nutzen die Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen des Speichermediums aus. Die Ausnutzung des Phasenübergangs von fest zu flüssig bzw. umgekehrt ist dabei das am häufigsten verwendete Prinzip. Beim Aufladen, also beim Befüllen des Wärmespeicherbehälters beziehungsweise des Speichermediums mit Wasser, wird dieses in der Regel geschmolzen, wobei das Speichermedium sehr viel thermische Energie, in diesem Fall Schmelzwärme, aufnehmen kann. Da dieser Vorgang reversibel ist, gibt das Speichermedium genau diese Wärmemenge beim Erstarren wieder ab.
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Der Vorteil der Latentwärmespeicher beruht darauf, in einem durch die Schmelztemperatur des eingesetzten Speichermediums genau festgelegten Temperaturbereich möglichst viel Wärmeenergie in möglichst wenig Masse zu speichern. Die Nutzung eines Phasenübergangs ist dabei wesentlich effektiver als die bloße Erwärmung des Mediums. Nachteilig an bekannten Latentwärmespeichern sind einerseits die relativ hohen Kosten und dass diese nicht direkt in den Kreislauf einer Heizungsanlage oder einer Warmwasserbereitung integrierbar sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum energieeffizienten Speichern eines Wärmeträgerfluids zu schaffen, in dem die Vorteile der sensiblen Wärmespeicher und/oder der Latentwärmespeicher vereint sind und so die durch Wärmeübertragung an die Umgebung des Wärmespeicherbehälters entstandenen Wärmeverluste minimal sind.
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Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und des Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der erfindungsgemäße Wärmespeicherbehälter zum energieeffizienten Speichern eines Wärmeträgerfluids, insbesondere zum Speichern von Warmwasser wie Heizungswasser, umfasst eine einen Innenraum definierende Seitenwandung und eine Wärmedämmungseinrichtung zum Reduzieren einer Wärmeübertragung von dem Wärmeträgerfluid zu der Seitenwandung, insbesondere eine zumindest teilweise innerhalb der Seitenwandung angeordnete Wärmedämmungseinrichtung und/oder eine außerhalb der Seitenwandung angeordnete Wärmedämmungseinrichtung, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise innerhalb der Seitenwandung angeordnete Wärmedämmungseinrichtung Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung von dem Innenraum zu der Seitenwandung aufweist, welche zumindest teilweise von dem Wärmeträgerfluid durchströmbar ausgeführt sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters ist vorgesehen, dass die Mittel mindestens eine zumindest teilweise durchströmbare Speicherschicht umfassen, welche den Innenraum zu der Seitenwandung abgrenzt.
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Dabei ist in einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters vorgesehen, dass die mindestens eine zumindest teilweise durchströmbare Speicherschicht ein Phasenwechselmaterial aufweist, welches von dem Wärmeträgerfluid durchströmbar ist. Vorzugsweise besteht hierbei die Speicherschicht aus einem porösen Polymermaterial, wahlweise mit Leerraumanteil, Dieses ist selbst ein Phasenwechselmaterial oder weist eine Komponente aus einem Phasenwechselmaterial auf und ist hinreichend gut durchström bar.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters ist vorgesehen, dass die mindestens eine Speicherschicht einen Wärmeträgerfluidzulauf aufweist, über den das Wärmeträgerfluid dem Wärmespeicherbehälter zuführbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters ist vorgesehen, dass die mindestens eine Speicherschicht einen Wärmeträgerfluidablauf aufweist, über den die mindestens eine Speicherschicht fluidisch mit dem Innenraum verbunden ist, um das durch die mindestens eine Speicherschicht strömende Wärmeträgerfluid dem Innenraum zuzuführen.
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In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters ist vorgesehen, dass die mindestens eine durchströmbare Speicherschicht mit wärmedämmender Funktion Strömungsleitmittel aufweist, um das durchströmende Wärmeträgerfluid zu leiten. Hierbei wird jedoch eine Hauptströmungsrichtung des Wärmeträgerfluids in der zumindest teilweise durchströmbaren Wärmedämmungseinrichtung vorteilhafterweise beibehalten. Diese Hauptströmungsrichtung verläuft vorzugsweise vom Wärmeträgerfluidzulauf zum Wärmeträgerfluidablauf. Weiterhin kann durch die Strömungsleitmittel die Zeit, in der das Wärmeträgerfluid die mindestens eine Speicherschicht durchströmt, verlängert werden.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters ist vorgesehen, dass die Mittel mindestens eine Wärmedämmungsschicht umfassen, welche seitlich der mindestens einen Speicherschicht angeordnet ist. Diese Wärmedämmungsschicht kann beispielsweise aus einem wärmedämmenden Material bestehen oder als Vakuumisolationsschicht ausgeführt sein.
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In noch einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters ist vorgesehen, dass die Mittel mindestens eine, bevorzugt mindestens zwei, fluidundurchlässige Sperrschichten umfassen, welche die mindestens eine Speicherschicht zumindest gegenüber der Seitenwandung, bevorzugt gegenüber der Seitenwandung und/oder gegenüber dem Innenraum, abgrenzen.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters ist vorgesehen, dass die Mittel eine in dem Innenraum angeordnete Ausdehnungsseinrichtung umfassen, wobei die Ausdehnungseinrichtung von dem Wärmeträgerfluid durchströmbar ausgeführt ist.
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In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters ist vorgesehen, dass die Ausdehnungseinrichtung eine zumindest teilweise dehnbare Wandung aufweist, welche einen Ausdehnungsraum bildet. Diese Wandung kann sich in Abhängigkeit des durch das durchströmende Wärmeträgerfluid ausgeübten Druckes ausdehnen, wobei ihre maximal mögliche Ausdehnung von dem Volumen der Ausdehnungseinrichtung begrenzt wird.
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In einer noch weiter vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters ist vorgesehen, dass die Ausdehnungseinrichtung zumindest eine Eingangsöffnung aufweist, welche fluidisch mit dem Wärmeträgerfluidablauf der mindestens einen Speicherschicht verbunden ist.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters ist vorgesehen, dass die Ausdehnungseinrichtung eine Ausgangsöffnung aufweist, welche fluidisch mit dem Innenraum verbunden ist.
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In einer anderen noch weiter vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters ist vorgesehen, dass die Ausdehnungseinrichtung eine Druckbeaufschlagungseinrichtung aufweist. Mit dieser Druckbeaufschlagungseinrichtung kann ein Gegendruck auf die gegebenenfalls elastische Wandung beziehungsweise auf das innerhalb der Wandung durchströmende Wärmeträgerfluid ausgeübt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Speichern eines Wärmeträgerfluids in einem Wärmespeicherbehälter, insbesondere zum Speichern von Warmwasser, bei dem eine erste Wärmeübertragung vom Innenraum durch die Seitenwandung mittels einer zumindest teilweise innerhalb einer Seitenwandung angeordneten Wärmedämmungseinrichtung reduziert wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Reduzieren den Schritt Durchströmen der zumindest teilweise innerhalb der Seitenwandung angeordneten Wärmedämmungseinrichtung in eine erste Richtung umfasst. Das Durchströmen erfolgt bevorzugt mit Warmwasser oder Heizungswasser.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Reduzieren weiter den Schritt umfasst: Erzeugen einer zweiten Wärmeübertragung in eine zweite Richtung, die unterschiedlich zu der Richtung der ersten Wärmeübertragung ist. Die erste Richtung ist beispielsweise eine Richtung quer zu einer Längserstreckung des Wärmebehälters. Die zweite Richtung ist beispielsweise eine Längsrichtung des Wärmespeichers oder eine Vertikalrichtung innerhalb des Wärmespeichers.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälter und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum energieeffizienten Speichern eines Wärmeträgerfluids werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
Durch eine gezielte Strömungsführung des nachströmenden kälteren Wärmeträgerfluids durch die durchströmbare Speicherschicht des Wärmeträgerbehälters kann die innenseitige Oberflächentemperatur der Seitenwandung des Wärmespeicherbehälters vermindert werden. Die Seitenwandung wird also in den Phasen, in denen das Wärmeträgerfluid abgelassen und/oder zugeführt wird, quasi aktiv gekühlt. Dadurch wird die Wärmeübertragung über die Seitenwandung, insbesondere nach außen, in diesen Phasen reduziert. Zum einen wird durch die mehrfache Umleitung des Wärmeträgerfluids in der Speicherschicht durch die Strömungsleitmittel ein Fortschreiten der Erwärmung der Seitenwandung abgebremst. Zum anderen bewirkt das optimale und immobilisierte Phasenwechselmaterial der Speicherschicht eine zeitliche Verzögerung der Erwärmung. Dadurch ist das nachfließende kältere Wärmeträgerfluid bereits vorgewärmt, bevor es in den Innenraum des Wärmespeicherbehälters gelangt.
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Weiterhin sind nur geringfügige konstruktive Änderungen notwendig, um an einem herkömmlichen Wärmespeicher die erfindungsgemäßen Verbesserungen zu erreichen. Es ist beispielsweise kein Wechsel des Wärmedämmungsmaterials oder eine verstärkte Wärmedämmung notwendig.
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Ist der Wärmespeicherbehälter zusätzlich mit einer Ausdehnungseinrichtung ausgestattet, ergeben sich weitere Vorteile:
Bei dem Ablassen des Wärmeträgerfluids aus dem Wärmespeicherbehälter strömt das Wärmeträgerfluid aus der Ausdehnungseinrichtung, sodass diese nach dem Ablassen nahezu leer ist. Erst dann wird der Wärmeträgerzulauf geöffnet und kälteres Wärmeträgerfluid strömt nach. Zur Absenkung der zeitabhängig ansteigenden Seitenwandungstemperatur kann in größeren Zeitabständen Wärmeträgerfluid zugeführt werden. Dieses zugeführte Wärmeträgerfluid kühlt die Seitenwandung und nimmt dadurch Wärme auf, bevor es in die Ausdehnungseinrichtung gelangt.
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Die Zeichnungen stellen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:
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1: einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters in einer ersten Ausführungsform,
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2: ein Detail A aus der 1,
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3: eine weitervergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus dem Detail A,
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4: eine schematische, perspektivische Außenansicht eines erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters,
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5: einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters in einer zweiten Ausführungsform in einem ersten Zustand, und
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6: einen schematischen Querschnitt der zweiten Ausführungsform nach 5 in einem zweiten Zustand.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälter 1 zum energieeffizienten Speichern eines Wärmeträgerfluids in einer ersten Ausführungsform. Der Wärmespeicherbehälter 1 umfasst eine einen Innenraum 2 definierende Seitenwandung 3, und eine Wärmedämmungseinrichtung 4 zum Reduzieren einer Wärmeübertragung von dem Wärmeträgerfluid zu der Seitenwandung 3. Bei dem Wärmeträgerfluid handelt es sich beispielsweise um Warmwasser oder Heizungswasser.
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Der Wärmespeicherbehälter 1 ist in der 1 als im Wesentlichen zylindrischer Behälter ausgebildet, der sich axial in eine Längsrichtung erstreckt. Quer zu der Längsrichtung erfolgt beispielsweise ein Wärmetransport von dem Wärmeträgerfluid zu der Seitenwandung 3. Weiterhin zeigt die 1 ein Detail A.
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Das Detail A aus der 1 ist in der 2 in einer vergrößerten Darstellung gezeigt. Die Wärmedämmungseinrichtung 4 umfasst demnach eine zumindest teilweise außerhalb der Seitenwandung 3 angeordnete Wärmedämmungseinrichtung 41 und eine innerhalb der Seitenwandung 3 angeordnete Wärmedämmungseinrichtung 42. In dieser beispielhaft gewählten Ausführung erstreckt sich die innere Wärmedämmungseinrichtung 41 nahezu über die gesamte Höhe der Seitenwandung 3 (siehe auch 1). Diese weist weiterhin Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung von dem Innenraum 2 zu der Seitenwandung 3 auf, wobei diese Mittel teilweise von dem Wärmeträgerfluid durchströmbar ausgeführt sind. Die Richtung der Wärmeübertragung vom Innenraum 2 zur Seitenwandung 3 ist mit einem Pfeil 7 gekennzeichnet. Der andere Pfeil 6 kennzeichnet die Richtung der Wärmeübertragung innerhalb der durchströmbaren Mittel. Dabei wird die Wärmeübertragung senkrecht der Seitenwandung 3 (Pfeil 7) durch die gezielt herbeigeführte Wärmeübertragung in der Wärmedämmungseinrichtung 4 längs der Seitenwandung 3 (Pfeil 6) reduziert. Findet innerhalb der Wärmedämmungseinrichtung 4 eine mehrfache Umlenkung der Strömung statt, so erfolgt auch ein effektiver Wärmetransport entgegen der Richtung des Pfeils 7.
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Zu sehen sind in dieser vergrößerten Darstellung die Mittel zur Reduzierung der Wärmeübertragung. Diese umfassen eine Speicherschicht 5, optional aus wärmedämmendem Material ausgeführte Strömungsleitmittel 52 (siehe 3), zwei Sperrschichten 20 und eine Wärmedämmungsschicht 10. Die Speicherschicht 5 ist auf ihren beiden Seiten von je einer Sperrschicht 20 begrenzt. Die Hauptströmungsrichtung des Wärmeträgerfluids in der Speicherschicht 5 verläuft – hier nicht gekennzeichnet – von oben nach unten. Sie entspricht der Wärmeübertragungsrichtung in der Wärmedämmungseinrichtung 4 längs der Seitenwandung 3 (Pfeil 6). Auf der zum Innenraum 2 weisenden Seite der Speicherschicht 5 ist hinter der Sperrschicht 20 noch eine Wärmedämmungsschicht 10 angeordnet, welche eine zusätzliche Reduzierung der Wärmeübertragung in Richtung des Pfeiles 7 bewirken soll. Die Speicherschicht 5 umfasst gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 ein Phasenwechselmaterial 51, welches von dem Wärmeträgerfluid durchströmbar ist. Die Strömungsleitmittel 52 sind (in dieser Darstellung nicht sichtbar) in die Speicherschicht 5 eingebettet.
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Die 3 zeigt einen weiter vergrößerten Ausschnitt aus dem Detail A gemäß der 2. Hier sind die in die Speicherschicht 5 eingebetteten Strömungsleitmittel 52 zu sehen. Sie leiten das einströmende Wärmeträgerfluid beim Durchströmen der Speicherschicht 5 derart, dass die hier nicht gekennzeichnete Hauptströmungsrichtung von oben nach unten bzw. die effektive Strömungsrichtung zischen Ein- und Austritt beibehalten wird. Durch die Strömungsleitmittel 52 verlängert sich neben dem Weg des Wärmeträgerfluids auch die Zeit, die das nachgeströmte und somit kühlere Wärmeträgerfluid in der Speicherschicht 5 verbleibt. Dadurch ist der Temperaturübertrag vom Phasenwechselmaterial 51 auf das kälter nachströmende Wärmeträgerfluid größer.
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Die 4 zeigt eine schematische Außenansicht eines erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters 1. In dieser Darstellung ist ein axial angeordneter Wärmeträgerfluidzulauf 8 zu sehen. Ein tangential angeordneter Wärmeträgerfluidzulauf ist auch möglich. Über den Wärmeträgerfluidzulauf 8 wird das Wärmeträgerfluid dem Wärmespeicherbehälter 1 zugeführt und über eine hier nicht sichtbare Einströmöffnung gelangt es in die Speicherschicht 5. Mit dem Wärmeträgerfluidzulauf 8 wird eine möglichst homogene Verteilung des Wärmeträgerfluids entlang des gesamten Behälterumfangs gewährleistet. Beispielsweise wird dies mittels einer ringförmigen Fluidverteilungseinrichtung 81 entlang des Behälterumfangs erreicht, wobei diese eine Vielzahl von Öffnungen nach unten aufweist. Durch die hier nicht sichtbaren Öffnungen kann das Wärmeträgerfluid der Schwerkraft oder den Druckverhältnissen entsprechend in die Wärmedämmungseinrichtung 4 beziehungsweise in deren Speicherschicht 5 einströmen. Die Größe der Öffnungen ist dabei so gewählt, dass über den Behälterumfang eine gleichmäßige Ausströmung entsteht.
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Weiterhin weist die Speicherschicht 5 einen hier nicht sichtbaren Wärmeträgerfluidablauf auf, über den die Speicherschicht 5 über eine hier nicht sichtbare Ausströmöffnung fluidisch mit dem Innenraum 2 verbunden ist und so das durch die Speicherschicht 5 strömende Wärmeträgerfluid dem Innenraum 2 zugeführt wird. Entsprechend der Hauptströmungsrichtung des Wärmeträgerfluids von oben nach unten befindet sich der Wärmeträgerfluidzulauf 8 im oberen Bereich des Wärmespeicherbehälters 1 und der Wärmeträgerfluidablauf im unteren Bereich des Wärmespeicherbehälters 1.
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Die 5 und 6 zeigen jeweils einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmespeicherbehälters 1 in einer zweiten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform umfasst der Wärmespeicherbehälter 1 im Innenraum 2 eine zusätzliche Ausdehnungseinrichtung 30 mit einer Eingangsöffnung 31 und einer Ausgangsöffnung 32. Durch die Eingangsöffnung 31, welche im unteren Bereich des Wärmspeicherbehälters 1 in der Nähe des Wärmeträgerfluidablaufs angeordnet ist, strömt das Wärmeträgerfluid in einen Ausdehnungsraum 35 beziehungsweise 36, welcher von einer dehnbaren Wandung 33 begrenzt wird. Durch die Ausgangsöffnung 32 strömt das Wärmeträgerfluid in den Innenraum 2 des Wärmespeicherbehälters 1. Weiterhin umfasst die Ausdehnungseinrichtung 30 in dieser Ausführungsform eine Druckbeaufschlagungseinrichtung 34. Die Druckbeaufschlagungseinrichtung 34 dient dazu, dass bei einem Ablassen des Wärmeträgerfluids aus dem Innenraum 2 der Druck in der Ausdehnungseinrichtung 30 aufrecht gehalten wird und somit der fluidspeichende Raum 35, 36 gezielt geleert wird. Es ist somit zum Beispiel nach einer Zapfung der Ausdehnungsraum 35, 36 leer. Er wird von Zeit zu Zeit über die Eingangsöffnung 31 gefüllt befüllt, um den Randbereich mittels Durchströmen der Speicherschicht 5 kühl zu halten. Weiterhin kann durch die Druckbeaufschlagungseinrichtung 34 geregelt werden, wieviel Wärmeträgerfluid in die Ausdehnungseinrichtung 30 einströmen kann, indem ein definierter Vordruck beaufschlagt wird. Bei der Druckbeaufschlagungseinrichtung 30 handelt es sich beispielsweise um eine Gasdruckbeaufschlagungseinrichtung.
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Die 5 zeigt einen ersten Zustand der Ausdehnungseinrichtung 30 im Innenraum 2 des Wärmespeicherbehälters 1. Die Wandung 33 des Ausdehnungsraumes 35 ist hier quasi nicht ausgedehnt. Je nach beaufschlagtem Druck des Wärmeträgerfluids dehnt sich die Wandung 33 aus. Dies ist in der 6 gezeigt. Der Ausdehnungsraum 36 kann dabei maximal auf das Volumen der gesamten Ausdehnungseinrichtung 30 ausgedehnt werden.
