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Die Erfindung betrifft ein Solarenergienutzungssystem für Flugbetriebsflächen mit den Merkmalen der Anspruchs 1 und ein Solarenergienutzungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
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Der Betrieb von Flughäfen ist energieintensiv, da insbesondere große Räume in Terminals oder anderen Einrichtungen geheizt oder gekühlt werden müssen. Daher besteht die Aufgabe, eine energieeffiziente Ausstattung von Flughäfen bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch ein Solarenergienutzungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Es geht dabei um ein Solarenergienutzungssystem für Flugbetriebsflächen, insbesondere Rollbahnen, Vorfelder, Startbahnen, Landebahnen und / oder Freiflächen eines Flughafens. All diesen Flugbetriebsflächen ist gemeinsam, dass sie über eine feste Oberfläche, meistens aus Beton, verfügen. Die Flugbetriebsflächen müssen weltweit bestimmte Mindestvoraussetzungen, insbesondere hinsichtlich der Dicke und der Belastbarkeit, einhalten. In jedem Fall stehen große Flächen, und damit auch große Massen z.B. an Beton, zur Verfügung, auf die Sonnenstrahlung einwirkt.
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Im Rahmen des Solarenergienutzungssystems dient eine Wärmequellenvorrichtung zur Entziehung von Wärmenergie, die von Sonneneinstrahlung induziert ist, aus dem Material oder dem Materialverbund der Flugbetriebsfläche.
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Die gewonnene Wärme aus den Flugbetriebsflächen kann durch mindestens eine weitere Vorrichtung weiter verarbeitet werden, wobei unterschiedliche Vorrichtungen auch miteinander kombinierbar sind.
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So dient z.B. mindestens eine Wärmespeichervorrichtung der zeitweisen Speicherung der Wärmeenergie.
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Mindestens eine Heizvorrichtung kann z.B. zur Beheizung mindestens eines Gebäudes, insbesondere eines Flughafengebäudes dienen.
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Mittels einer Kühlvorrichtung, z.B. unter Verwendung einer Absorptionskältevorrichtung in Verbindung mit einer Wärmepumpenvorrichtung, kann eine Kühlmöglichkeit bereitgestellt werden. Damit ist es z.B. möglich, die eingestrahlte Sonnenwärme so umzusetzen, dass Kühlenergie z.B. für ein Flughafengebäude bereitgestellt wird. Da die Anforderung an die Kühlleistung in der Regel dann am höchsten ist, wenn auch die Sonneneinstrahlung stark ist, kann mit dieser Kombination ein Flughafensystem thermisch effizient zeitsynchron betrieben werden.
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Auch kann die Wärmenergie in mindestens einer Stromerzeugungsvorrichtung verwendet werden.
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Mindestens eine Wärmepumpenvorrichtung kann zur Temperaturerhöhung der mit der Wärmequellenvorrichtung gewonnenen Wärmeenergie dienen. Durch die Temperaturanhebung kann der Nutzwert der Wärme gesteigert werden.
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Durch die Verwendung der Wärmequellenvorrichtung wird eine bisher thermisch ungenutzte Fläche der Flugbetriebsflächen - und damit eine sehr große Masse - einer thermischen Auswertung zugänglich gemacht. Da durch die Sonneneinstrahlung nur bestimmte Temperaturwerte erreichbar sind, kann mit Hilfe der mindestens einen Wärmepumpenvorrichtung thermisch wertvollere Energie erzeugt werden, die dann für eine weitere Nutzung zur Verfügung gestellt werden kann.
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In einer Ausführungsform weist die Wärmequellenvorrichtung ein Rohrsystem, insbesondere ein Kapillarrohrsystem auf, wobei im Betrieb als im Rohrsystem strömendes Wärmemedium z.B. ein Wasser-Glykol Gemisch verwendet wird. Solche Rohrsysteme können einfach verlegt werden und sind hinreichend wartungsarm.
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Dabei durchzieht in einer Ausführungsform das Rohrsystem der Wärmequellenvorrichtung mindestens einen Teil der Flugbetriebsfläche, insbesondere mäanderförmig. Mäanderförmig bedeutet hier, dass z.B. ein Rohr in bestimmten Abständen seine Richtung - meist in einem regelmäßigen Muster - ändert, um so einen Bereich der Flugbetriebsfläche systematisch zu durchziehen. Auch mehrere Rohre können zur Flächenabdeckung mäanderförmig angeordnet sein. Die Rohre des Rohrsystems können dabei einen Durchmesser zwischen 2 und 10 cm aufweisen und / oder die Rohre weisen in Abschnitten, in denen sie parallel zueinander angeordnet sind, einen Abstand zwischen 5 und 100 cm, insbesondere zwischen 5 und 20 cm auf. In einer weiteren Ausführungsform sind die Rohre des Rohrsystems im Mittel zwischen 5 und 15 cm unterhalb der Oberfläche der Flugbetriebsfläche angeordnet. Häufig wird eine schichtenmittige Anordnung des Rohrsystems in der Betondecke der Flugbetriebsfläche sinnvoll sein.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Wärmespeichervorrichtung mindestens einen sensiblen Wärmespeicher, insbesondere einen Massivabsorber, mindestens einen latenten Wärmespeicher und / oder mindestens einen thermochemischen Wärmespeicher auf. Dabei kann in einer Ausführungsform Wasser in einem sensiblen Wärmespeicher und / oder in einer latenten Wärmespeichervorrichtung, insbesondere in einem Eisspeicher, verwendet werden.
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Ferner weist in einer Ausführungsform die mindestens eine Wärmepumpenvorrichtung eine Kompressions-Wärmepumpe, eine Absorptions-Wärmepumpe oder eine Adsorptions-Wärmepumpe auf.
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Um die Sonnenstrahlung auf die Flugbetriebsfläche effizient zu nutzen, weist in einer Ausführungsform die Flugbetriebsfläche zur Erhöhung der Wärmeabsorption mindestens teilweise eine reflexionsmindernde Beschichtung oder Farbe auf, insbesondere für kurzwellige Strahlung und einen Reflexionsgrad von kleiner 25% bei Beton.
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In einer Ausführungsform weist das Material oder der Materialverbund der Flugbetriebsfläche Beton auf, wobei die Dicke der Flugbetriebsfläche, der die Wärmequellenvorrichtung Wärmenergie entzieht, zwischen 20 cm und 80 cm, insbesondere zwischen 30 und 40 cm, beträgt.
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Auch kann in einer Ausführungsform des Solarenergienutzungssystems die mindestens eine Wärmespeichervorrichtung Wärmenergie mindestens teilweise an ein Nah- oder Fernwärmenetz abgeben.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Solarenergienutzungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Als Ausführungsformen können hier Wärmespeichervorrichtungen oder Kühlvorrichtungen jeweils in Verbindung mit einer Wärmepumpenvorrichtung verwendet werden.
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Beispielhafte Ausführungsformen für das Solarenergienutzungssystem und das Solarenergienutzungsverfahren werden anhand der folgenden Figuren beschrieben. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines Flughafens mit Flugbetriebsflächen;
- 2 eine schematische Darstellung des Prinzips einer Ausführungsform einer Solarenergienutzungsvorrichtung;
- 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Solarenergienutzungsvorrichtung und des Solarenergienutzungsverfahrens für eine Flugbetriebsfläche;
- 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Solarenergienutzungsvorrichtung und des Solarenergienutzungsverfahrens für eine Flugbetriebsfläche;
- 5 eine schematische Schnittansicht durch eine Flugbetriebsfläche.
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In 1 ist in einer Draufsicht schematisch ein Flughafen mit einem Flughafengebäude 20 dargestellt. Die Flugzeuge 21 bewegen sich auf Flugbetriebsflächen 10, wie z.B. Rollbahnen, Vorfeldern (umfassend Aprons und Ramps), Startbahnen, Landebahnen, oder Freiflächen.
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Typischerweise sind die Flugbetriebsflächen 10 mit einer Decke aus Beton versehen, wobei bei Flughäfen die vom Beton bedeckten Fläche in der Größenordnung von 105 bis 106 m2 liegen. Diese Flugbetriebsflächen 10 sind direkter oder diffuser Sonnenstrahlung S ausgesetzt, so dass sich die Flugbetriebsflächen 10 im Laufe eines Tages erwärmen. Dabei können die Flugbetriebsflächen 10 Temperaturen von mehr als 60°C erreichen.
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Die Menge der im Jahresmittel eingestrahlten Energie hängt u.a. von der geographischen Lage des Flughafens ab.
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Die flächenbezogene solare Energiestrahlung ist bis zur Atmosphäre weitgehend konstant (1.368 W/m2). Durch atmosphärische Reflexion, Streuung und Absorption vermindert sich die Einstrahlung auf dem Erdboden jedoch. Für Berlin (52° nördliche Breite) beträgt die Strahlungsleistung im Mittel 125 W/m2. Die Globalstrahlung als mittlere Jahressumme beträgt in Deutschland zwischen 900 kWh/m2 an der Küste und 1.200 kWh/m2 in Süddeutschland. In Regionen um den Äquator beträgt die Globalstrahlung bis zu 2.500 kWh/m2, d.h. sie ist mehr als doppelt so hoch wie in Deutschland.
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Die großen Flächen der Flughafenbetriebsflächen 10 und die relevante Sonneneinstrahlung S auf die Flughafenbetriebsflächen 10 tragen somit erhebliche Mengen an Wärmeenergie in das Material ein. Die Wärmeenergie kann mit den in der Folge beschriebenen Ausführungsformen eines Solarenergienutzungssystems oder eines Solarenergienutzungsverfahren nutzbar gemacht werden.
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In einer Draufsicht ist in 2 ein Rohrsystem 4 als Wärmequellenvorrichtung innerhalb einer Flugbetriebsfläche 10 dargestellt. Das Rohrsystem 4 weist hier ein einziges mäanderförmig verlegtes Rohr aus Polyethylen auf. Die mäanderförmige Anordnung ist hier als eine Art Schlangenmuster ausgebildet, d.h. das Rohr ändert in regelmäßigen Abständen seine Richtung, wobei längere Abschnitte des Rohres parallel zu einander liegen. Grundsätzlich sind auch andere Formen der Rohrverlegung möglich.
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Die Flugbetriebsfläche 10 wird durch Sonneneinstrahlung S aufgeheizt.
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Das Rohrsystem 4 wird hier von einer Wasser-Glykolmischung (z.B. 61% Wasser - 39% Glykol) als Wärmemedium durchströmt. Durch die Sonneneinstrahlung S erhitzt sich das Wärmemedium im Material (oder im Materialverbund) der Flugbetriebsfläche 10.
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Das erhitzte Wärmemedium kann dann mit einer Reihe von unterschiedlichen Vorrichtungen weiterverwendet werden.
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In 2 ist das Prinzip dargestellt, nach dem das Wärmemedium
- • mindestens einer Wärmespeichervorrichtung 3 zur zeitweisen Speicherung der Wärmeenergie,
- • mindestens einer Heizvorrichtung 31 zur Beheizung mindestens eines Gebäudes, insbesondere eines Flughafengebäude,
- • mindestens einer Kühlvorrichtung 32,
- • mindestens einer Stromerzeugungsvorrichtung 33 und / oder
- • mindestens einer Wärmpumpenvorrichtung 2 zugeführt werden kann.
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Die hier genannten Vorrichtungen werden dabei in der Regel nicht einzeln verwendet. In den 3 und 4 sind beispielhaft einige Kombinationsmöglichkeiten dargestellt, wobei der Teil der Wärmequellenvorrichtung mit dem Rohrsystem 4 der Ausführungsform gemäß 2 entspricht, so dass auf die entsprechende Beschreibung Bezug genommen werden kann.
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In der Ausführungsform gemäß 3 wird das Wärmemedium einer Wärmepumpenvorrichtung 2 zur Temperaturerhöhung zugeführt, da die Ausgangstemperatur des Wärmemediums aus der Flugbetriebsfläche 10 relativ niedrig ist. Durch die Erhöhung der Temperatur wird der Nutzwert der Wärmeenergie gesteigert, wobei diese Steigerung durch eine externe Energiezufuhr Q bewirkt wird. Das Wärmemedium wird nach der Abgabe der Wärmeenergie in der Wärmepumpenvorrichtung 2 über eine Pumpe 5 wieder zum Rohrsystem 4 der Flugbetriebsfläche 10 gepumpt.
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Mit dem nun relativ heißen Wärmemedium wird dann eine Absorptionswärmevorrichtung als Kühlvorrichtung 32 betrieben. Die dabei generierte Kühlenergie kann zur Klimatisierung eines Flughafengebäudes 20 verwendet werden. Dabei würde ausgenutzt werden, dass die geforderte Kühlleistung in der Regel dann hoch ist, wenn die Sonneneinstrahlung hoch ist. Man bräuchte keinen Wärmespeicher, da thermischen Vorgänge des Aufheizens und des Kühlens zeitlich synchron erfolgen.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Die von der Wärmepumpenvorrichtung 2 bereitgestellte Wärmeenergie wird hier nicht sofort verbraucht. Sie wird von der Wärmepumpenvorrichtung 2 zu mindestens einer Wärmespeichervorrichtung 3 zur zeitweisen Speicherung der Wärmeenergie geführt. Die Wärmespeichervorrichtung 3 kann dann die Wärmeenergie zu einer vorbestimmten Zeit an einen Verbraucher abgeben. Eine mögliche Verwendung ist die Abgabe zu Heizzwecken an das Flughafengebäude 20.
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Eine Wärmespeichervorrichtung 3 ist eine energietechnische Einrichtung, welche die drei folgenden Prozesse aufweist: Einspeichern (Laden), Speichern und Ausspeichern (Entladen).
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Bei einer sensiblen Wärmespeichervorrichtung 3 für thermische Energie erfolgt eine fühlbare Änderung der Temperatur der Wärmespeichervorrichtung 3. Ein Speichermedium wird erhitzt oder abgekühlt. Die Menge der gespeicherten Energie ist abhängig von der spezifischen Wärmekapazität des Stoffes. Da bei sensiblen Wärmespeichervorrichtungen 3 die Temperaturdifferenzen zwischen Speichermedium und Umgebung in der Regel größer sind als bei den anderen Speicherarten, spielt hier die Wärmedämmung eine große Rolle. Da Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität hat und über weitere Vorteile wie eine gute Umweltverträglichkeit, eine hohe Verfügbarkeit und geringe Kosten verfügt, werden viele sensible Wärmespeicher mit Wasser betrieben. Alternativ können auch Sand, Kies, Gestein (z.B. Granit), Beton, Ziegelsteine, Eisen, Thermoöl, eine Kies-Wasser Schüttung, Salzschmelze oder Natrium verwendet werden.
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Im Zusammenhang mit Flugbetriebsflächen 10 kann ein Teil der Flugbetriebsfläche 10 als Wärmespeichervorrichtung 3 mit Beton als Speichermedium verwendet werden. Dies ist auf Grund der vorhandenen großen Betonmassen möglich.
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Bei latenten Wärmespeichervorrichtungen 3 wird zusätzlich zur sensiblen Wärme die für einen Phasenwechsel notwendige Energie gespeichert. In der Praxis wird üblicherweise der Phasenübergang fest - flüssig genutzt. Dabei können Phasenwechelmedien, wie z.B. Wasser, Salzhydrate, Salze, Salzmischungen, Paraffin, Fettsäuren, Zuckeralkohol oder PEG, verwendet werden.
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Ein Eisspeicher ist eine Möglichkeit für eine latente Wärmespeichervorrichtung 3. Dabei wird die hohe Kristallisationsenergie ausgenutzt, die beim Phasenübergang von 0° C kaltem Wasser zu 0°C kaltem Eis freigesetzt wird. Diese Energie reicht aus, um Wasser von 0 °C auf 80 °C zu erhitzen. Ein solches Volumen kann z.B. unterhalb der Wärmequellenvorrichtung 1, d.h. dem Beton der Flugbetriebsfläche 10, angeordnet werden.
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Bei einer thermochemischen Wärmespeichervorrichtung 3 werden chemisch reversible Reaktionen (z.B. unter Verwendung von Silikagelen oder Metallhydriden) verwendet, bei denen die Reaktionsprodukte getrennt und über lange Zeit gespeichert werden können. Durch die Trennung treten keine Speicherverluste auf. Erst bei der Entladung gibt die exotherme Reaktion die gespeicherte Energie wieder frei. Thermochemische Energiespeicher erlauben sehr hohe Energiespeicherdichten.
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Grundsätzlich ist es möglich, dass mehrere und auch unterschiedliche Wärmespeichervorrichtungen 3 miteinander kombiniert werden. Auch ist es möglich, die Wärmespeichervorrichtung 3 des Solarenergienutzungssystems für Flugbetriebsflächen 10 mit einer Solarzellenanlage zu koppeln.
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Eine Energiebilanzierung eines Solarenergienutzungssystems für eine Flugbetriebsfläche 10 mit einer Fläche von 10.000 m2 in Berlin oder einem vergleichbaren geografischem Ort ergibt z.B. in einem Jahr eine Energie von 3.263 MWh.
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Für die thermischen Eigenschaften des Materials der Flugbetriebsflächen 10 (z.B. Beton) spielen die Materialparameter Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Temperaturleitzahl (d.h. Verhältnis von Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität) und / oder der Reflexionskoeffizient eine Rolle.
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Bei Beton hängt die Wärmeleitfähigkeit vom Hydratationsgrad, dem Feuchtegehalt, der Gesteinskörnung, der Porenart und dem Porengehalt ab.
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In einer Ausführungsform wird ein Beton C35/45 (E=34.000 N/mm2, Poissonzahl = 0,15, Wärmeleitfähigkeit 2,3 W/mK, Wärmekapazität 1.000 J/KgK, Rohdichte 2.300 kg/m3) mit einer Dicke von 40 cm verwendet. Bei einer durchaus üblichen Flugbetriebsfläche 10 mit einer Größe von 300.000 m2 ergibt das ein Betonvolumen von 120.000 m3 mit einer Masse von 276.000 t.
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In 5 ist eine Schnittansicht durch eine Flugbetriebsfläche 10 dargestellt, in der drei geschnittene Rohre des Rohrsystems 4 dargestellt sind. Der mittlere Abstand a zwischen zwei der mäanderförmig verlegten Rohre (siehe 2) beträgt 15 cm. Die Rohre des Rohrsystems 4 sind hier in einer Ebene verlegt. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Rohre mindestens teilweise in unterschiedlichen Ebenen verlegt sind. Typischerweise werden die Rohre ca. 15 bis 20 cm unterhalb der Oberfläche verlegt werden, d.h. in etwa schichtenmittig.
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Die Rohre sind in der Ausführungsform gemäß 5 äquidistant verlegt, was nicht zwingend ist. Es ist möglich die Anordnung der Rohre entsprechend den baulichen und / oder wärmetechnischen Anforderungen anzupassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmequellenvorrichtung
- 2
- Wärmepumpenvorrichtung
- 3
- Wärmespeichervorrichtung
- 4
- Rohrsystem
- 5
- Pumpe
- 10
- Flugbetriebsfläche eines Flughafens
- 20
- Flughafengebäude
- 21
- Flugzeug
- 31
- Heizvorrichtung
- 32
- Kühlvorrichtung
- 33
- Stromerzeugungsvorrichtung
- a
- mittlerer Abstand zwischen Rohren
- Q
- Wärmezufuhr
- S
- Sonneneinstrahlung
