DE102010025076A1 - Latentwärmespeicher und Anordnung zu seiner Be- und Entladung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Verwendung eines vor mehrere Latentwärmespeicher vorgeschalteten Pufferspeichers sowie mehrerer wahlweise einzeln oder in Reihe angeordneten und geschalteten Latentwärmespeicher, die mit aus tiefgezogenen, flächenverklebten und beschichteten Aluminiumblechen bestehenden Plattenwärmetauschern ausgestattet sind. Durch diese Anordnung wird das bei den üblichen Speichermaterialien bestehende Problem der schlechten Wärmeleitung kompensiert.

Description

• Die Erfindung betrifft ein System aus einem vor mehrere Latentwärmespeicher (2) vorgeschalteten Pufferspeicher (1) sowie mehreren wahlweise einzeln oder in Reihe angeordneten und geschalteten Latentwärmespeichern (2), die mit aus tiefgezogenen, flächenverklebten und beschichteten Aluminiumblechen bestehenden Plattenwärmetauschern (3), wie sie in Kühlgeräten als Verdampfer Verwendung finden, ausgestattet sind. Als Speichermaterial dient ein Phasenwechselmaterial, dessen Schmelz-/Erstarrungstemperatur bei für Raumheizung geeigneter Temperatur liegt.
• Durch diese Anordnung wird das bei den meisten Speichermaterialien bestehende Problem der schlechten Wärmeleitung kompensiert.
• Die ganzjährige Nutzung von Sonnenenergie zu Heizzwecken scheitert an der Wärmespeicherung. Eine Möglichkeit, thermischer Energie zu Heizzwecken in Wohnhäusern zu speichern, besteht in der Verwendung von 20–30 m³ großen Wassertanks, wie sie die Fa. Jenni Energietechnik AG als Jahresspeicher vertreibt. Diese Speicherart ist aber wegen ihrer Größe nur für eigens hierfür konstruierte Neubauten geeignet.
• Eine Möglichkeit der Speicherung thermischer Energie mit relativ hoher Energiedichte besteht durch den Einsatz von Latentspeichern. Dabei wird die Schmelz bzw. Erstarrungsenthalpie von Materialien genutzt, deren Schmelz/Erstarrungstemperatur im Bereich der Anwendungs-/Umwandlungstemperatur eingesetzten Prozesse liegt. Derartige Materialien bezeichnet man als Latentspeichermaterialien (engl.: Phase change material – PCM).
• Den meisten Latentspeichermaterialien ist zu eigen, dass sie eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit (<0.5 W/mK) aufweisen. Um dieses Problem zu beheben, wurde bei bisherigen Lösungen das PCM entweder in kleine Volumina aufgeteilt, die einzeln oder in einer Schüttung von einem Wärmetransportmedium (meist Wasser) umspült wurden, oder es wurde versucht, die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern. Trotzdem führten diese Bemühungen nicht zum gewünschten Erfolg.
• In DE 103 38 318 A1 wird vorgeschlagen, dieses Problem mithilfe von gleichmäßig im Speichermaterial verteilten Kapillarrohren aus Kunststoff als Wärmetauscher zu umgehen. Dies führt aber zu dem Problem der Wasserpermeation. Das Speichermaterial reichert sich infolge Osmose allmählich mit Wasser an. In DE 103 38 318 B4 des selben Erfinders ist deshalb vorgesehen, diese Kapillarrohre als Kunststoff-Metallfolien-Verbund auszuführen.
• In DE 19533621 C2 und in DE 28 57 314 C3 wird wegen der schlechten Wärmeleitung des Speichermaterials vorgeschlagen, das Speichermaterial mit Wärmeträgeröl zu durchfluten, was aber einen hohen technischen Aufwand fordert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für den Wohnhausbestand geeignetes wirtschaftliches Wärmespeichersystem mit hoher Energiedichte bereitzustellen.
• In der vorliegenden Erfindung wird dies durch die Verwendung eines vorgeschalteten Pufferspeichers (1), durch die Schaltung der Latentspeicher wahlweise in Reihe oder einzeln und durch die großflächigen Plattenwärmetauscher (3) aus tiefgezogenen, flächenverklebten und beschichteten Aluminiumblechen gelöst.
• Der Pufferspeicher (1) hat die Aufgabe, bei großem Wärmeangebot, etwa tagsüber bei hoher Sonneneinstrahlung auf Kollektoren (4), die Energie schnell aufzunehmen. Die Energieabgabe an die Latentspeicher erfolgt hingegen andauernd ”rund um die Uhr”, solange ein Energieüberschuss besteht. Der Entladevorgang bei Wärmeanforderung durch Verbraucher, etwa zur Warmwasserbereitung oder zur Raumheizung, erfolgt sinngemäß umgekehrt. Durch die zeitliche Streckung des Lade/Entladeprozesses wird die schlechte Wärmeübertragung im Speichermaterial teilweise kompensiert.
• Ein weitere Kompensation der schlechten Wärmeübertragung im Speichermaterial wird durch die wahlweise Einzel- oder Reihenschaltung der Latentspeicher erreicht. In Reihe geschaltet addiert sich die Fläche der Wärmetauscher (3) und somit die Leistungsaufnahme oder Abgabe der einzelnen Latentwärmespeicher. Die Einzelschaltung hingegen lässt das gezielte Laden oder Entladen desjenigen Latentspeichers zu, der momentan das geforderte Temperaturniveau hat. Die Steuerung erfolgt über handelsübliche Prozessoren, Pumpen und Ventile. Somit ist eine optimierte Energieausnutzung möglich, wie sie bei schichtenden Wasserspeichern üblich ist und wie sie in DE 227 49 714 für Latentspeicher vorgeschlagen wird.
• Die Wärmeübertragung im Inneren des Latentwärmespeichers erfolgt erfindungsgemäß durch mehrere senkrecht im Speicher stehende Plattenwärmetauscher (3) aus tiefgezogenen, flächenverklebten und beschichteten Aluminiumblechen, wie sie als Verdampfer in Kühlgeräten gebräuchlich sind. Die senkrechte Anordnung der einzelnen Plattenwärmetauscher erlaubt dem Speichermaterial, sein Volumen beim Phasenwechsel zu ändern, ohne Druck auf die Wärmetauscher oder die Behälterwände auszuüben. Eine auf dem Speichermaterial schwimmende luftabschließende Schicht besteht aus spezifisch leichterem, nicht mit dem Speichermaterial reagierenden und im bestimmungsgemäßen Temperaturbereich flüssigem und nicht verdunstenden Material, etwa Paraffinöl, um einem allmählichen Wasserverlust des Speichermaterials durch Verdunstung vorzubeugen.
• Vorteilhaft ist eine Leistungsverstärkung des Wärmetauschers im unteren Bereich durch eine konzentrierte Anordnung der Leitungen (7) für das Wärmeträgermaterial, da die Speichermaterialien beim Aufschmelzen einer starken Volumenänderung unterliegen und sich das aufgeschmolzene, spezifisch leichtere Speichermaterial oben im Speicher sammelt. Ohne diese Leistungsverstärkung des Wärmetauschers im unteren Bereich ergäbe sich im Latentwärmespeicher eine Wärmeschichtung, die den oberen Teil des Wärmetauschers mangels Temperaturgefälle unwirksam macht, während sich im unteren Bereich noch nicht geschmolzenes Speichermaterial befindet.
• Eine andere Variante sieht vor, dass der Wärmetauscher unten abgewinkelt (5) ist, um dort mehr Platz für die Wärmeträgerleitung (7) zu schaffen.
• Zur Verhinderung der Wasserpermeation (Osmose) zwischen dem üblicherweise als Wärmeträger verwendetem Wasser und dem Salz des Speichermaterials besteht der Plattenwärmetauscher aus Metall. Eine korrosionshindernde Beschichtung z. B. aus Epoxyid oder Polyurethan verhindert zuverlässig Korrosion.
• Der Speicherbehälter (6) besteht sinnvollerweise aus Polypropylen, GFK oder einem anderem mindestens bis 90°C wärmebeständigen Kunststoff. Insbesondere für die Altbausanierung ist es vorteilhaft, die einzelnen Speicherbehälter in Größe und Form so zu gestalten, dass sie türgängig sind und in den üblicherweise niedrigen Kellern von Altbauten aufgestellt werden können. Die Wärmedämmung wird zur Begrenzung der Außenmaße der Speicher bauseitig angebracht.
• Es folgen 3 Blätter mit Zeichnungen
• 1 zeigt die Anordnung von Wärmequelle (4), Pufferspeicher (1) und Latentwärmespeichern (2) mit Plattenwärmetauschern (3).
• 2 zeigt den Latentwärmespeicher, bestehend aus Behälter (6), Plattenwärmetauschern (3) und Anschlüssen.
• 3 zeigt einen Plattenwärmetauscher (3), der unten abgewinkelt (5) und dessen Leitungsführung (7) im unteren Bereich konzentriert ist.
• Es bedeuten:
• Bezugszeichenliste

1

Pufferspeicher

2

Latentwärmespeicher

3

Plattenwärmetauscher im Latentwärmespeicher

4

Sonnenkollektor

5

Abwinkelung

6

Latentwärmespeicherbehälter

7

Leitungen für Wärmeträgerflüssigkeit

• 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 10338318 A1 [0006]
• DE 10338318 B4 [0006]
• DE 19533621 C2 [0007]
• DE 2857314 C3 [0007]
• DE 22749714 [0011]

Claims (10)

1. Anordnung von Wärmespeichern, bestehend aus einem vorgeschalteten Pufferspeicher und aus mehreren Latentwärmespeichern, die mit aus tiefgezogenen, flächenverklebten und beschichteten Aluminiumblechen bestehenden Plattenwärmetauschern ausgestattet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Be- und Entladevorgänge mittels Prozessor und Ventilen gesteuert sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Latentwärmespeicher wahlweise einzeln oder in Reihe geschaltet werden.
4. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Plattenwärmetauscher aus tiefgezogenen, flächenverklebten und beschichteten metallischen Blechen bestehenden.
5. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Plattenwärmetauscher mit korrosionsverhinderndem und chemikalienbeständigem Lack beschichtet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Plattenwärmetauscher unten abgewinkelt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Leitungsführung des Wärmetauschers im unteren Bereich konzentriert ist.
8. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Plattenwärmetauscher in einem Speicherbehälter parallel im Abstand von 50–100 mm angeordnet sind und an ihren Enden in Sammelleitungen zusammengefasst werden.
9. Anordnung nach Anspruch 1, bei der ein Phasenwechselmaterial eingesetzt wird, dessen Phasenwechseltemperatur zwischen 30 und 90°C liegt.
10. Anordnung nach Anspruch 1, bei der ein Material eingesetzt wird, welches anstelle eines Phasenwechsels eine chemische Reaktion vollzieht.

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