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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum drucklosen Speichern von Wärme oder Kälte. Anwendung findet eine derartige Vorrichtung insbesondere für die Wärme- und/oder Kältespeicherung in Energieversorgungssystemen, bei energetischen Sanierungsmaßnahmen im vorhandenen Gebäudebestand, in Energieeffizienzsystemen (z. B. Sonnenenergiehäuser) aber auch für die Prozesswärme- und -kältespeicherung im industriellen Einsatz.
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Die Verfügbarkeit eines geeigneten Wärmespeichers in regenerativen Energiesystemen, z. B. beim Einsatz in energieeffizienten Wohngebäuden mit solarthermischen Anlagen von mehr als 10 m2 Kollektorfläche, wird zunehmend zum Nadelöhr. Bedingt durch seine Größe muss ein derartiger Speicher bei einem Neubau entweder zu Baubeginn auf der Fundamentplatte bzw. vor Errichtung der Dachkonstruktion installiert werden. Dabei wird der Wärmespeicher komplett an die Baustelle angeliefert, insofern seine Abmessungen einen Straßentransport zulassen, oder aber auf der Baustelle oder im Gebäude aus Einzelsegmenten zusammengesetzt (z. B. Platzschweißung bei Stahl oder Zusammensetzen und Laminieren bei Kunststoffspeichern). Beispiele hierzu sind in [1] und [2] aufgezeigt.
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Die überwiegende Anzahl der Wohngebäude besteht jedoch nicht aus Neubauten sondern aus Bestandsgebäuden. Hier begrenzen bei einem nachträglichen Einbau von Speichern mit mehr als 2 m3 Speichervolumen beengte Zugänge, wie Treppen, enge Gänge, Luken, die zur Verfügung stehende Fläche und vor allem die Raumhöhe (max. mögliches Kippmaß des Speichers beim Einbringen) die Einsatzmöglichkeiten. In der Regel kann das verfügbare Raumvolumen des vorgesehenen Aufstellraumes nur ungenügend in nutzbares Speichervolumen umgesetzt werden, da dann Speicherkaskaden aus kleinen Einzeltanks (siehe [3]), im Keller aus Segmenten zusammengeschweißte Stahltanks (siehe [4]), die in der Regel eine Zylinderform aufweisen (eckige meist drucklos betriebene Stahltanks (siehe [5]) sind die Ausnahme und lassen auch nur bedingt eine bessere Raumausnutzung zu) und zylindrische Speicher aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) (siehe [2]), die z. B. aus Einzelsegmenten im Keller zusammengesetzt und laminiert werden, eingesetzt werden.
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Bedingt durch hohe Kosten für umbauten Raum müssen die verfügbaren Kubaturen der geeigneten Räumlichkeiten für Gebäudetechnik maximal genutzt werden. Alle bekannten Wärmespeicher beanspruchen konstruktions- und/oder montagebedingt wesentlich mehr Raum als das eigentliche Speichervolumen. Dies betrifft vor allem die Ausnutzung verfügbarer Raumhöhen sowie die zwangsläufige Ausbildung „toter” Ecken bei zylindrischen Speichern.
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Eine Lösung dieses Problems wird mit dem Konzept eines modular aufgebauten drucklosen Speicher der Fa. FSAVE aus Kassel angeboten (siehe
DE 10 2008 036 669 A1 ). Konzeptionell wird hierbei der Speicheraufbau in drei Funktionaleinheiten zerlegt: a) mechanische Stabilität durch einen Käfig aus Stahl-Einzelrahmen, die vor Ort verschraubt werden müssen, b) thermische Isolation durch Einsatz von sog. Sandwichplatten, c) wasserdichte Innenhülle durch Verwendung eines vulkanisierten flexiblen Kautschukbehälters oder PP-H Abdichtung aus Einzelplatten vor Ort. Der Montage- und Materialaufwand für diese Lösung ist relativ hoch und die garantierte Dauertemperaturbelastung hingegen mit 75°C relativ niedrig.
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Eine weitere Problemlösung wird durch das Konzept für einen modularen Kunststoffspeicher der Fa. Bunksolar S. L. San Fulgencio (ALICANTE)/Spanien aufgezeigt (siehe [6]). Hierbei werden auch Kunststoff-Sandwichbauteile, allerdings mit thermoplastischen Deckschichten (Polypropylen PP), verbaut. Bei dieser Lösung ist es erforderlich die Fügestellen sowohl von Innen als auch von außen zu verschweißen, so dass sowohl bezüglich der Raumlänge, -breite und -höhe eine entsprechende Montagefreiheit gewährleitet sein muss, die trotz kubischer Speichergeometrie eine optimale Raumausnutzung verhindert. Außerdem muss ein solcher Speicher ab bestimmten Abmessungen zusätzlich statisch verstärkt werden. Das thermische Be- und Entladen erfolgt nicht über Schichtenlader(-Module) sondern über mehrere unterschiedlich angeordnete Well-Rohr-Wärmetauscher. Auch damit lässt sich eine Temperaturschichtung aufbauen, jedoch mit wesentlich höherem anlagentechnischem Aufwand und der damit verbundenen größeren Anzahl von Fehlerquellen (zusätzliche Temperatursensoren, Ventile, Steuerungsaufwand).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine hocheffiziente Vorrichtung zum drucklosen Speichern von Wärme oder Kälte bereitzustellen, mit der eine maximale Auslastung des zur Verfügung stehenden Bauraums mit geringem Aufwand für Montage und Transport realisiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit der in Anspruch 1 beschriebenen Vorrichtung und den dazugehörigen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein modular aufgebauter Wärme- oder Kältespeicher aus nichtkorrodierbaren Einzelmodulen vorgeschlagen, die alle erforderlichen konstruktiven und funktionalen Eigenschaften zur Kurz- und Langzeitwärme- bzw. Kältespeicherung bis zu Speichertemperaturen von 98°C aufweisen. Die Module werden im Aufstellraum flüssigkeitsdicht zu einem quaderförmigen Baukörper gefügt, wobei bei Erfordernis eine Diffusionsbarriere integriert oder nachträglich ein- bzw. angebracht werden kann. Die Montage, Aufstellung und der Betrieb des Speichers kann sowohl im Gebäude als auch im Freien erfolgen.
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Erfindungsgemäß bestehen die nichtkorrodierbaren Einzelmodule aus faserverstärkten Kunststoffdeckschichten mit integrierter Wärmedämmung und beinhalten alle erforderlichen konstruktiven und funktionalen Eigenschaften. Durch die Integrallösung in Verbindung mit Leichtbau und kleinen Modulformaten sind bedeutende Einsparungen beim Transport erzielbar. Es erfolgt eine Bauteildifferentiation in Elementarteile, damit auch räumlich beengte Verhältnisse (enge Treppen, Türen, etc.) zum Transport zum Aufstellort genutzt werden können.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 – eine erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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2 – ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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Für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden verschiedenförmige Formteile benötigt, die jeweils eine sandwichartige Struktur aus faserverstärkten Kunststoffschichten mit integrierter Wärmedämmung aufweisen. Wie in 1 dargestellt sind dies ein Eckkörperformteil (1), ein Längskantenformteil (2), ein Seiten- und Bodenformteil (3) und ein Abdeckformteil (4). Je nach Bedarf wird die benötigte Anzahl dieser verschiedenen Formteile zu einem quaderförmigen, völlig flüssigkeitsdichten und wärmeisolierten Speichervolumen gefügt. Die einzelnen Formteile werden kraft- und/oder formschlüssig gefügt, wobei im Bedarfsfall eine integrierte oder nachträglich zu realisierende Diffusionsbarriere ausgeführt werden kann.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt. Hierbei wird das Speichervolumen von Eckkörperformteilen (1), senkrechten Längskantenformteilen (2.1), waagerechten Längskantenformteilen (2.2), mindestens einem Bodenformteil mit Überlappung (3.1), Seitenformteilen mit Überlappung (3.2) und mindestens einem nicht dargestellten Abdeckformteil gebildet. Zur kraft- und formschlüssigen Fügung dieser Formteile werden einzelne Verbindungselemente (5) an den entsprechenden Stellen eingefügt.
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Die Gesamtkonfiguration des modular aufgebauten Wärmespeichers beinhaltet außerdem die Möglichkeit der Integration von Funktionselementen. So liegt z. B. ein Aspekt der Erfindung darin, dass ein Wandmodul ein verschließbares Mannloch aufweist, so dass der Speicher jederzeit befahrbar ist. Außerdem ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Wandmodule alle erforderlichen Anschlüsse zur thermischen Be- und Entladung (auch temperaturgeschichtet) sowie die zur Einbindung in das hydraulische Gesamtsystem nötigen Anschlüsse aufweist.
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Die Konstruktion der Behälterformteile (Module) ausschließlich aus selbst isolierenden (sehr schlecht wärmeleitenden) Materialien gewährleistet eine außerordentlich hohe Dammwirkung und damit sehr geringe Temperatur-(Energie-)Verluste. Mittels spezieller thermischer Schichtenbe- und Entlademodule können Schichten unterschiedlicher Temperaturen innerhalb des Speichers aufgebaut werden. Die besonders stabile Trennung und Erhaltung der Temperaturschichten erhöht die Effizienz des Speichers um mehr als 20%. Die entscheidende Störgröße bei der thermischen Schichtenausbildung und -Erhaltung ist die Eigenkonvektion des Behälters. Bedingt durch einen Energiefluss von warm zu kalt in und an der Behälterwandung bei guten Wärmeleitern (alle Metalle) kommt es in relativ kurzer Zeit (wenige Stunden) zur Durchmischung im Behälter. Dem wird bei konventionellen Speichern aus Metall mit einer Vielzahl aufwendiger Maßnahmen wie Einbau von Prallblechen, Schrägstutzen, Konvektionsbremsen oder ähnlichem versucht entgegen zu wirken. Bei hohem Aufwand ist das Ergebnis häufig unbefriedigend.
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Durch die Verwendung ausschließlich „schlechter” Wärmeleiter (Kunststoffe) ist bei der vorliegenden Erfindung diese Störgröße nahezu ausgeschaltet.
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Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Speichern ist mit einem erfindungsgemäßen Speicher ein Speichervolumen von bis zu 35 m3 ohne zusätzliche Stützkonstruktionen realisierbar.
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Die Montage eines erfindungsgemäßen Speichers kann prinzipbedingt von „Innen” erfolgen. Folglich können sie den räumlichen Verhältnissen beim Anwender angepasst werden (die Montage, Abdichtung und die Installation der benötigten Anschlüsse und Armaturen erfolgt vom Innenraum des Speichers aus). Somit ist eine vollständige Ausnutzung des Raumvolumens durch den Einsatz von Funktionselementen innerhalb des modularen Aufbaus möglich. Die Integration spezieller thermischer Schichtenbe- und Entlademodule erhöht die Effizienz des Speichers zusätzlich bei wesentlich geringerem anlagentechnischen (und damit weiterem Montage-)Aufwand.
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Die vorliegende Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf. Bedingt durch die gewählte Geometrie der einzelnen Formteile aus z. B. Glasfaserverbund mit integrierter Wärmedämmung ist der nachträgliche Einbau in Bestandsgebäude, insbesondere deren Transport durch beengte Zugänge, wie Türen, Luken, Gänge, Treppen möglich. Mit seiner kubischen Geometrie und der Montagemöglichkeit „ausschließlich von Innen” bietet der erfindungsgemäße Speicher eine bei Bedarf nahezu 100%ige Raumausnutzung. Mit dem „integralen Konzept” wird bewusst auf eine Fachwerkausbildung und die Trennung zwischen tragenden, dämmenden, dichtenden und funktionalen Elementen verzichtet. Dies erhöht den Vorfertigungsgrad und senkt in Verbindung mit der möglichen Montage „ausschließlich von Innen” drastisch den Montageaufwand im Vergleich zu bekannten Systemen.
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Durch die Verwendung einer begrenzten Anzahl von (handlichen) Integral-Standardmodulen lassen sich jeweils entsprechend der Bauherrenanforderungen optimale Speicherlösungen konfigurieren. Die Module können in Serie kostengünstig gefertigt, ab Lager abgerufen und durch eingewiesene Fachkräfte vor Ort montiert werden.
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Literaturliste
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- [1] – „Solarspeicher für Warmwasser und Heizung" – Firmenschrift Jenni Energietechnik AG, CH-3414 Oberburg bei Burgdorf
- [2] – „Wärmehamster – Wärmespeichersystem aus GFK" – Firmenschrift energiedepot Radeberg, D-01454 Radeberg
- [3] – Wilhelms, C.; u. a.: „Pufferspeicher in Modulbauweise mit bis zu 50 m3 Speichervolumen", Tagungsband 19. Symposium Thermische Solarenergie 06.–08. Mai, 2009, Herausgeber Otti Regensburg 2009, S. 238–243
- [4] – „Platzschweißung" – Firmenschrift Jenni Energietechnik AG, CH-3414 Oberburg bei Burgdorf
- [5] – Solarthermie 2000 Projekt Solaranlage im KKH Ilmenau – FKZ 0329603 J – Presseinformation anlässlich der offiziellen Übergabe einer Solarwarmwasserbereitungsanlage im Kreiskrankenhaus Ilmenau 09.01.2001 „ ... Pufferspeicher als Rechteckspeicher mit 7,85 m3 Inhalt. ..."
- [6] – Produktinformationen der Fa. BUNKSOLAR S. L. 2009–2012 http://www.bunksolar.com/index.html
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Eckkörperformteil
- 2
- Längskantenformteil
- 2.1
- senkrechtes Längskantenformteil
- 2.2
- waagerechtes Längskantenformteil
- 3
- Seiten- und Bodenformteil
- 3.1
- Bodenformteil mit Überlappung
- 3.2
- Seitenformteil mit Überlappung
- 4
- Abdeckformteil
- 5
- Verbindungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008036669 A1 [0005]
