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Hochtemperaturschichtenspeicher (HTS) als Saisonaler Pufferspeicher auch im EFH Bereich
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Stand der Technik und Ausgangspunkt vorliegender Erfindung ist, daß thermische Energiespeicherung im Bereich rationeller Energieverwendung und bei der Nutzung erneuerbarer Energien wie z. B. Solarenergie oder Biogas eine Schlüsseltechnologie darstellen. Grundsätzlich muß ein solcher Speicher die zeitliche Verschiebung zwischen Bereitstellung und Bedarf der Energie überbrücken. Die Speicherung gewisser Energiemengen kann über kurze Zeiträume relativ einfach und preiswert in gut wärmegedämmten Wasserbehältern erfolgen. Einige Speichertechniken wurden in letzter Zeit entwickelt und repräsentieren den heutigen Stand der Technik, beispielsweise konvektive Speicher, Erdbeckenspeicher, Felskavernenspeicher, kombinierte konvektive/konduktive Speicher, Kies/Wasserspeicher, Latentwärmespeicher. Hier handelt es sich um Wärmespeicherung bei niedrigen Temperaturen.
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Alle angeführten Anlagen sind jedoch wegen des hohen baulichen Aufwandes relativ teuer.
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Zur detailliierten Darstellung der beschriebenen Varianten und deren Einsatzmöglichkeiten vgl. die ausführliche Darstellung in „Saisonale Wärmespeicherung im Untergrund – eine Lösung für die effiziente Wärmenutzung auch bei Biogas?”, Manfred Reus, ZAE Bayern. Dieses Dokument ist auch als Beschreibung des nächstkommenden Standes der Technik in Betracht zu ziehen.
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Von daher liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher vorzuschlagen, der hochwirksam, einfach und damit kostengünstig in seiner Herstellung und durch seine Modulbauweise leicht an unterschiedliche bauliche Gegebenheiten anpassbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch einen Hochtemperaturschichtenspeicher (HTS) gemäß Oberbegriff mit den zusätzlichen Merkmalen von Patentanspruch 1.
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Stahlbetonmodule mit Einbauteilen zur Betonkernaktivierung.
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Die Module 1–2 werden in geölter Wandschalung aus Beton z. B. C25/30XC4 XF 1 DIN 1045 entsprechend dem Schalungsplan 7–9 hergestellt. Die eingebauten Heizungsrohre, sogenannte Register 3–4 werden aus nahtlosen Stahlrohren DIN d = 20 mm gebogen und Innengewindemuffen angeschweißt.
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Zur Fixierung werden die Register mit Betonbindedraht im Bewehrungskorb 10–12 angeheftet. Die Bewehrung besteht entsprechend der statischen Berechnung des Ing.-Büro Mitter-Mang, aus Betonstahl DIN 488/1045. Im einzelnen werden Baustahlmatten mit zu U-förmigen Bügeln gebogen und mit geraden Baustahlmatten und Rundstahlbügeln mit Betonbindedraht zu einem geschlossenen Mattenkorb verbunden. Zum Einhalten der in DIN 1045 vorgeschriebenen Betondeckung werden Abstandhalter (z. B. aus Faserbeton) angebracht. Das so entstandene Geflecht wird an den 4 Innengewindemuffen mit abgeschrägtem Eck der Schalung, mit Schrauben befestigt. Als weiteres Einbauteil wird die Hülse für den Temperaturfühler, ebenfalls am abgeschrägten Eck mit einer Schraube befestigt. Ankeröffnungen die beim Zusammenschrauben der beiden seitlichen Schalungsplatten entstehen werden später zum Verbinden der Module untereinander verwendet. Die Inschrift „RAMSL” entsteht durch ein am Boden und Seite der Schalung eingelegtes Relief. Die seitlichen Kanten sind angeschrägt, um ein leichteres Entfernen der Schalung ohne Betonausbrüche zu ermöglichen. Zum Transportieren und Montieren werden in die Seitenflächen jeweils zwei Innengewindehülsen zur späteren Aufnahme der Transportschlaufen einbetoniert. Sobald der in die Schalung eingefüllte Beton eine Druckfestigkeit von mindestens 10 N/mm2 erreicht hat, kann die Schalung entfernt werden. Vor dem Probespeichern wird in die Hülse der Temperaturfühler eingebaut, um die Temperatur entsprechend dem Aufheizprotokoll, des Ing. Büro Rudolf Strasser zu steuern. Erst nach Erreichen einer Druckfestigkeit von ca. 35 N/mm2 wird durch die eingebauten Heizungsrohre entsprechend dem vorgegebenen Programm warmes Wasser gepumpt. Dadurch wird gleichzeitig das freie Anmachwasser ausgetrieben, die Module werden getrocknet und die Funktionstauglichkeit überprüft. Über die von dem in die Hülse eingebauten Temperaturfühler angezeigte Temperatur wird später in der Steuerung der Schichtenrang geregelt. Bei der Montage können mehrere Module zu einer Batterie zusammen geschraubt werden. Montage der WÄDÄ nach Herstellerangaben des jeweils verwendeten Fabrikates. In den mit Wädäplatten ausgelegten Fugen zwischen den Modulen können weitere Leitungen und Kabel verlegt werden. Die Fugen dienen außerdem dazu Längenänderungen, die aufgrund der Temperaturschwankungen auftreten, auszugleichen. Die Anzahl der Batterien ergibt sich aus der zu speichernden Wärmemenge. Die Wärmemenge wird üblicherweise bei der Ausstellung des bei beheizten Gebäuden ab Bj. 2002 gesetzlich vorgeschriebenen Energieausweises ermittelt. Als Wärmedämmung werden zur Zeit je nach Einbauart und Ort verschiedene Dämmstoffe und Dämmstoffstärken, u. a. Styrodur und Glasschaumschotter erprobt. Die Anlage wird dann von einem Heizungsmonteur zwischen bauseits vorhandener oder neu errichteter Solaranlage (Wärmegewinnungsanlage) und Heizungsanlage installiert.
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Vorteile:
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Beton kann gegenüber Wasser wesentlich höhere Temperaturen im entscheidenden Bereich über 50–400°C speichern. Somit sind die Hochtemperaturspeichermodule aus Beton für eine Vielzahl von Energiegewinnungsarten als Saisonaler Pufferspeicher einsetzbar. Z. B. kann er von Solarkollektoren im Sommer aufgeladen werden und gibt die gespeicherte Energie in der Heizperiode an den Heizungskreislauf wieder ab. Weitere Einsatzbereiche sind Biogasanlagen, Blockkraftwerke, Holzkessel bzw alle Anlagen bei denen überschüssige Wärmeenergie saisonal anfällt. Die Anzahl der Batterien ist unbegrenzt und kann variiert werden. Der Einbau ist stehend, liegend und verschwenkt möglich. Der vorgesehene Einbauort gibt die geometrische Form vor, dennoch gibt es sehr viele Möglichkeiten. Die Anlagen können auch ohne Platzverlust überbaubar gebaut werden. 13–18 zeigen eine weiter Varianten zur Ausführung. Ein zusätzlicher Vorteil bietet sich im Einbau im Boden durch die im Untergrund vorhandene Temperatur von ca. 10°C. Dadurch ist im Winter das Temperaturgefälle im Vergleich zur Außenluft im kleiner. Die Module werden im Betonwerk vorproduziert. Sämtliche Bauteile bestehen aus Normteilen. Bei einem Gewicht von ca. 1 t sind die Elemente mit gebräuchlichen Hebe- und Transportgeräten leicht zu bewegen.
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Alle Anlagen können wirtschaftlich hergestellt und wartungsfrei betrieben werden. Der Trick mit dem ”schrägen” Eck bietet durch entsprechende Anordnung der Module einen Installationsschacht für die zu verlegenden Anschlussrohre und Kabel. Somit kann die Wärmedämmung ohne zusätzliche Ecken und Kanten geradlinig angebracht werden. Durch eine Montage einer entsprechenden Steuerung kann die Anlage als Schichtenspeicher installiert werden. Die Vorteile ergeben sich in der wesentlich besseren Ausnutzung der gespeicherten Energie.
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1 Speichermodul Perspektive
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2 Speichermodul Perspektive 90° gedreht
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3 Speichermodul Perspektive mit Darstellung der Register und Hüllrohr für Sensor
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4 Speichermodul Draufsicht mit Register, Hüllrohr und Ankeröffnungen
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5 Grundriss Garage mit Darstellung der Batterieanordnung
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6 Schnitt Garage mit Darstellung der Batterieanordnung
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7 Schalungsplan Längsschnitt mit Darstellung der Einbauteile
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8 Schalungsplan Querschnitt mit Darstellung der Einbauteile
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9 Schalungsplan Grundriss
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10 Schalungsplan Längsschnitt mit Darstellung der Bewehrungsanordnung und Einbauteile
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11 Schalungsplan Querschnitt mit Darstellung der Bewehrungsanordnung und Einbauteile
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12 Schalungsplan Grundriss mit Darstellung der Bewehrungsanordnung und Einbauteile
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13 Querschnitt Aufbauvariante
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14 Perspektive Aufbauvariante
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15 Speichermodul Rund Perspektive
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16 Speichermodul Rund Perspektive 90° gedreht
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17 Speichermodul Rund mit Einbauteilen Perspektive
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18 Speichermodul Rund mit Register und Hüllrohr
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19 Querschnitt Aufbauvariante Rund
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20 Grundriss Aufbauvariante Rund
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 1045 [0006]
- DIN 488/1045 [0007]
- DIN 1045 [0007]
