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Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher.
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Insbesondere wegen der zunehmenden Verwendung regenerativer Energien, beispielsweise solarthermisch erzeugter Wärmeenergie, besteht an Wärmespeichern ein hoher Bedarf. Solche Wärmespeicher dienen dazu, Wärmeenergie, die zum Zeitpunkt ihrer Erzeugung nicht verbraucht wird, zu speichern, damit sie im Bedarfsfall zur Verfügung steht.
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Ein Wärmespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
DE 32 16 272 A1 bekannt. Dieser Wärmespeicher ist durch einen Behälter gebildet, der aus armiertem Beton mit wärmeisolierten Innenwänden besteht. Der von dem Behälter umschlossene Raum ist mit einem Material mit hohem Wärmespeichervermögen gefüllt, vorzugsweise mit Kieselsteinen. Durch den Behälter führt eine innerhalb des Behälters zur Vergrößerung der Wärmetauschfläche schraubenförmig geführte Leitung, über die dem Wärmespeicher bedarfsweise Wärme zugeführt werden kann oder Wärme aus dem Speicher abgeleitet werden kann. Durch die wärmeisolierten Innenwände wird erreicht, dass die Betonwände kühl bleiben und wenig Wärme durch die Betonwände hindurch nach außen entweichen kann.
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Aus der
DE 28 44 599 A1 ist ein Wärmespeicher bekannt, der einen metallischen Innenbehälter aufweist, der in einem metallischen Außenbehälter aufgenommen ist. Der Innenbehälter ist mittels Abstandhaltern im Außenbehälter gehalten. Der Zwischenraum zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter steht unter Vakuum. Der Innenbehälter weist eine in seinen unteren Bereich mündende Wasserzuleitung und eine aus seinem oberen Bereich abgehende Wasserableitung auf. Das in dem Innenbehälter befindliche Wasser kann mittels eines in dem Innenbehälter angeordneten Wärmetauschers aufgeheizt werden, der elektrisch beheizt sein kann oder durch den ein aufgeheiztes Heizfluid strömt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher mit hohem Wärmespeichervermögen zu schaffen, der kostengünstig herstellbar und für unterschiedlichste Wärmespeicheraufgaben einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Wärmespeicher gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmespeichers gerichtet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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In den Figuren stellen dar:
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1: einen Schnitt durch einen Wärmespeicher, geschnitten in der Ebene I-1 in 2,
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2: eine perspektivische Aufsicht auf den Wärmespeicher,
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3: eine perspektivische Aufsicht auf den nach oben offenen Wärmespeicher,
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4: eine perspektivische Ansicht des Innenbehälters bei durchsichtig dargestelltem Außenbehälter,
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5: eine perspektivische Ansicht des schräg durchschnittenen Wärmespeichers der 1 und
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6: übereinander gestapelte Wärmespeicherbehälter.
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Gemäß 1 ist in einem Außenbehälter 10 ein Innenbehälter 12 aufgenommen. Der Innenbehälter ist mittels Abstandhaltern 14 am Außenbehälter 10 gehalten bzw. abgestützt. Zwischen dem Außenbehälter 10 und dem Innenbehälter 12 ist ein den Innenbehälter vollständig umgebender Zwischenraum 16 vorhanden.
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Der Außenbehälter 10 ist im dargestellten Beispiel aus einer Unterschale 18 und einer Oberschale 20 zusammengesetzt, die beide topfförmig ausgebildet sind und Randflansche 22 bzw. 24 aufweisen, die aufeinander liegen.
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Der Außenbehälter 10 und der Innenbehälter 12 bestehen vorzugsweise aus gasundurchlässigem Beton, der stahlarmiert sein kann. Vorteilhafterweise wird selbstverdichtender Beton verwendet, wie er beispielsweise als SVB bekannt ist. Ein solcher Beton weist eine hohe Dichte auf und ist vakuumdicht. Damit der Innenraum des Außenbehälters 10 nach außen hin gasdicht abgedichtet ist, sind zwischen den Randflanschen 22 und 24 geeignete Dichtungen 25 eingelegt. Zusätzlich können die Randflansche miteinander verschraubt oder sonstwie aneinander befestigt sein.
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Der Innenbehälter 12 besteht aus einer topfartigen Unterschale 26 aus Beton, die mittels eines Deckels 28, der vorzugsweise aus Stahl besteht, verschlossen ist. Der Innenraum des Innenbehälters 12 ist zum Zwischenraum 16 hin gasdicht. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der Deckel 28 mit der Unterschale 26 unter Zwischenanordnung geeigneter Dichtungen verschraubt ist.
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Durch den Außenbehälter 10 führen in den Innenbehälter 12 vier Leitungen, nämlich eine Heizfluidzuleitung 30, eine Heizfluidableitung 32, eine Nutzfluidzuleitung 34 und eine Nutzfluidableitung 36.
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Die Durchführungen der Leitungen durch den jeweiligen Behälter sind gasdicht. Dazu weist die aus Beton bestehende Oberschale 20 des Außenbehälters 10 mit Übermaß ausgebildete Öffnungen auf, in die Dichtelemente 38 eingesetzt sind, die zwischen der jeweiligen Leitung und dem Innenrand der Öffnung gasdicht abdichten. Die Dichtelemente 38 können beispielsweise Kunststoffringe sein, die unter Zwischenanordnung von Dichtringen auf die jeweilige Leitung aufgeschoben sind und in die jeweilige Öffnung eingepresst sind.
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Die vakuumdichte Durchführung der Leitungen durch den Deckel 28 kann beispielsweise durch Verschweißen, Verkleben usw. erreicht werden.
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Die Heizfluidzuleitung 30 und die Heizfluidableitung 32 sind bis in den unteren Bereich des Innenbehälters 12 geführt und sind dort über eine mäanderförmige Verbindungsleitung, die einen Heizwärmetauscher 40 bildet, miteinander verbunden.
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Die Nutzfluidzuleitung 34 und die Nutzfluidableitung 36 sind bis in den oberen Bereich des Innenbehälters 12 geführt und dort über eine mäanderförmige Verbindungsleitung verbunden, die einen Nutzwärmetauscher 42 bildet.
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Der Innenraum des Innenbehälters 12 ist vorzugsweise mit einem Gestein 44 mit hoher Wärmekapazität gefüllt, beispielsweise Schotter oder Kies. Zusätzlich ist der Innenraum des Innenbehälters 12 mit einer Wärmespeicherflüssigkeit, beispielsweise Wasser gefüllt. Zum Ausgleich der Volumenänderungen des Wassers führt in den Innenbehälter eine in 1 nicht dargestellte, jedoch in 2 sichtbare Ausgleichsleitung 46, die an ein nicht dargestelltes, in seinem Aufbau an sich bekanntes Ausdehnungsgefäß angeschlossen ist.
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Durch eine weitere Öffnung 48 der Oberschale und eine entsprechende Durchführung durch den Deckel 28 ist hermetisch abgedichtet eine Messeinrichtung zur Messung der Temperatur in dem Innenbehälter 12 durchgeführt.
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An der Oberschale 20 ist weiter ein Anschluss 50 zum Anschluss einer Vakuumpumpe und ein Messanschluss 52 zum Anschluss eines Druckmessgerätes vorgesehen.
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Die Unterschale 18 und die Oberschale 20 des Außenbehälters 10 können die gleiche Grundform haben, sodass sie in gleichen Formen gegossen werden können, wobei beim Gießen der Oberschale in die Form Einlagen zur Ausbildung der Öffnungen bzw. Anschlüsse eingelegt werden.
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Der Zusammenbau des Wärmespeichers ist wie folgt:
In die Unterschale 18 wird unter Zwischenanordnung der möglichst wenig Wärme leitenden Abstandhalter 14 die Unterschale 26 des Innenbehälters eingebracht.
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In den Innenbehälter wird der Heizwärmetauscher 40 mit nach oben vorstehender Heizfluidzuleitung 30 und Heizfluidableitung 32 eingebracht. Anschließend wird die Unterschale 26 mit Gestein 44 befüllt, wobei bei teilweiser Befüllung der Nutzwärmetauscher 42 mit nach oben vorstehender Nutzfluidzuleitung und Nutzfluidableitung eingebracht wird. Nach vollständiger Befüllung der Unterschale 26 mit Gestein wird der Deckel 28 auf die vorstehenden Leitungen aufgeschoben und dann unter Zwischenanordnung einer Dichtung mit der Unterschale verschraubt. Die aus dem Deckel 28 vorstehenden Leitungen werden mit dem Deckel verschweißt. Die Ausgleichsleitung 46 kann bereits vorher mit dem Deckel 28 verschweißt sein.
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Anschließend wird die Oberschale 20 angebracht, wobei die nach oben vorstehenden Leitungen durch die mit Übermaß ausgebildeten Öffnungen der Oberschale 20 hindurchgeführt werden. Bevor die beiden Randflansche 22 und 24 aufeinander aufliegen wird auf die Auflagefläche eine geeignete Dichtung aufgebracht. Vorzugsweise sind die Flächen der Randflansche 22 und 24, die in gegenseitige Anlage kommen, mit umlaufenden Nuten und entsprechenden Rillen ausgebildet, sodass sie unverschiebbar aufeinander liegen.
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Anschließend werden die Durchführungen der Leitungen durch die Oberschale 20 mit den Dichtelementen 38 abgedichtet. Der Innenraum wird durch die Ausgleichsleitung 46 hindurch mit Wasser befüllt, das die Zwischenräume zwischen den Gesteinsteilchen vollständig ausfüllt. An die Ausgleichsleitung 46 wird ein Ausdehnungsgefäß angeschlossen.
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Die Heizfluidleitungen 30 und 32 werden an ein entsprechendes Heizsystem, beispielsweise solarthermische Kollektoren angeschlossen. Die Nutzfluidleitungen 34 und 36 werden an ein Wärmenutzsystem, beispielsweise eine Warmwasserversorgung und/oder eine Gebäudeheizanlage angeschlossen.
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Der Zwischenraum 16 wird mittels einer Vakuumpumpe unter Vakuum gesetzt. Das Vakuum wird mit einem Vakuummeter überwacht.
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Der beschriebene Wärmespeicher hat ein außerordentlich hohes Wärmespeichervermögen, da nicht nur das Gestein und das im Innenbehälter befindliche Wasser zur Wärmespeicherung beitragen, sondern auch das hohe Wärmespeichervermögen der aus Beton bestehenden Unterschale 26 des Innenbehälters 12.
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Die nach außerhalb des Wärmespeichers entweichenden Wärmeverluste sind wegen des Vakuums im Zwischenraum 16 und des zusätzlichen Wärmeisolationsvermögens des Außenbehälters 10 gering.
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Regelsysteme zur Überwachung und Regelung des Vakuums, zur Zufuhr von Heizfluid und zur Abfuhr gespeicherter Wärme über das Nutzfluidsystem können an sich bekannter Bauart sein und werden daher nicht erläutert.
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In einer beispielhaften Ausführungsform hat der Innenbehälter 12 ein Volumen, in dem etwa 280 kg Wasser und Gesteins- bzw. Schottergemisch aufgenommen werden können. Das Volumen des Zwischenraums 16 beträgt 230 Liter. Der aus Stahl bestehende Deckel 28 hat ein Gewicht von 72 kg. Das Gewicht der aus Beton bestehenden Unterschale 26 des Innenbehälters 12 beträgt etwa 100 kg. Der Beton hat eine Wandstärke von etwa 40 mm. Der Abstand zwischen Innenbehälter und Außenbehälter beträgt etwa 100 mm. Der Behälter hat befüllt ein Gesamtgewicht von etwa 450 kg. Seine Außenmaße betragen etwa 1.000 mm mal 1.000 mm mal 670 mm.
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Durch die mehrteilige Ausbildung des Außenbehälters und des Innenbehälters kann der Wärmespeicher auch in schlecht zugängigen Räumen zusammengebaut werden. Bei entsprechender Ausbildung der Außenhaut des Außenbehälters 10 kann der Wärmespeicher auch im Erdreich versenkt werden.
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Zur weiteren Verbesserung des Wärmeisolationsvermögens kann auf die Außenseite des Innenbehälters eine thermische Isolierschicht aufgebracht werden, sodass die vom Innenbehälter nach außen abgestrahlte Strahlungsleistung vermindert ist. Die thermische Isolierschicht kann gasdicht sein.
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Der beschriebene Wärmespeicher kann in vielfältiger Weise abgeändert werden. Beispielsweise kann das Gestein 44 fehlen und der Innenbehälter 12 nur mit Wasser befüllt sein. Das Wasser im Innenbehälter kann fehlen, sodass nur das in intensivem Kontakt mit den Wärmetauschern befindliche Gestein zur Wärmespeicherung verwendet wird.
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Die Innenseite des Innenbehälters 12 kann mit einer Schutzschicht beschichtet sein, die das Wärmeaufnahmevermögen der Unterschale 26 nicht oder kaum verschlechtert. Die Schutzschicht kann gasdicht sein.
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Bei Einsatz einer gasdichten Isolierschicht oder Schutzschicht muss der Beton nicht gasundurchlässig sein.
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Die im Innenbehälter 12 befindliche Flüssigkeit muss nicht eine nicht oder nur selten ausgetauschte Speicherflüssigkeit sein, sondern kann beispielsweise unmittelbar das Nutzfluid, beispielsweise Wasser, sein, das über die Nutzfluidzuleitung 34 zugeführt und über die Nutzfluidableitung 36 abgeführt wird und sich im Inneren des Innenbehälters 12 mittels über den Heizwärmetauscher 40 zugeführte Wärme aufheizt.
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Das Ausdehnungsgefäß kann sich im Zwischenraum 16 befinden oder durch eine gegen einen Hohlraum bewegliche Wand im Inneren des Innenbehälters 12 gebildet sein.
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Dem Innenbehälter kann Wärmeenergie auch elektrisch zugeführt werden.
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Das Vorhandensein des Gesteins 44 in dem Innenbehälter 12 steht einer Ausbildung des Wärmespeichers derart, dass das durch den Innenraum des Innenbehälters 12 strömende Wasser unmittelbar genutzt wird, beispielsweise als Brauchwasser, bei entsprechender Auswahl des Gesteins 44 nicht entgegen.
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In Folge des Vakuums in dem Zwischenraum 16 liegt die Oberschale 20 außerordentlich fest auf der Unterschale 18 auf, sodass zusätzliche Befestigungsmittel nicht notwendig sind.
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Die Unterschale 18 und die Oberschale 20 des Außenbehälters 10 können mit integrierten Ansätzen 54 ausgebildet sein, die Füße für die Unterschale bilden und Stützen an der Oberschale bilden, auf denen die Füße der Unterschale aufstehen. Auf diese Weise können, wie in 6 dargestellt, mehrere Wärmespeicher 56a, 56b, 56c (6) übereinander gestapelt werden, wobei die Unterschale des jeweiligen Außenbehälters auf der Oberschale des darunter befindlichen Außenbehälters angeordnet wird. Die jeweiligen Leitungen und deren Verbindungen miteinander sind nicht dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Außenbehälter
- 12
- Innenbehälter
- 14
- Abstandhalter
- 16
- Zwischenraum
- 18
- Unterschale
- 20
- Oberschale
- 22
- Randflansch
- 24
- Randflansch
- 25
- Dichtung
- 26
- Unterschale
- 28
- Deckel
- 29
- Dichtung
- 30
- Heizfluidzuleitung
- 32
- Heizfluidableitung
- 34
- Nutzfluidzuleitung
- 36
- Nutzfluidableitung
- 38
- Dichtelement
- 40
- Heizwärmetauscher
- 42
- Nutzwärmetauscher
- 44
- Gestein
- 46
- Ausgleichsleitung
- 48
- Anschluss
- 50
- Anschluss
- 52
- Messanschluss
- 54
- Ansatz
- 56
- Wärmespeicher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3216272 A1 [0003]
- DE 2844599 A1 [0004]
