DE102015200874A1 - Modularer Latentwärmespeicher, Wärmekreislauf und Verwendungen hiervon - Google Patents

Modularer Latentwärmespeicher, Wärmekreislauf und Verwendungen hiervon Download PDF

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Abstract

Es wird ein modularer Latentwärmespeicher bereitgestellt, der mindestens ein Fach enthält, das in leichter und reversibler Art und Weise mindestens ein Speicherelement aufnehmen kann. Das Speicherelement des Latentwärmespeichers weist einen eingebauten Starter auf, der automatisch bei Unterschreitung einer bestimmten Temperatur die Kristallisation des Latentwärmespeichermaterials und die damit einhergehende Wärmeabgabe auslöst. Das Speicherelement zeichnet sich dadurch aus, dass es einen Schlauch enthält, der aus dem thermisch isolierten Fach, in dem sich das Speicherelement befindet, herausragt und somit der niedrigeren Temperatur außerhalb des Fachs ausgesetzt ist. In dem Bereich niedrigerer Temperatur weist der Schlauch dauerhaft kristalliertes Latentwärmespeichermaterial auf, das die Kristallisation von Latentwärmespeichermaterial in dem Speicherelement automatisch induziert, falls dessen Innentemperatur die Schmelztemperatur des Latentwärmespeichermaterials unterschreitet.

Description

  • Es wird ein modularer Latentwärmespeicher bereitgestellt, der mindestens ein Fach enthält, das in leichter und reversibler Art und Weise mindestens ein Speicherelement aufnehmen kann. Das Speicherelement des Latentwärmespeichers weist einen eingebauten Starter auf, der automatisch bei Unterschreitung einer bestimmten Temperatur die Kristallisation des Latentwärmespeichermaterials und die damit einhergehende Wärmeabgabe auslöst. Das Speicherelement zeichnet sich dadurch aus, dass es einen Schlauch enthält, der aus dem thermisch isolierten Fach, in dem sich das Speicherelement befindet, herausragt und somit der niedrigeren Temperatur außerhalb des Fachs ausgesetzt ist. In dem Bereich niedrigerer Temperatur weist der Schlauch dauerhaft kristalliertes Latentwärmespeichermaterial auf, das die Kristallisation von Latentwärmespeichermaterial in dem Speicherelement automatisch induziert, falls dessen Innentemperatur die Schmelztemperatur des Latentwärmespeichermaterials unterschreitet.
  • Die ganzjährige Nutzung von Sonnenenergie zu Heizzwecken scheitert oft an einer mangelhaften Wärmespeicherung. Grundsätzlich kann die aus der Sonnenkraft gewonnene Energie für die Beheizung von Wohnhäusern nutzbar gemacht werden, indem sie in 20–30 m3 großen Wassertanks, wie sie die Fa. Jenni Energietechnik AG als Jahresspeicher vertreibt, gespeichert wird. Diese Speicherart benötigt jedoch ein verhältnismäßig großes Volumen und eignet sich daher primär für Neubauten und weniger für Bestandsbauten.
  • Das Volumenproblem kann durch den Ersatz von Wasser als Speichermedium durch Speichermaterialien mit höherer Energiekapazität sogenannten Latentwärmespeichermaterialien (engl. „phase change materials” oder „PCM”), gelöst werden. Bei dem Phasenwechsel vom flüssigen in den festen, kristallinen Aggregatszustand setzen diese Latentwärmespeichermaterialien eine charakteristische Erstarrungsenthalpie frei, die als Wärmeenergie genutzt werden kann. Für eine gezielte und verlässliche Kristallisation des Speicherelementmaterials muss die Kristallisation induziert d. h. gestartet werden, andernfalls verharrt das PCM im metastabilen Zustand.
  • Dieser Start geschieht beispielsweise automatisch durch spontane Kristallisationskeimbildung bei Unterschreiten einer kritischen Temperatur, die für das jeweilige Latentwärmespeichermaterial charakteristisch ist. In vielen Anwendungen ist diese Art des Starts jedoch unvorteilhaft, da die kritische Temperatur bei Normaldruck oft sehr niedrig ist (z. B. bei Natriumacetat unter Normaldruck bei ca. –20°C). Die materialcharakteristische kritische Temperatur kann zwar durch Anlegen von Druck angehoben werden (z. B. bei Natriumacetat auf ca. 20°C durch Anlegen eines Drucks von 4 kbar). Ein Anlegen von solchen hohen Drücken ist jedoch aufwändig und bei Latentwärmespeichermaterialien in flexiblen Behältern ohne Zerstörung des Behälters kaum realisierbar.
  • Eine weitere Möglichkeit, die Kristallisation gezielt auszulösen, liegt in der Verwendung sogenannter „Trigger”, z. B. dünner Edelstahl-Tellerfedern mit eingestanzten Rissen, die bei Betätigung den Kristallisationsprozess auslösen. Dieser Effekt wird derzeit mit Natriumacetat- gefüllten Taschenwärmespeicherkissen ausgenützt. Eine Theorie besagt, dass das Metallplättchen beim Klicken eine Druckwelle erzeugt, wodurch lokal Druckbedingungen und Temperaturbedingungen entstehen, welche die Bildung von Kristallisationskeimen auslösen. Eine andere Theorie geht davon aus, dass sich in dem Metallplättchen winzige Risse befinden, die kleine Kristallkeime einschließen. Durch das Knicken des Metallplättchens werden die Kristallisationskeime frei und starten die Kristallisation des gelösten Speicherelementmaterials (siehe z. B. Rogerson & Cardoso (2003) AIChE Journal, Vol. 49, No. 2, S. 505–529). Der Nachteil an dem Start der Kristallisation durch manuelles Knicken eines Metallplättchens ist jedoch, dass der Start nicht automatisiert abläuft.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen flexiblen, modular aufgebauten Latentwärmespeicher bereitzustellen, der ein selbststartendes Speicherelement enthält d. h. der Latentwärmespeicher soll das Phänomen der unterkühlten Schmelze nicht zeigen. Es soll somit die Kristallisation des Latentwärmespeichermaterials im Latentwärmespeicher nach Eintritt des unterkühlten Schmelzzustands automatisch beginnen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch das Speicherelement gemäß Anspruch 1, den Wärmekreislauf gemäß Anspruch 9 und die Verwendungen gemäß Anspruch 10.
  • Erfindungsgemäß wird ein Latentwärmespeicher bereitgestellt, enthaltend
    • a) mindestens ein Fach, wobei das mindestens eine Fach
    • i) einen wärmeübertragenden Fachboden aufweist, an dessen Unterseite eine Fluidleitung zur Leitung eines Wärmefluids angebracht ist; und
    • ii) eine Isolationsschicht zur thermischen Isolierung des Fachs aufweist, die an mindestens einer Seitenwand des Fachs angebracht ist;
    • b) mindestens ein Speicherelement, das den wärmeübertragenden Fachboden des mindestens einen Fachs kontaktiert, wobei das Speicherelement
    • i) einen flexiblen oder starren Behälter mit einem Behälterinnenraum enthält, wobei der Behälterinnenraum ein Latentwärmespeichermaterial enthält und der Behälter eine erste Öffnung (bevorzugt eine Füll- und Kontrollöffnung) aufweist, die flüssigkeitsdicht verschließbar ist und der Behälter eine zweite Öffnung aufweist; und
    • ii) einen flexiblen oder starren Schlauch enthält, der ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Schlauchinnenraum aufweist, wobei das erste Schlauchende flüssigkeitsdicht verschlossen ist und das zweite Schlauchende so mit der zweiten Öffnung des Behälters verbunden ist, dass der Behälterinnenraum und der Schlauchinnenraum über eine flüssigkeitsdichte Verbindung fluidisch verbunden sind;
    • c) einen Verteiler, der fluidisch mit der Fluidleitung verbunden ist und einen Verteilernetzanschluss aufweist;
    • d) einen Sammler, der fluidisch mit der Fluidleitung verbunden ist und einen Verteilernetzanschluss aufweist;
    oder bestehend daraus, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauchinnenraum das gleiche Latentwärmespeichermaterial wie im Behälterinnenraum enthält und mit dem Behälterinnenraum fluidisch verbunden ist, wobei der Schlauch zumindest bereichsweise in einem Bereich außerhalb des durch die Isolationsschicht isolierten Fachs angeordnet ist und Latentwärmespeichermaterial im Schlauchinnenraum in dem Bereich außerhalb des Fachs zumindest teilweise in kristalliner Form vorliegt.
  • Insbesondere erstreckt sich der Schlauch vom Fachinnenraum durch die Isolationsschicht in den Bereich außerhalb des durch die Isolationsschicht isolierten Fachs.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers liegt darin, dass der Schlauch in dem Bereich außerhalb des thermisch isolierten Fachs kristallines Latentwärmespeichermaterial enthält, das als „Keim” für eine Kristallisation von flüssigem Latentwärmespeichermaterial im Innenraum des Behälters dienen kann. Sinkt die Temperatur des flüssigen Latentwärmespeichermaterials im Innenraum des Behälters unter die Schmelztemperatur des Latentwärmespeichermaterials (für Natriumacetat bei Normaldruck: 58°C) so dient das in dem Schlauch vorhandene kristalline Latentwärmespeichermaterial als Kristallisationskeim, der eine Kristallisation von Latentwärmespeichermaterial von dem Innenraum des Schlauchs bis in den Innenraum des Behälters bewirkt.
  • Ohne vorhandene Kristallisationskeime wäre eine Auskristallisation von dem metastabilen, flüssigen Latentwärmespeichermaterial im Innenraum des Behälters erst bei wesentlich niedrigeren Temperaturen möglich (z. B. bei Natriumacetat-Trihydrat unter Normaldruck erst bei einer Temperatur von ca. ≤ –20°C). Folglich sorgt das Reservoir an kristallinem Latentwärmespeichermaterial im Schlauch dafür, dass bereits bei einem geringen Unterschreiten der jeweiligen charakteristischen Schmelztemperatur des eingesetzten Latentwärmespeichermaterials automatisch dessen Kristallisation erfolgt und als Folge hiervon Wärme freigesetzt wird.
  • Im Fall von Natriumacetat-Trihydrat als Latentwärmespeichermaterial kann der Kristallisationsstart in dem Speicherelement in automatisierter Weise bereits dann erreicht werden, wenn die Temperatur des Speicherelementmaterials im Innenraum des Behälters auf ca. 50°C abgesunken ist. Ohne die erfindungsgemäße Konstruktion mit dem Schlauch enthaltend kristallines Latentwärmespeichermaterial als Kristallisationsstarter wäre hierfür bei gleicher Innentemperatur ein nicht-automatisierter, manueller Start der Kristallisation, beispielsweise über Knicken eines in dem Latentwärmespeichermaterial vorhandenen Metallplättchens, nötig.
  • Der Vorteil an dem mindestens einen Fach ist, dass das erfindungsgemäße Speicherelement leicht in das Fach hinein oder wieder heraus befördert werden kann und somit auch einfach ausgetauscht werden kann. Der Latentwärmespeicher kann 2 bis 20, bevorzugt 5 bis 18, besonders bevorzugt 8 bis 16, insbesondere 11 bis 14, Fächer enthalten. Der Vorteil an mehreren Fächern ist eine höhere Energiespeicherkapazität des Latentwärmespeichers. Die Isolationsschicht zur thermischen Isolierung des Fachs bzw. der Fächer kann an mindestens zwei, drei oder vier Seitenwänden des Fachs angebracht sein.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform des Latentwärmespeichers ist die erste Öffnung des Behälters flüssigkeitsdicht verschlossen, optional auch gasdicht verschließbar und/oder gasdicht verschlossen. Weiterhin vorteilhaft ist es, dass die erste Öffnung, die Verbindung zwischen Schlauch und Behälter und das erste Schlauchende gasdicht ausgestaltet ist. Insbesondere sind der Behälterinnenraum und der Schlauchinnenraum nach außen nicht nur flüssigkeitsdicht, sondern auch gasdicht abgedichtet.
  • Das Latentwärmespeichermaterial kann in einem Bereich am ersten Schlauchende in kristalliner Form vorliegen.
  • Der Innenraum des Schlauchs enthält bevorzugt einen saugfähigen Faden, der in dem Innenraum des Behälters Latentwärmespeichermaterial kontaktiert. Der Vorteil an dem saugfähigen Faden ist, dass er sicherstellt, dass sich im Schlauch keine Blasen und/oder Fehlstellen bilden, die eine Ausbreitung von kristallisierendem Latentwärmespeichermaterial unterbrechen könnten.
  • Es reicht bereits eine kurze Schlauchlänge aus, die außerhalb des thermisch isolierten Fachs angeordnet ist, um zwischen dem Latentwärmespeichermaterial im Innenraum des Behälters und dem Außenraum des Fachs einen Wärmegradienten entlang des Schlauchs aufrecht zu erhalten. In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform weist der Schlauch des Speicherelements
    • a) eine Länge auf, die größer ist als die Dicke der Isolationsschicht, bevorzugt eine Länge von 0,5 bis 30 cm, weiterhin bevorzugt 1 bis 20 cm, besonders bevorzugt 2 bis 15 cm; und/oder
    • b) eine Wandstärke von 0,1 bis 5 mm, bevorzugt 0,2 bis 4 mm, besonders bevorzugt 0,5 bis 3 mm, insbesondere 1 bis 2 mm; und/oder
    • c) einen Außendurchmesser und/oder Innendurchmesser von 1 bis 10 mm, bevorzugt 2 bis 8 mm, besonders bevorzugt 3 bis 6 mm, insbesondere 4 bis 5 mm; und/oder
    • d) einen Innendurchmesser von 0,5 bis 5 mm, bevorzugt 1 bis 4 mm, besonders bevorzugt 2 bis 3 mm;
    auf.
  • Der saugfähige Faden kann im Wesentlichen (im Wesentlichen bedeutet ±1 cm der Länge des Schlauches) die Länge des Schlauchs und/oder im Wesentlichen den Innendurchmesser des Schlauchs aufweisen.
  • Vorteilhaft ist, wenn der Durchmesser des Fadens im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Schlauchs entspricht, da somit ein direkter Kontakt zwischen Faden und Schlauch für eine gute Wärmeübertragung sorgt.
  • Der Schlauch kann ein Metall und/oder einen Kunststoff, bevorzugt einen Kunststoff-Metallverbund, enthalten oder daraus bestehen. Eine flüssigkeitsdichte und gasdichte Verschließung des Schlauchs stellt sicher, dass mit der Zeit kein Lösungsmittel (z. B. Wasser) über den Schlauch aus dem Inneren des Behälters entweicht und somit die Eigenschaften des gelösten Speicherelementmaterials verändert.
  • Der saugfähige Faden kann ein Material enthalten oder daraus bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus saugfähigen und wärmebeständigen (z. B. Wärmebeständigkeit bis mindestens 100°C) Fäden, bevorzugt Naturfasern und Chemiefasern, weiterhin bevorzugt saugfähigen pflanzliche Fasern, tierische Fasern, mineralische Fasern, Fasern aus synthetischen Polymeren, und Mischungen hiervon, insbesondere Baumwollfasern, Flachsfasern, Leinenfasern, Hanffasern, Kamelhaarfasern, Lamafasern, Mohairfasern, Ramiefasern, Jutefasern, Kokosfasern, Modalfasern, Seidenfasern, Viskosefasern, Schafwollfasern, Sisalfasern, Ziegenhaarfasern, Glasfasern, Polyamidfasern, Polyethylenfasern, Polyacrylfasern, Polyesterfasern, Polypropylenfasern, Elastodienfasern und Mischungen hiervon.
  • Der Behälter des Speicherelements kann eine Länge und/oder Breite von 40–100 cm, bevorzugt 50–90 cm, besonders bevorzugt 60–80 cm und/oder eine Höhe von 4–20 cm, bevorzugt 6–18 cm, besonders bevorzugt 8–16 cm aufweisen. Vorteilhaft an diesen Abmessungen ist, dass das Speicherelement türgängig ist d. h. problemlos durch gängige Häusertüren befördert werden kann. Zudem bewirken diese Abmessungen ein geringes Gewicht des Speicherelements. Zudem kann das Latentwärmespreichermaterial, z. B. im Rahmen von Wartungsarbeiten über die erste Öffnung des Behälters abgelassen und aufgefüllt werden.
  • In einer optionalen Ausführungsform enthält der Behälter eine Tauchhülse zur Temperaturmessung über einen Temperaturmessfühler, wobei die Tauchhülse bevorzugt aus einem gasdichten und flüssigkeitsdichten Material besteht.
  • Die Tauchhülse ermöglicht die Einführung eines Temperaturmessfühlers, wodurch auf einfache Art und Weise die Temperatur in dessen Innenraum gemessen werden kann.
  • Weiterhin bevorzugt ist, dass der Behälter einen luftgefüllten oder luftleeren Ballon zum Ausgleich von Volumenänderungen im Innenraum des Behälters enthält. Dieses Merkmal ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es sich bei dem Behälter um einen starren Behälter handelt. Der Ballon weist über eine Öffnung des Ballons eine fluidische Verbindung zur Umgebungsluft auf. Der Rand der Öffnung des Ballons ist, bevorzugt gasdicht und flüssigkeitsdicht, mit dem Behälter verbunden. Der Vorteil des Ballons ist, dass Volumenänderungen des Latentspeichermaterials, die bei dem Phasenübergang von fest nach flüssig bzw. flüssig nach fest auftreten, kompensiert werden, da aufgrund des Druckausgleich mit der Umgebung der Innendruck des Behälters während der Phasenwechsel konstant bleibt. Folglich weist diese Ausgestaltungsform eine höhere Langzeitstabilität auf.
  • Der Behälter und/oder der Schlauch, falls vorhanden auch die Tauchhülse und/oder der Ballon, kann mindestens eine Kunststoffschicht und/oder mindestens eine Metallschicht enthalten, bevorzugt mindestens zwei Kunststoffschichten, besonders bevorzugt mindestens drei Kunststoffschichten. Insbesondere ist mindestens eine Metallschicht zwischen zwei Kunststoffschichten angeordnet. Der Aufbau mit einer Metallschicht und Kunststoffschichthat den Vorteil, dass der Vorteil beider Materialien genutzt wird, also die Impermeabilität der Metallschicht für Latentwärmespeichermaterialien mit der Korrosionsresistenz, Flexibilität und/oder Reißfestigkeit von Kunststoffschichten kombiniert wird. Insbesondere ist ein Sandwich aus Metallfolie(n) zwischen zwei Kunststofffolien sinnvoll, da die Metallschicht somit auf der Innenseite gegen Korrosion (durch Latentwärmespeichermaterial) und auf der Außenseite gegen mechanische Beschädigung geschützt wird. Der Schutz der Metallschicht(en) wird durch zwei oder mehrere Lagen Kunststoff verbessert.
  • Die mindestens eine Kunststoffschicht kann Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und/oder Polyvinylacetat (PVA) enthalten oder daraus bestehen. Optional enthalten mindestens zwei oder drei Kunststoffschichten PE, PP und/oder PVA oder bestehen daraus.
  • Die mindestens eine Metallschicht kann Stahl, Edelstahl, Eisen, Kupfer und/oder Aluminium (oder Legierungen hiervon) enthalten oder daraus bestehen, optional mindestens zwei oder drei Metallschichten Stahl, Edelstahl, Eisen, Kupfer und/oder Aluminium enthalten oder daraus bestehen. Aluminium hat den Vorteil, dass es die Produktion des Speicherelements ökonomisch macht.
  • Die mindestens eine Kunststoffschicht kann eine Dicke von 0,01 bis 5 mm, bevorzugt 0,1 bis 4 mm, besonders bevorzugt 0,2 bis 3 mm, insbesondere 0,5 bis 2 mm, aufweisen. Die mindestens eine Metallschicht kann eine Dicke von 0,1 bis 100 μm, bevorzugt 1 bis 50 μm, besonders bevorzugt 2 bis 30 μm, insbesondere 5 bis 20 μm aufweisen. Optional können mindestens zwei oder drei Kunststoffschichten und/oder Metallschichten diese Dicken aufweisen. Dicken in diesem Bereich stellen einen optimalen Kompromiss aus mechanischer Stabilität, Impermeabilität gegenüber Latentwärmespeichermaterial und Lösungsmittel (z. B. Wasser) und Wärmeleitfähigkeitdar.
  • Das Latentwärmespeichermaterial kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Natriumacetat-Trihydrat, Bariumhydroxid, Natriumsulfat, Calciumchlorid, Paraffin C18, Paraffin C30, Natriumthiosulfat, D-Sorbitol, Pentaglycerol, D-Sorbitol, Magnesiumnitrat, Magnesiumchlorid, Xylitol, Erythriol, Pentaerythriol, D-Mannitol, Galactitol und Polyethylen, oder Mischungen hiervon. Bevorzugt ist Natriumacetat-Trihydrat, da es eine Schmelztemperatur von ca. 58°C aufweist d. h. bei dessen Kristallisation konstant auf 58°C bleibt und somit Wärme bei dieser Temperatur abgibt. Folglich ist Natriumacetat ideal zur Brauchwasserbereitung geeignet. Zudem ist Natriumacetat ungiftig, kein Gefahrenstoff und ökonomisch.
  • Bevorzugt kontaktiert das Speicherelement den Fachboden mit seiner gesamten unteren Fläche (Länge × Breite).
  • Die Fluidleitung kann eine Rohrleitung enthalten oder daraus bestehen, wobei die Rohrleitung bevorzugt zumindest bereichsweise mäanderförmig und/oder netzförmig ist, optional eine Rollbondbauweise aufweist.
  • Enthält der Latentwärmespeicher mindestens zwei Fächer, können diese über ein Gerüst beabstandet sein, das den Verteiler, den Sammler und/oder die Isolationsschicht enthält oder daraus besteht. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltungsform ist, dass das Gerüst zwischen den Fächern zugleich Transportmedium für das Wärmefluid ist und somit Material eingespart wird.
  • Die Isolationsschicht kann eine Vakuumdämmung enthalten oder daraus bestehen. Vorteil an einer Isolierung des gesamten Latentwärmespeichers ist, dass der Wärmeaustausch zwischen Wärmefluid und Speicherelement maximal verlustfrei geschieht d. h. ein minimaler Anteil an Wärme an die Umgebung des Latentwärmespeichers abgegeben wird. Die Isolierung erhöht also den Wirkungsgrad der Vorrichtung in Bezug Wärmespeicherung.
  • Mindestens ein Fach (bevorzugt alle Fächer) kann eine Länge, Breite und/oder Höhe aufweisen, die im Wesentlichen der Länge, Breite und/oder Höhe des Behälters des Speicherelements entspricht, bevorzugt eine Länge und/oder Breite von 40–100 cm, bevorzugt 50–90 cm, besonders bevorzugt 60–80 cm und/oder eine Höhe von 4–20 cm, bevorzugt 6–18 cm, besonders bevorzugt 8–16 cm, wobei insbesondere die maximale Höhe der Latentwärmespeicher 200 cm beträgt. Diese Abmessungen sind besonders vorteilhaft, da sie die Kontaktfläche zwischen Speicherelement und Fachboden, Gerüst und/oder Fachboden eines benachbarten Fachs maximieren, wodurch der Wärmeaustausch begünstigt wird.
  • Der wärmeübertragende Fachboden kann aus einem Metallblech bestehen, bevorzugt ein Metallblech einer Dicke von 0,1 bis 2 mm, insbesondere einem Stahlblech. Ein Metallblech ist in dieser Stärke ökonomisch herzustellen, weist eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine gute mechanische Belastbarkeit auf. Denkbar ist jedoch auch, dass der Kohlenstofffasern oder eine Kohlenstofffasermatte enthält oder daraus besteht. Diese weist eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit, eine gute mechanische Belastbarkeit und auch ein sehr geringes Gewicht auf.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform enthält ein Gebäuderaum, bevorzugt ein Kellerraum, den erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher.
  • Darüberhinaus wird ein Wärmekreislauf vorgeschlagen, der mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens fünf, insbesondere mindestens zehn, der erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher aufweist.
  • Ferner kann der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher und/oder Wärmekreislauf Magnetventile enthalten. Der Latentwärmespeicher und/oder der Wärmekreislauf kann auch eine elektronische Ansteuerung enthalten, welche die Ansteuerung von einem Latentwärmespeicher in Anhängigkeit von seinem Ladezustand regelt. Optional enthält der Latentwärmespeicher und/oder der Wärmekreislauf einen Anschluss an einen wasseregefüllten Pufferspeicher und/oder einen Anschluss an einen Solarkollektor.
  • Insbesondere ist eine Vorderseite des Latentwärmespeichers für Wartungszwecke zugänglich, bevorzugt über eine verschließbare Öffnung an der Vorderseite des Latentwärmespeichers.
  • Ferner wird die Verwendung des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers oder des erfindungsgemäßen Wärmekreislaufs zur Beheizung von Räumen und/oder zur Beheizung von Gebäuden vorgeschlagen. Ferner wird die Verwendung des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers als Saisonalspeicher vorgeschlagen.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
  • 1A zeigt ein erfindungsgemäßes Speicherelement 1 enthaltend einen flexiblen Behälter 2 mit einem Innenraum 3. Der Behälter 2 enthält eine erste Öffnung 4, die hier gasdicht und flüssigkeitsdicht verschlossen ist. Einzelne Speicherelemente – wie das hier dargestelllte – können mit einer Tauchhülse 11 zur Aufnahme eines Temperaturmessfühlers ausgestattet sein. Zudem enthält der Behälter 2 eine zweite Öffnung 5 und einen flexiblen oder starren Schlauch 6, der gasdicht und flüssigkeitsdicht mit der zweiten Öffnung 5 verbunden ist. 1B zeigt eine detaillierte Darstellung von dem Schlauch 6. Der Schlauch 6 weist ein erstes Ende 7, ein zweites Ende 8 und einen Innenraum 9 auf. In dem Innenraum 9 befindet sich hier ein saugfähiger Faden 10. Das erste Ende 7 ist gasdicht und flüssigkeitsdicht nach außen verschlossen (z. B. unter Hitzeeinwirkung verschmolzen). Das zweite Ende 8 ist so mit der zweiten Öffnung 5 des Behälters 2 verbunden, dass der Innenraum 3 des Behälters 2 und der Innenraum 9 des Schlauchs 6 fluidisch verbunden sind und nach außen gasdicht und flüssigkeitsdicht verschlossen sind.
  • 2A zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Speicherelements 1 enthaltend einen starren Behälter 2 mit einem Innenraum 3. Der Behälter 2 enthält eine erste Öffnung 4, die hier gasdicht und flüssigkeitsdicht verschlossen ist. Zudem enthält der Behälter 2 eine zweite Öffnung 5 und einen flexiblen oder starren Schlauch 6, der gasdicht und flüssigkeitsdicht mit der zweiten Öffnung 5 verbunden ist. Ferner enthält der starre Behälter 2 einen luftgefüllten oder luftleeren Ballon 12, der aus gasdichtem und flüssigkeitsdichten Material besteht und über eine Öffnung 13 eine fluidische Verbindung zur Umgebungsluft aufweist, wobei die Öffnung 13 des Ballons 12 gasdicht und flüssigkeitsdicht mit dem starren Behälter 2 verbunden ist. 2B zeigt ein erfindungsgemäßes Speicherelement 1 enthaltend einen starren Behälter 2 mit einem Innenraum 3. Der Behälter 2 enthält eine erste Öffnung 4, die hier gasdicht und flüssigkeitsdicht verschlossen ist. Zudem enthält der Behälter 2 eine zweite Öffnung 5 und einen flexiblen starren Schlauch 6, der gasdicht und flüssigkeitsdicht mit der zweiten Öffnung 5 verbunden ist. Ferner enthält der starre Behälter 2 eine Tauchhülse 11 zur Temperaturmessung über einen Temperaturmessfühler, wobei die Tauchhülse 11 hier über eine gasdichte und flüssigkeitsdichte Verbindung mit der ersten Öffnung 4 des Behälters 2 verbunden ist.
  • 3 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers 14. Der Latentwärmespeicher 14 enthält in diesem Beispiel vierzehn Fächer 15 mit je einem Fachboden 16. Die Böden sind jeweils fluidisch mit einem Sammler 18 und einem Verteiler 19 verbunden, wobei Sammler 18 und Verteiler 19 jeweils einen Verteilernetzanschluss 21 aufweisen. Einige der Fächer 15 sind mit Speicherelementen 1 belegt. Es ist dargestellt, dass der Schlauch 6 jedes Speicherelements 1 durch die Isolationsschicht 20 in den Außenraum ragt und somit der Umgebungstemperatur des Latentwärmespeichers 14 ausgesetzt ist. Dieser Teil des Schlauchs 6 weist stets zumindest teilweise kristallines Latentwärmespeichermaterial auf, das als „Starter” für die Kristallisation von flüssigen Latentwärmespeichermaterial im Inneren des Speicherelements 1 dient, sobald dessen Temperatur unter die Schmelztemperatur des Latentwärmespeichermaterials gesunken ist (metastabiler Zustand).
  • 4 zeigt den Fachboden 16 eines Fachs des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers (Fachboden 16 in Fach 15 in 3) und die an dem Fachboden 16 angebrachte, hier mäanderförmige, Fluidleitung 17 mit Wärmefluid (z. B. Wasser). Die Fluidleitung 17 ist an einer Seite des Fachs 15 mit einem Verteiler 18 und an der gegenüberliegenden Seite des Fachs 15 mit einem Sammler 19 fluidisch verbunden.
  • 5 zeigt ein Diagramm über die Energiedichten und Schmelzpunkte einiger Latentwärmespeichermaterialien (Quelle: Kakiuchi et al. (1998) IEA Annex 10 – „PCMs and chemical reactions for thermal energy storage", 2nd Workshop, 11.–13. November, Sofia, Bulgarien). Aus dem Diagramm wird deutlich, dass unterschiedliche Wärmeabgabeplateaus erzeugt werden können, falls verschiedene erfindungsgemäße Latentwärmespeicher in einem Wärmekreislauf jeweils mit Speicherelementen ausgestattet sind, die unterschiedliche Latentwärmespeichermaterialien enthalten. Beispielsweise enthält ein erster Latentwärmespeicher im Wärmekreislauf ein mit Natriumactetat gefülltes Speicherelement (Wärmeabgabeplateau bei ca. 58°C) und ein zweiter Latentwärmespeicher ein mit Xylitol gefülltes Speicherelement (Wärmeabgabeplateau bei ca. 92°C). Durch Kombination verschiedener Latentwärmespeichermaterialien kann somit in einem bestimmten Temperaturbereich ein annähernd linearer Wärmeabgabegradient in dem Wärmekreis erzeugt werden.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • Rogerson & Cardoso (2003) AIChE Journal, Vol. 49, No. 2, S. 505–529 [0005]
    • Quelle: Kakiuchi et al. (1998) IEA Annex 10 – „PCMs and chemical reactions for thermal energy storage”, 2nd Workshop, 11.–13. November, Sofia, Bulgarien [0047]

Claims (10)

  1. Latentwärmespeicher (14) enthaltend a) mindestens ein Fach (15), wobei das mindestens eine Fach (15) i) einen wärmeübertragenden Fachboden (16) aufweist, an dessen Unterseite eine Fluidleitung (17) zur Leitung eines Wärmefluids angebracht ist; und ii) eine Isolationsschicht (20) zur thermischen Isolierung des Fachs (15) aufweist, die an mindestens einer Seitenwand des Fachs (15) angebracht ist; b) mindestens ein Speicherelement (1), das den wärmeübertragenden Fachboden (16) des mindestens einen Fachs (15) kontaktiert, wobei das Speicherelement (1) i) einen flexiblen oder starren Behälter (2) mit einem Behälterinnenraum (3) enthält, wobei der Behälterinnenraum (3) ein Latentwärmespeichermaterial enthält und der Behälter (2) eine erste Öffnung (4) aufweist, die flüssigkeitsdicht verschließbar ist und der Behälter (2) eine zweite Öffnung (5) aufweist; und ii) einen flexiblen oder starren Schlauch (6) enthält, der ein erstes Ende (7), ein zweites Ende (8) und einen Schlauchinnenraum (9) aufweist, wobei das erste Schlauchende (7) flüssigkeitsdicht verschlossen ist und das zweite Schlauchende (8) so mit der zweiten Öffnung (5) des Behälters (2) verbunden ist, dass der Behälterinnenraum (3) und der Schlauchinnenraum (9) über eine flüssigkeitsdichte Verbindung fluidisch verbunden sind; und c) einen Verteiler (18), der fluidisch mit der Fluidleitung (17) verbunden ist und einen Verteilernetzanschluss (21) aufweist; d) einen Sammler (19), der fluidisch mit der Fluidleitung (17) verbunden ist und einen Verteilernetzanschluss (21) aufweist; oder bestehend daraus, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauchinnenraum (9) das gleiche Latentwärmespeichermaterial wie im Behälterinnenraum enthät und mit dem Behälterinnenraum (3) fluidisch verbunden ist, wobei der Schlauch (6) zumindest bereichsweise in einem Bereich außerhalb des durch die Isolationsschicht (20) isolierten Fachs (15) angeordnet ist und Latentwärmespeichermaterial im Schlauchinnenraum (9) in dem Bereich außerhalb des Fachs (15) zumindest teilweise in kristalliner Form vorliegt.
  2. Latentwärmespeicher (14) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (9) des Schlauchs (6) einen saugfähigen Faden (10) enthält, der in dem Innenraum (3) des Behälters (2) befindliches Latentwärmespeichermaterial kontaktiert.
  3. Latentwärmespeicher (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) eine Tauchhülse (11) zur Temperaturmessung über ein Thermometer enthält, wobei die Tauchhülse (11) bevorzugt aus einem gasdichten und flüssigkeitsdichten Material besteht.
  4. Latentwärmespeicher (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) einen luftgefüllten oder leeren Ballon (12) zum Ausgleich von Volumenänderungen im Innenraum (3) des Behälters (2) enthält, wobei der luftgefüllte oder leere Ballon (12) über eine Öffnung (13) des Ballons (12) eine fluidische Verbindung zur Umgebungsluft aufweist und der Rand der Öffnung (13) des Ballons (12) mit dem Behälter (2) verbunden ist.
  5. Latentwärmespeicher (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2), Schlauch (6), die Tauchhülse (11) und/oder der Ballon (12) mindestens eine Kunststoffschicht und/oder mindestens eine Metallschicht enthält, bevorzugt mindestens zwei Kunststoffschichten, besonders bevorzugt mindestens drei Kunststoffschichten, wobei mindestens eine Metallschicht insbesondere zwischen zwei Kunststoffschichten angeordnet ist.
  6. Latentwärmespeicher (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (17) eine Rohrleitung enthält oder daraus besteht, wobei die Rohrleitung bevorzugt zumindest bereichsweise mäanderförmig und/oder netzförmig ist, optional eine Rollbondbauweise aufweist.
  7. Latentwärmespeicher (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fachboden (16) des Fachs (15) zu einem Fachboden eines weiteren Fachs über ein Gerüst beabstandet ist, wobei das Gerüst den Verteiler (18), den Sammler (19) und/oder die Isolationsschicht (20) enthält oder daraus besteht.
  8. Latentwärmespeicher (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (20) eine Vakuumdämmung enthält oder daraus besteht.
  9. Wärmekreislauf enthaltend mindestens zwei Latentwärmespeicher (14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Verwendung des Speicherelements (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder dem Wärmekreislauf gemäß Anspruch 9 zur Beheizung von Räumen, zur Beheizung von Gebäuden und/oder zur saisonalen Wärmespeicherung.
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Title
Quelle: Kakiuchi et al. (1998) IEA Annex 10 – „PCMs and chemical reactions for thermal energy storage", 2nd Workshop, 11.–13. November, Sofia, Bulgarien
Solidification in Heat Packs: 1. Nucleation Rate. In: AIChE Journal, Vol. 49, No. 2, February 2003, 505-515. *

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