DE102013012312A1

DE102013012312A1 - Wärme- und Kältespeicherelement

Info

Publication number: DE102013012312A1
Application number: DE201310012312
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-01-29

Abstract

Die Wärme- und Kältespeicherelemente (1), besitzen hohe Wärme- und Kältespeichereigenschaften sowie hohe Wärme- und Kälteleitfähigkeiten. Die Elemente können im Nieder- und im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden. Die Elemente ermöglichen die Nutzung ihrer Eigenschaften in vielfältigen Bauformen. Die Elemente sind konzipiert für eine Anwendung im Ingenieur- und Anlagenbau, für die Gebäudeausrüstung und Gebäudetechnik, für die Wärme- und Kälteenergieversorgung. 1 gibt einen Überblick über Varianten.

Description

Wärmespeicher und untergeordnet Kältespeicher sind in großer Zahl und vielfältig im Einsatz. Die wärme-, kältespeichernden Eigenschaften werden durch die eingesetzten Medien bzw. Stoffe erlangt. Dies ist in der überwiegenden Zahl Wasser und in speziellen Anwendungen Salze oder Paraffine mit deren speziellen PCM-Eigenschaften (Phase-Change-Material). Diese Materialien besitzen zumeist hohe Wärmespeichervermögen und geringe Wärmeleitfähigkeiten. Wasser, z. B., besitzt eine sehr hohe Wärmespeicherkapazität und geringe Wärmeleitfähigkeit. Paraffine vermögen beim Phasenwechsel in einem schmalen Temperaturbereich von fest zu flüssig, und umgekehrt, große Wärmeenergie aufzunehmen bzw. abzugeben, allerdings bei einer Wärmeleitfähigkeit, die in die Größenordnung von Dämmstoffen einzuordnen ist. Beide Stoffe haben Einschränkungen in der Praxis, durch die flüssige Phase und bei ihrem Einsatz bei Temperaturen oberhalb 90°C. Bei Wasser führt dies zu aufwendigen technischen Sicherheitseinrichtungen: „Warmwasser-”, „Heißwasser-”, „Dampfsysteme”. Bei höher-thermalen technischen Systemen werden z. B. sog. Thermoöle eingesetzt, die dann ihrerseits, im Gegenteil zu Wasser, gute Wärmeleitfähigkeiten und geringe Wärmespeicherkapazitäten besitzen. Diese Einschränkungen werden mit der Erfindung der hier beschriebenen Wärme- und Kälteelemente überwunden.
Die Erfindung betrifft Elemente mit hohen Wärme- und Kältespeichereigenschaften sowie mit hohen Wärme- und Kälteleitfähigkeiten. Es werden mit diesen Elementen die Wärmespeicherkapazitäten erreicht, die denen von Wasser fast entsprechen und zugleich Wärmeleitfähigkeiten erreicht, die die von Wasser um ein Vielfaches übertreffen.
Die Elemente erlangen ihre speziellen thermischen Eigenschaften aus einer Füllung, Verbindung oder Vermischung mit technisch hergestellten Materialien, Wärme-, Kältespeichermaterial (2). Diese speziellen gleichzeitigen Eigenschaften sind wesentlicher Teil der Patent- und Schutzansprüche: die hohe Wärme-, Kältespeichereigenschaft und die hohe Wärme-, Kälteleitfähigkeit. Zudem müssen diese Eigenschaften aus einer Füllung und oder aus einer Verbindung und oder aus einer Vermischung von Baustoffen (4), Dämmstoffen (3), Materialen aller Art, wie z. B. Flüssigkeiten, Gasen mit technisch hergestellten Materialien, dem Wärme-, Kältespeichermaterial (2), erlangen. Dies betrifft alle Bauformen und Konstruktionen, 1 bis 5 geben dazu Beispiele. Diese Ansprüche betreffen nicht natürlich vorkommende, unbehandelte Stoffe und nicht Paraffine oder Salze mit PCM-Eigenschaften (Phasenwechsel-Temperatur-, -Energie-Eigenschaften) oder technische Produkte zur Nutzung deren PCM-Eigenschaften. Die Patentansprüche, Schutzansprüche betreffen Elemente, die die unter [002] und [003) genannten Eigenschaften aus einem Wärme-, Kältespeichermaterial (2) beziehen, das in seinen Hauptbestandteilen zu mindestens 70% aus Elementen der Hauptgruppen (des Periodensystems der Elemente): Erdalkalimetalle, Borgruppe/Erdmetalle, Kohlenstoff-Silizium-Gruppe aufgebaut bzw. zusammengesetzt ist
Die Elemente können im Niedertemperaturbereich und im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden. Eine Beschränkung auf bestimmte Temperaturen oder Temperaturbereiche wurde bislang nicht ermittelt. Versuche mit Temperaturen von rd. 450°C wurden durchgeführt.
Die speziellen thermischen Eigenschaften der Elemente können in Kombination mit Flüssigkeiten, Gasen und oder durch Konduktion genutzt werden. Damit sind Einsatzmöglichkeiten dieser Wärme- und Kältespeicherelemente (1) eröffnet mit z. B. direktem Kontakt zur Wärme- oder zur Kältequelle oder – senke oder mit Konduktion oder mit mittelbarem Kontakt (Wärmetauscherkonstruktionen) oder mit Kontakt bzw. Durchströmung von Flüssigkeiten aller Art oder von Gasen zur Übertragung, d. h. Einspeisung, Speicherung, Ausspeisung der Wärme-, Kälte-Energie, siehe dazu 1 bis 5.
Die Elemente ermöglichen die Nutzung ihrer Eigenschaften in vielfältigen Bauformen. 1 gibt einen Überblick, die 2 bis 5 zeigen Varianten mit Beispielen.
Die Elemente sind konzipiert für eine Anwendung im Ingenieur- und Anlagenbau, für die Gebäudeausrüstung und Gebäudetechnik, für die Wärme- und Kälteenergieversorgung. Die im folgenden aufgeführten Varianten und Beispiele geben einen Einblick in die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten. In allen Fällen führt die Anwendung dieser Elemente (1) zu einer deutlichen Steigerung der Effizienz gegenüber herkömmlichen Anlagen oder Konstruktionen. Für die Wärme- und Kälteenergieversorgung ergeben sich durch zentrale, dezentrale oder und durch Speicherelemente-Gruppen direkt am Verbraucher, neue Möglichkeiten der Optimierung von Versorgungsnetzten bis hin zur Verbesserung und Ertüchtigung von problematischen kritischen Kundenanlagen.
Varianten von Wärme-, Kältespeicher- Elementen, 2, ermöglichen die Nutzung der speziellen thermischen Eigenschaften durch die Energie- Ein- und Ausspeisung in das Wärme-, Kältespeichermaterial (2) mittels Wärmetauscherkonstruktionen, z. B. in Form von Rohrleitungen für Heiz- und Kühlmedien (7), direkt betriebene oder elektrische beheizte Flächen (8) oder mittels elektrischer Heizleitungen (10). Das Wärme-, Kältespeichermaterial ist in diesem Beispiel allseitig umgeben von Dämmstoffen (3) und Baustoffen (4). Die Dämm- und Baustoffe können beliebige Formen und Konstruktionen einnehmen, ein- oder mehrschalig ausgeführt sein, zu kombinierten Materialsystemen gefügt sein, usw..
Mit der Verwendung von Gasen, Flüssigkeiten wie z. B. Thermoölen oder der direkten flächenhaften Ein-, Ausspeisung von Wärme sind Anwendung im Hochtemperaturbereich mit Varianten nach 2 bis 5 möglich, ebenso im Gefrierbereich.
Elemente (1), bei denen Gase direkt durch das Wärme-, Kältespeichermaterial (2) geleitet werden, 3, ermöglichen Anwendungen zur Temperierung und Wärmerückgewinnung in der Be- und Entlüftungstechnik als auch in der Entwärmung oder Kühlung von hochtemperierten Gasen. 3 zeigt ein Beispiel, in dem Gase direkt durch das Wärme-, Kältespeichermaterial (2) geleitet werden können. Die Beheizung oder Entwärmung diese Elementes (1) erfolgt in dieser Variante über die Rohrleitungen (7).
Anwendungen zur Trocknung von Gasen sind mit diesen Elementen, 3, ebenfalls möglich, und auch zur Erwärmung von Gasen. Die notwendige Dichtigkeit der Elemente wird durch die Kombination bzw. Verwendung von entsprechendem Dichtungsmaterial (5), wie z. B. flüssigkeitsdichte und oder gasdichte Materialien erreicht.
Elemente (1), bei denen das Wärme-, Kältespeichermaterial (2) mit Flüssigkeiten oder Gasen gefüllt oder befüllt (6) und oder durchströmt wird und die mit Wärmetauschern aller Art kombiniert werden können (7) (8) (9) (10), ermöglichen die Anwendung in hydraulisch-thermischen Systemen im Ingenieur- und Anlagenbau, für die Gebäudeausrüstung und Gebäudetechnik, für die Wärme- und Kälteenergieversorgung.
Anwendungen mit direktem Wärmeübergang an Ort und Stelle der Wärme-, Kältenutzung, 5, können mit allen Arten von Wärmetauschern (7) (8) (9) (10) kombiniert werden. Durch den Einsatz der Elemente mit direktem Kontakt zum Einbaumaterial, zum Einbaumedium, zum Baustoff (4) ober und mit mittelbarem Kontakt unter Verwendung diverser Dämmstoffe (3) und Baustoffe (4) sowie Dichtungsmaterialien (5) sind Anwendungen zum Heizen und Kühlen im Ingenieurbau, Anlagenbau und der Gebäudeausrüstung möglich.
Die Anwendung bzw. Verwendung von elektrischen Heizmitteln (8) und (10) können bei entsprechendem regionalem Einsatz bzw. Steuerung z. B. durch EVU's oder lokale Stromversorger Stromspitzen der Sonnen- und Windenergie in der Nähe deren Entstehung oder an neuralgischen Stromnetzstellen abgebaut werden und in Wärme gespeichert werden. Für Betreiber von PV-Anlagen, insbesondere bei kleineren und mittleren Anlagen in Wohngebieten ergeben sich dadurch für den Fall der Abschaltung der PV-Anlage durch den EVU, neue Optionen des sog. Eigenstromverbrauchs: Umwandlung direkt in Wärme und deren Speicherung.

Claims

Die Patentansprüche, Schutzansprüche betreffen Elemente (1), a) die hohe Wärme-, Kältespeichereigenschaften und b) die hohe Wärme-, Kälteleitfähigkeiten aufweisen und c) die diese Eigenschaften aus einer Füllung und oder aus einer Verbindung und oder aus einer Vermischung von Baustoffen (4), Dämmstoffen (3), Materialen aller Art, wie z. B. Flüssigkeiten, Gasen, mit technisch hergestellten Materialien, dem Wärme-, Kältespeichermaterial (2), erlangen. d) Dies betrifft Elemente in allen Bauformen und Konstruktionen, 1 bis 5 geben dazu Beispiele. Die Ansprüche betreffen nicht natürlich vorkommende, unbehandelte Stoffe und nicht Paraffine oder Salze mit PCM-Eigenschaften (Phasenwechsel-Temperatur-, -Energie-Eigenschaften) oder technische Produkte zur Nutzung deren PCM-Eigenschaften.
Die Patentansprüche, Schutzansprüche betreffen Elemente, die die unter 1. genannten Eigenschaften aus einem Wärme-, Kältespeichermaterial (2) beziehen, das in seinen Hauptbestandteilen zu mindestens 70% aus Elementen der Hauptgruppen (des Periodensystems der Elemente): Erdalkalimetalle, Borgruppe/Erdmetalle, Kohlenstoff-Silizium-Gruppe aufgebaut bzw. zusammengesetzt ist.
Die Ansprüche betreffen den Einsatz der Elemente nach Anspruch 1. und 2. bei direktem Kontakt, Konduktion oder mit mittelbarem Kontakt (Wärmetauscherkonstruktionen) oder mit Kontakt bzw. Durchströmung von Flüssigkeiten aller Art oder von Gasen zur Übertragung, d. h. Einspeisung, Speicherung, Ausspeisung der Wärme-, Kälte-Energie.
Die Ansprüche betreffen Elemente (1) mit den Ansprüchen zu 1. und zu 2. und zu 3. bei allen Bauformen und Konstruktionen.
Die Ansprüche betreffen die Ansprüchen zu 1., zu 2., zu 3. und zu 4. bei der Anwendung und dem Einsatz der Element (1) in allen Bereichen, z. B. dem Ingenieur- und Anlagenbau, der Gebäudeausrüstung und Gebäudetechnik, der Wärme- und Kälteenergieversorgung. Die Varianten und Anwendungen der Beschreibung und der Skizzen der 1 bis 5 sind dazu Beispiele.