DE102017102855A1

DE102017102855A1 - System zur Energieversorgung eines Gebäudes, Verwendung einer Brennstofzellenanordnung zur Energieversorgung eines Gebäudes und Feststoffwärmespeicher

Info

Publication number: DE102017102855A1
Application number: DE102017102855.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2018-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Feststoffwärmespeicher (150), umfassend ein mineralisches Speichermaterial. Nach der Erfindung umfasst eine Bodenplatte (152) eines Gebäudes ein mineralisches Wärmespeichermaterial (162, 163) und ist in der Weise ausgeführt, dass in diese wenigstens eine Einrichtung, geeignet zum Eintrag und zur Entnahme von Wärme, eingebracht sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zur Energieversorgung eines Gebäudes, umfassend eine Brennstoffzellenanordnung (110, 112) zur Erzeugung von Elektroenergie (135) und Wärmeenergie (137), eine Solarthermieanlage (122) und einen Kaminwärmeübertrager (228) zur Gewinnung von Wärmeenergie (137) aus Rauchgas, Wärmeübertrager zur Übertragung der Wärmeenergie (137) auf ein Wärmeträgerfluid, ein Schichtwärmespeicher (120) zur kurzfristigen Speicherung von Wärmeenergie (137) und dem Angebot von erwärmtem Brauchwasser, wobei weiterhin ein elektrisches Hausstromnetz (114) des Gebäudes durch die Brennstoffzellenanordnung (110, 112) mit Elektroenergie (135) versorgt und ein Wärmenetz mit Wärmeenergie (137) versorgt wird. Erfindungsgemäß umfasst die Brennstoffzellenanordnung (110, 112) zumindest eine Brennstoffzelle (110) und eine Batterieanordnung (112), wobei zur Beheizung des Gebäudes eine elektrisch betriebene Infrarotheizung (224) oder/und eine Wärmeträgerheizung mit einem Wärmeträgerfluid, umfassend zumindest eine von dem Wärmeträgerfluid durchströmte Kapillarrohrmatte (124) zur Anbringung an Rauminnenflächen vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Energieversorgung eines Gebäudes, eine Verwendung einer Brennstoffzellenanordnung zur Energieversorgung eines Gebäudes und einen Feststoffwärmespeicher.
Brennstoffzellenanordnungen kommen, wie auch andere Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung, beispielsweise Blockheizkraftwerke, kommen immer dort zum Einsatz, wo neben der Elektroenergie auch Wärmenergie genutzt werden kann. Wichtige Einsatzgebiete für Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung sind deshalb Wohnsiedlungen, Gewerbebetriebe, Gewerbeparks, öffentliche Gebäude oder Schwimmbäder. Diese Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung sind für lange Laufzeiten unter Vollast konzipiert und arbeiten entweder in einer wärmegeführten oder stromgeführten Betriebsweise. Bei der wärmegeführten Betriebsweise ist die Steuergröße der Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung der Wärmebedarf und bei der stromgeführten Betriebsweise der Strom. Voraussetzung für eine wirtschaftliche Betriebsweise ist eine weitgehend unterbrechungsfreie Laufzeit von mindestens 6000 Stunden pro Jahr. Des Weiteren ist bekannt, in Mehrfamilienhäusern Mini-Blockheizkraftwerke mit Leistungen kleiner 50 kW und in Einfamilienhäuser sogenannte Mikro-Blockheizkraftwerke mit Leistungen kleiner 20 kW einzusetzen, die jedoch auch eine Mindestlaufzeit von > 5000 Stunden pro Jahr und zudem einen Zusatzkessel oder einen Pufferspeicher erfordern. Bisher konnten sich die Mikro-BHKW bei Einfamilienhäusern nicht durchsetzen, weil die gefordert hohe jährliche Laufleistung nicht erreicht wird, ihre Anschaffungs- und Wartungskosten zu hoch sind und der elektrische Wirkungsgrad zu gering ist.
Die Verwendung einer Brennstoffzellenanordnung zur Energieversorgung eines Gebäudes ist insbesondere bekannt als eine eine Normalheizung ergänzende Zusatz- oder Sonderheizung auf Grundlage einer Brennstoffzellenanordnung, beispielsweise aus den Druckschriften DE 23 25 011 A und DE 24 36 252 A1 . Nachteilig ist das Erfordernis einer weiteren Quelle für die Heizenergie.
Nach den Druckschriften DE 102 55 900 A1 , DE 100 55 335 A1 und DE 200 19 028 U1 ist ein Pufferspeicher vorgesehen, um zusätzliche Wärmeenergie bereitzustellen, wenn ein Bedarf eine momentane Bereitstellung übersteigt. Jedoch ist es erforderlich, ausreichend Platz für die Aufstellung des Pufferspeichers vorzusehen. Andere Wärmespeichersysteme sind teuer und aufwändig, wie der auf Basis von Wärmespeicherblöcken beruhende Wärmespeicher nach Druckschrift EP 21 58 432 B1 oder Latentwärmespeicher nach den Druckschriften WO 2008/135100 A1 oder WO 2008/087032 A1 .
Die Druckschrift WO 2010/102953 A1 sieht ein komplexes System vor, das einzelne Einheiten von Brennstoffzellen, die überwiegend zur Heizung dienen und einen Wärmespeicher beladen können, zur Belieferung eines Elektroenergienetzes mit elektrischem Strom beitragen. Dadurch wird aber weder die umfassende Versorgung des betreffenden Gebäudes als Standort der Brennstoffzelle mit Elektroenergie berücksichtigt, noch wird die Ausbildung des kostengünstigen und platzsparenden Wärmespeichers offenbart. Die Druckschrift DE 10 2012 023 539 A1 hingegen sieht alternativ einen Feststoffspeicher vor, der jedoch als ein Salzspeicher oder ein Phasenwandlungsspeicher ausgeführt ist, während aus der Druckschrift WO 2016/030 351 A1 keine konkrete Ausgestaltung eines Wärmespeichers hervorgeht.
Die Druckschriften DE 10 2015 009 086 A1 und EP 3 124 878 A1 beschreiben ein insgesamt sehr vorteilhaftes Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Blockheizkraftwerkes, das auch als Brennstoffzelle ausgeführt sein kann, für ein Einfamilienhaus, umfassend Speicher für Wärme- und Elektroenergie. Jedoch ist die Speicherkapazität nicht so ausgelegt, dass ein kontinuierlicher Betrieb der Brennstoffzelle möglich ist. Der Wärmespeicher ist als Wasserspeicher ausgelegt, so dass mit einer hohen Wärmekapazität ein großer Platzbedarf einherginge.
Ein Feststoffwärmspeicher aus Beton ist bekannt aus der Druckschrift DE 10 2012 218 634 A1 , nach Druckschrift DE 31 01 537 A1 ist dieser unter einem Gebäude angeordnet. Nachteilig ist der Aufwand, der zur Herstellung der Grube und deren Isolation erforderlich ist.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnungen bevorzugt für Einfamilienhäuser bereitzustellen, mit denen bei Erhöhung der Laufzeit eine Verbesserung des thermischen und elektrischen Wirkungsgrades erreicht und der Wartungsaufwand sowie die Betriebskosten gesenkt werden. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, einen kostengünstigen und platzsparenden Festkörperspeicher anzubieten.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Feststoffwärmespeicher umfassend ein mineralisches Speichermaterial, bei dem eine Bauwerksbasis, umfassend zumindest eine Grundplatte eines Gebäudes und mit ihr verbundene, im Wesentlichen horizontal ausgerichtete, plattenförmige Bauwerksteile, ein mineralisches Wärmespeichermaterial umfasst. Die Bauwerksbasis ist in der Weise ausgeführt ist, dass in diese eine oder mehrere Einrichtungen, die geeignet sind zum Eintrag und zur Entnahme von Wärme, eingebracht oder einbringbar sind.
Die Einrichtungen zum Eintrag und zur Entnahme von Wärmeenergie können als elektrische Heizgeräte ausgeführt sein oder bevorzugt als wenigstens eine Rohrleitung, durchströmbar mit einem Wärmeträgerfluid, vorgesehen ist. Die Rohrleitung hat einen Einlass und einen Auslass, um an das Rohrnetz des Wärmeträgerfluids angebunden werden zu können.
Im Wärmespeichermaterial weist die Rohrleitung einen im Wesentlichen geradlinigen Verlauf und am Ende des geradlinigen Verlaufs jeweils einen Umlenkbereich auf, der aus dem Wärmespeichermaterial heraustritt. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten ist der Umlenkbereich mit einem thermisch isolierenden Material, insbesondere Schaumglas, umhüllt. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass ein Austausch der Rohrleitung möglich ist, ohne den Aufbau zu zerstören. Ein Auswechseln wäre auf andere Weise kaum möglich, da es sich um die Basis des Gebäudes handelt. Soll die Rohrleitung gewechselt werden, müssen nach Entfernen des thermisch isolierenden Materials nur die Umlenkbereiche abgetrennt und die ansonsten geradlinig verlegte Teile der Rohrleitung herausgezogen oder ausgebohrt werden. Es ist auch denkbar, in die bestehende Rohrleitung eine neue Rohrleitung einzuziehen. Die herausragenden Enden der einzelnen Teile der neuen Rohrleitung sind danach mit neuen Umlenkbereichen zu verbinden und erneut mit dem thermisch isolierenden Material zu ummanteln.
Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die wenigstens eine Rohrleitung für das Wärmeträgerfluid zwischen Ziegelsteinen verläuft, die mit Beton vergossen sind und das mineralische Wärmespeichermaterial bilden. Ziegelsteine haben eine höhere Wärmekapazität als andere mineralische Materialien, wie z. B. Beton. Dadurch lässt sich eine größere Menge Wärmeenergie in dem mineralischen Wärmespeichermaterial einlagern. Zudem ist die Verwendung von Abbruchziegeln möglich, die somit einer Wiederverwendung zugeführt werden und dadurch nicht als zu entsorgender Bauschutt anfallen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die mit Beton vergossenen Ziegelsteine in Kontakt mit dem anstehenden Boden oder von diesem zumindest thermisch isoliert sind, wenn z. B. instationäre Grundwasserschichten dicht unter der Oberfläche anstehen.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Bodenplatte eine im Wesentlichen gleichmäßige Stärke zwischen 0,4 m und 0,8 m aufweist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine vertikale Segmentierung in Speicherbereiche unterschiedlicher Zieltemperatur vorgesehen, so dass sich in einer Ebene die Speicherbereiche abwechseln. Diese Funktion ist dabei entsprechend der horizontalen Segmentierung, die unten beschrieben ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Feststoffwärmespeichers sieht mehrere, besonders bevorzugt drei oder vier verschiedene, horizontal angeordnete Schichten vor, durch die im Wesentlichen horizontal verlaufende Rohre durchgeführt werden. Auf diese Weise wird eine horizontale Segmentierung in Wärmespeicherschichten unterschiedlicher Zieltemperatur erreicht. Eine erste, bodennächste Schicht, als Kühlschicht bezeichnet, ist dabei gegenüber übrigen, darüberliegenden Schichten, als Wärmespeicherschichten bezeichnet, zumindest thermisch isoliert.
Geladen wird der Feststoffwärmespeicher bei der bevorzugten Betriebsweise von oben her, vor dem Hintergrund, dass Wärme nach oben steigt und somit keine Isolation der Schichten untereinander nötig würde. Die Aufladung erfolgt bei einer bevorzugten Betriebsweise, bis eine Temperatur von 80 °C erreicht ist. In den unteren Wärmespeicherschichten nimmt die Temperatur jeweils ab. Dadurch kann Wärmeenergie auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gespeichert werden. Wenn beispielsweise bei voll aufgeladener oberer Wärmespeicherschicht nochmals ein Wärmeträgerfluid mit einer Vorlauftemperatur von 60 °C zur Verfügung steht, kann diese nicht in die obere Wärmespeicherschicht geladen werden, da die Temperatur niedriger ist. Die aus dem Wärmeträgerfluid mit einer Vorlauftemperatur von 60 °C verfügbare Wärmeenergie wird dann in die zweiten oder dritten Wärmespeicherschicht geladen, je nach Temperatur des Wärmeträgerfluids, bevorzugt des Wassers, das als Wärmeträgerfluid dient.
Eine Entladung zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Speicher erfolgt von unten nach oben, zuerst werden untere Speicherschichten entladen. Beim Heizen kommt bevorzugt ein Niedertemperaturverfahren zur Anwendung, wobei eine Vorlauftemperatur von ca. 25 bis 27 °C ausreichend ist und angestrebt wird. Sollte eine Schnellheizung erfolgen müssen, wird wärmeres Wasser benötigt, maximal 40 °C für kurze Zeit, so wird die zweite oder erste Wärmespeicherschicht benutzt, je nach Erfordernis. Die Wärmespeicherschichten sind bei einer alternativen Ausgestaltung des Feststoffwärmespeichers gegeneinander isoliert, um einen unerwünschten Temperaturausgleich zu verhindern, sofern von der Temperaturabnahme von oben nach unten abgewichen würde.
Bei einer ersten Betriebsweise im Sommer, kurz als Sommerbetrieb bezeichnet, wird in die Kühlschicht keine Wärmeenergie zugeführt, sondern diese wird als Wärmetauscher für die Kühlung verwendet. Das darunter anstehende Erdreich hat in etwa 0,7 bis 1,0 m Tiefe eine Temperatur von ca. 8 bis 10 °C. Auf Grund der verfügbaren Fläche, der Gebäudegrundfläche, reicht die dort abzurufende Kälte aus für ein zu klimatisierendes Gebäude. Besonders vorteilhaft wirken sich dabei Fenster mit einem besonderen Wärmeschutz aus, wie z. B. elektrochrome Fenster, die sich in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung abdunkeln.
Bei einer zweiten Betriebsweise vom Herbst bis ins späte Frühjahr, kurz als Winterbetrieb bezeichnet, wird die Kühlschicht ebenfalls mit Wärmeenergie aus einer Wärmequelle beladen. Dadurch ist gewährleistet, dass mehrere, bevorzugt drei oder vier Schichten zum Speichern verfügbar sind, die mit unterschiedlichen Temperaturen betreibbar und mit Wärmeenergie aufladbar sind. Sobald die Kühlschicht ebenfalls vollständig mit Wärmeenergie aufgeladen ist, wird weiter ins Erdreich geladen, indem sich die Wärmeenergie aus der Kühlschicht weiter nach unten, in das Erdreich ausbreitet und hier die Wärmeenergie einlagert. Als Wärmequelle sind beispielsweise eine Solarthermieanlage und/oder die Brennstoffzelle vorgesehen, wobei die Brennstoffzelle insbesondere als Notfallversorgung dient. Die Wärmeenergie aus der Wärmequelle kann auch in einem Schichtwasserspeicher gespeichert werden, der beispielsweise eine Kapazität von 100 Litern aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein System zur Energieversorgung eines Gebäudes, wobei eine Brennstoffzellenanordnung zur Erzeugung von Elektroenergie und Wärme, eine Solarthermieanlage zur Gewinnung solarer Wärmeenergie und eine Anlage zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Rauchgas eines Kaminofens, Wärmeübertrager zur Übertragung der Wärmeenergie aus der Solarthermieanlage und/oder der Anlage zur Gewinnung von Wärmeenergie aus Rauchgas auf ein Wärmeträgerfluid, ein Schichtwärmespeicher zur kurzfristigen Speicherung von Wärmeenergie und dem Angebot von erwärmtem Brauchwasser, wobei weiterhin ein elektrisches Netz des Gebäudes durch die Brennstoffzellenanordnung mit Elektroenergie versorgt und ein Wärmenetz, in dem ein Wärmeträgerfluid zirkuliert, mit thermischer Energie versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanordnung zumindest eine Brennstoffzelle und eine Batterieanordnung umfasst, wobei zur Beheizung des Gebäudes eine elektrisch betriebene Infrarotheizung oder/und eine Wärmeträgerheizung, bevorzugt für Niedertemperatur, mit einem Wärmeträgerfluid, umfassend zumindest von dem Wärmeträgerfluid durchströmte Kapillarrohrmatten zur Anbringung an Rauminnenflächen, v. a. Wände, Boden und Decke, bevorzugt unter Putz, vorgesehen sind.
Eine Ausgestaltung des Systems zur Energieversorgung, umfassend eine elektrisch betriebene Infrarotheizung, wird durch eine elektrisch betriebene Klimaanlage ergänzt.
Eine weitere Ausgestaltung des Systems zur Energieversorgung, umfassend eine Wärmeträgerheizung, sieht einen Feststoffwärmespeicher vor, wie er zuvor beschrieben wurde. Dieser ist zur langfristigen Speicherung von Wärmeenergie vorgesehen, wobei zur Kühlung des Wärmeträgerfluids ein Brunnen oder eine unterirdische Regenwasserzisterne vorgesehen sind. Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Kühlung durch die Kühlschicht des Feststoffwärmespeichers.
Zur besonders effektiven und störungsfreien Kühlung des Wärmeträgerfluids ist ein Brunnen von wenigstens 0,5 m Durchmesser vorgesehen, der in der Nähe einer Brunnenwand und unter dem Wasserspiegel umlaufend einen bevorzugt leiterförmigen, von dem Wärmeträgerfluid durchströmten Wärmeübertrager aufweist.
Ist eine Kühlung vorgesehen und weist die Fassade Glasflächen auf, sind diese in besonders vorteilhafter Weise als elektrochrome Fenster ausgerüstet, so dass eine Verdunklung der Scheiben in Abhängigkeit der Sonneneinstrahlung erfolgt. Die Fenster dunkeln selbsttätig in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung ab, so dass der Wärmeeintrag in das Gebäude auf etwa 10 % gesenkt wird und damit der Aufwand für die Kühlung sinkt.
Einen weiteren Aspekt der Erfindung stellt eine Verwendung einer Anlage zur Wärme-Kraft-Kopplung, bevorzugt einer Brennstoffzellenanordnung, zur Energieversorgung eines Gebäudes dar und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanordnung in ein System wie zuvor beschrieben eingebunden ist. Die Brennstoffzellenanordnung ist als einzige Energiequelle, die Energie aus der Umwandlung chemischer Energie nutzt, vorgesehen. Als chemische Energie stehen fossile Energie wie Erdgas oder erneuerbare Energie wie Biogas oder Ethanol zur Verfügung, die in Elektroenergie und Wärmeenergie umgewandelt werden.
Die bevorzugte Brennstoffzellenanordnung umfasst eine Brennstoffzelle mit einem Verhältnis von elektrischer Leistung zu thermischer Leistung von 1,5 kW zu 0,6 kW und eine Batterieanordnung mit einer Kapazität von 2 x 14 kWh. Das vorgesehene Verhältnis von elektrischer Leistung zu thermischer Leistung ermöglicht einen ganzjährigen Betrieb ohne unnötige Wärmeverluste. Zudem kann aus der Batterieanordnung bei einem Mangel an elektrischer Leistung oder einem temporären Ausfall der Brennstoffzelle Elektroenergie entnommen werden.
Anstelle der Brennstoffzellenanordnung als Anlage zur Wärme-Kraft-Kopplung ist ein Heißgasmotor, wie z. B. ein Stirlingmotor, vorgesehen. Dann wird Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt, sodass hieraus die erforderliche Elektroenergie gewonnen werden kann. Daher fällt der Heißgasmotor im Rahmen und im Sinne der Erfindung unter den Begriff einer Anlage zur Wärme-Kraft-Kopplung. Besonders bevorzugt ist ein Dish-Stirlingmotor, der mittels eines Parabolspiegels die konzentrierte Sonnenstrahlung auf eine Stirlingeinheit richtet.
Die Wärmegewinnung erfolgt im Übrigen, auch ohne Einsatz eines Dish-Stirlingmotors, bevorzugt mittels der Solarthermieanlage, die hocheffiziente Solarthermiemodule umfasst. Das vorgeschlagene System ermöglicht eine Kühlung nur im Sommer für einen befristeten Zeitraum und in der Übergangszeit ist eine variable Nutzung möglich. Jede Schicht wird mittels Thermometer überwacht und dann automatisch für das Laden und Entladen geregelt. Die eingesetzten Pumpen müssen für den Betrieb in beiden Richtungen, vorwärts und rückwärts, sowie eine kontinuierliche Regelung des Volumenstroms geeignet sein. Dadurch kann eine Anpassung der vorliegenden Temperaturdifferenz an die Übertragungsleistung der Rohrleitungen an das diese umgebende mineralische Material der Wärmespeicherschicht und der Kühlschicht angepasst.
Eine vorteilhafte Abwandlung des zuvor beschriebenen Systems sieht vor, dass anstelle der Brennstoffzelle ein Heißgasmotor, z. B. ein Stirlingmotor, speziell ein Dish-Stirlingmotor, zum Einsatz kommt. Ein solches System benötigt in der speziellen Ausführungsform keinen Energieträger mit gespeicherter chemischer Energie wie Erdgas oder Ethanol, sondern kann mit Solarenergie betrieben werden. In Abhängigkeit von der verfügbaren Solarstrahlungsenergie stehen beide Energiequellen, aus der Brennstoffzelle und aus dem Heißgasmotor parallel bereit.
Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

1: schematisch eine Seitenansicht in geschnittener Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feststoffwärmespeichers;
2: schematisch eine Ansicht von oben in geschnittene Darstellung eines Details einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feststoffwärmespeichers;
3: schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen System zur Energieversorgung und
4: schematisch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen System zur Energieversorgung.

1 zeigt schematisch eine geschnittene Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Feststoffwärmespeichers 150 in Seitenansicht, wobei die Schnittebene so gelegt ist, dass die Rohre ungeschnitten sichtbar sind und im Bogen in die Zeichnungsebene hineinverlaufen. Der Feststoffwärmespeicher 150 ist unter einer Bodenplatte 152 eines Gebäudes 151, die eine Isolationsschicht und eine Estrichschicht umfasst, beide nicht näher bezeichnet, angeordnet. Unterhalb der Bodenplatte 152 ist eine erste Wärmespeicherschicht 160 angeordnet, die vorteilhafter Weise auch gegenüber der Bodenplatte isoliert ist. Die Wärmespeicherschicht 160 ist aus einem mineralischen Material ausgeführt. Es hat sich als vorteilhaft erweisen, wenn dabei Ziegel 162, bevorzugt Altziegel aus Abriss, auf Lücke über Kreuz verlegt sind, sodass die Rohrleitung 164 dazwischen verlegt werden kann. Danach wird der Aufbau mit Beton 163 vergossen, beispielsweise mit Schwerbeton. Vorteilhaft sind drei Lagen Ziegel 162 für jede Wärmespeicherschicht 160.
In der Wärmespeicherschicht 160 sind eine oder mehrere Rohrleitungen 164 verlegt, die von einem Wärmeträgerfluid durchströmt werden, zumindest dann, wenn Wärmeenergie entnommen oder gespeichert werden soll. Die Rohrleitung 164 tritt an Rand beidseits aus der Wärmespeicherschicht 160 aus, ist dort in einem Rohrbogen 164' verlegt, um wiederum in die Wärmespeicherschicht 160 einzutreten. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten ist der Rohrbogen 164' in eine Außenisolierung 155 gebettet, beispielsweise Schaumglas.
An die erste Wärmespeicherschicht 160 schließt sich eine zweite, gleichartige Wärmespeicherschicht 160 an, eine thermischen Trennung durch eine Zwischenisolierung in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen ist, weil die Wärmeenergie höherer Temperatur in der oberen Wärmespeicherschicht 160 eingelagert wird. Eine Isolationsschicht würde einen Wärmestrom von einer Wärmespeicherschicht 160 auf einem höheren Temperaturniveau zu einer Wärmespeicherschicht 160 mit niedrigerem Temperaturniveau vermeiden helfen. Ein solcher Wärmefluss würde einen Verlust an höherwertiger Wärmenergie bedeuten.
Unterschiedliche Temperaturniveaus in den einzelnen Wärmespeicherschichten 160 sind vorgesehen, um insbesondere Wärmequellen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus nutzen zu können. Dabei ist es vorgesehen, dass die obere Wärmespeicherschicht die höchste Temperatur aufweist. Bei einer bevorzugten Betriebsweise ist für die erste Wärmespeicherschicht, die als obere Wärmespeicherschicht vorgesehen ist, eine Temperatur von 80 bis 90 °C vorgesehen, für darauffolgende zweite Wärmespeicherschicht Wärmeenergie mit einer Temperatur unter 80 °C, weshalb die dort gespeicherte Wärmeenergie als Anergie bezeichnet wird.
Als dritte Wärmespeicherschicht über dem Boden 180 ist eine Kühlschicht 170 vorgesehen, die auch als Wechselschicht bezeichnet wird. Die Kühlschicht 170 dient bei hohen sommerlichen Temperaturen zur Kühlung, wobei das durch die Rohrleitung 164 strömende Wärmeträgerfluid durch die aus Boden 180 einströmende niedrige Temperatur von 8 bis 10 °C abgekühlt wird. Das abgekühlte Wärmeträgerfluid kann danach in das Gebäude geleitet werden und beispielsweise über Kapillarrohrmatten für eine Abkühlung der Räume sorgen. Um eine thermische Trennung zu den mit höherer Temperatur aufgeladenen Wärmespeicherschichten 160 zu erreichen, ist eine stärkere Zwischenisolierung 154 vorgesehen.
Nachdem keine sommerliche Kühlung mehr erforderlich ist, kann die Betriebsweise geändert und auch in der Kühlschicht Wärmeenergie eingelagert werden. Dies erfolgt vorzugsweise im Herbst. Der besondere Vorzug einer Einlagerung von Wärmeenergie in der Kühlschicht 170 besteht darin, dass der unter der Kühlschicht 170 unmittelbar anstehende Boden 180 ebenfalls zur Einlagerung von Wärmeenergie mit genutzt werden kann. Dadurch wird eine praktisch unbegrenzte Speichermöglichkeit erschlossen, aus der im Winterbetrieb Wärmeenergie entnommen werden kann. Im Frühjahr wird die Kühlschicht 170 wieder entladen, um im Sommer wieder zur Kühlung genutzt werden zu können.
2 zeigt schematisch eine geschnittene Darstellung eines Details einer Ausführungsform einer Wärmespeicherschicht 160 oder einer Kühlschicht 170 eines erfindungsgemäßen Feststoffwärmespeichers 150, wobei der Schnitt innerhalb einer Wärmespeicherschicht 160 oder einer Kühlschicht 170 liegt, ohne in der Ebene der Rohrleitung zu schneiden. Diese tritt als Rohrbogen 164' seitlich heraus in die Außenisolierung 155.
In der Wärmespeicherschicht 160 oder der Kühlschicht 170 sind die Ziegel 162, bevorzugt Altziegel aus Abriss, mit Lücken verlegt, dass die Rohrleitung dazwischen verlegt werden kann. Danach wird der Aufbau mit Beton 163 vergossen. Neben der Nachnutzung von Recylingmaterial hat der Einsatz von Ziegeln den Vorteil, einer höheren Wärmekapazität gegenüber Beton.
Die Rohrleitung ist angeschlossen über einen Vorlauf / Rücklauf für die Wärmespeicherschicht 1, gekennzeichnet mit Bezugszeichen 142, Vorlauf / Rücklauf Wärmespeicherschicht 2, Bezugszeichen 144 und Vorlauf / Rücklauf Wärmespeicherschicht 3, Bezugszeichen 146.
3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 100 zur Energieversorgung eines Gebäudes. Kern der Energieversorgung ist eine Brennstoffzelle 110, die durch Erdgas 130 versorgt wird und elektrischen Strom, Elektroenergie 135 und Wärmeenergie 137 abgibt, wobei ein Teil der erzeugten Elektroenergie 135 nach außen, z. B. an das Versorgungsnetz, abgegeben wird, wenn kein interner Bedarf besteht. Die im Rahmen des vorgeschlagenen Systems bevorzugt vorgesehene Brennstoffzelle 110 gibt 1,5 kW elektrische Leistung und 0,7 kW thermische Leistung ab.
Die Wärmeenergie 137 wird an einen Schichtwasserspeicher 120 abgegeben, die Elektroenergie 135 an ein Hausstromnetz 114 und für den Ausgleich von Schwankungen bei Bedarf und Nachfrage einen Elektroenergiespeicher 112, auch als Batterie bezeichnet, der bevorzugt eine Kapazität von 2 x 14 kWh aufweist. Der Schichtwasserspeicher 120 speichert unterschiedliche Temperaturniveaus im Wesentlichen getrennt voneinander, so dass eine dementsprechende Entnahme möglich ist. Die Beladung des Schichtwasserspeichers 120 erfolgt über eine Solarthermieanlage 122, wenn dort Wärmeenergie 137 anfällt, und regelmäßig durch die Brennstoffzelle. Überschüsse an Elektroenergie 135 können auch mittels einer Heizpatrone 221 als Wärmeenergie 137 an den Schichtwasserspeicher 120 abgegeben werden.
Neben der hier nicht dargestellten Warmwassernutzung wird die Wärmeenergie 137 aus dem Schichtwasserspeicher 120 im Winter zur Beheizung von Räumen, bevorzugt über Kapillarrohrmatten 124 verwendet.
Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßer Feststoffwärmespeicher 150 vorgesehen, in den überschüssige Wärme, vor allem im Sommer aus der Solarthermieanlage 122, eingelagert werden kann. Hier nicht dargestellt ist die Entnahme von Wärmeenergie 137 aus dem Feststoffwärmespeicher 150, die dem Schichtwasserspeicher 120 zugeführt wird. Sie kann aber auch direkt den Kapillarrohrmatten 124 zur Heizung zugeleitet werden, wofür jeweils ein Wärmeträgerfluid dient. Eine wechselweise Wärmeleitung zwischen dem Feststoffwärmespeicher 150 dem Schichtwasserspeicher 120 ist in der Weise vorgesehen, dass im Winterbetrieb Wärmeenergie 137 aus dem Feststoffwärmespeicher 150 zur Brauchwassererwärmung 223 genutzt werden kann, im Sommerbetrieb hingegen Wärmeenergie 137 aus dem Schichtwasserspeicher 120 in den Feststoffwärmespeicher 150 eingelagert wird.
Zu Verbesserung des Raumklimas im Sommer ist es weiterhin vorgesehen, das Wärmeträgerfluid in einem in einem Brunnen oder einer Regenwasserzisterne 126 abzukühlen und als Kühlung 138 den Kapillarrohrmatten 124 zuzuführen. Auf diese Weise kann die Raumtemperatur gesenkt werden.
4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 200 zur Energieversorgung eines Gebäudes, das ebenfalls auf Basis der Brennstoffzelle 110 mit Energie versorgt wird. Diese liefert, wie auch bei dem System 100 aus 3, die Elektroenergie 137 an das Hausstromnetz 114 und den Elektroenergiespeicher 112. Auf einen Feststoffspeicher wird verzichtet.
Wärmeenergie 137 aus einer solaren Quelle, einer Warmwasseraufbereitung der Dachanlage 222, wird dem Schichtwasserspeicher 120 zugeleitet, der insbesondere auch der Brauchwassererwärmung 223 dient. Zusätzlich ist Wärmeenergie 137 aus elektrischer Heizung verfügbar und im Winter aus einem Kaminwärmeübertrager 228, um den Schichtwasserspeicher 120 aufzuladen. Die Wärmeenergie 137 dient aber hier nur der nicht dargestellten Brauchwassererwärmung. Die Beheizung der Räume erfolgt stattdessen elektrisch mittels Infrarotheizkörpern 224. Eine Infrarotheizung strahlt Wärme ab, wodurch auch bei niedrigerer Lufttemperatur im Raum ein angenehmes Raumklima entsteht. Eine Infrarotheizung ist plattenförmig ausgeführt und in der Regel an einer Wand angebracht. Auch eine Kühlung ist vorgesehen, wozu eine elektrische Klimaanlage 225 dient.
Bezugszeichenliste

100, 200: System zur Energieversorgung
110: Brennstoffzelle
112: Elektroenergiespeicher
114: Hausstromnetz
120: Schichtwasserspeicher
122: Solarthermieanlage
124: Kapillarrohrmatte
126: Kühlung, Kühlwasser, Zisterne, Brunnen
130: Erdgas
135: Elektroenergie
137: Wärmeenergie
138: Kühlung
142: Vorlauf / Rücklauf Wärmespeicherschicht 1
144: Vorlauf / Rücklauf Wärmespeicherschicht 2
146: Vorlauf / Rücklauf Wärmespeicherschicht 3
150: Feststoffwärmespeicher
151: Gebäude
152: Bodenplatte
153: Bauwerksbasis
154: Zwischenisolierung
155: Außenisolierung, thermisch isolierendes Material
160: Wärmespeicherschicht
162: Ziegel
163: Beton
164,: Rohrleitung
164': Rohrbogen, Umlenkbereich
170: Kühlschicht
180: Boden
222: Warmwasseraufbereitung der Dachanlage
221: Heizpatrone
223: Brauchwassererwärmung
224: Infrarotheizkörper, Infrarotheizung
225: Klimaanlage
228: Kaminwärmeübertrager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2325011 A [0003]
DE 2436252 A1 [0003]
DE 10255900 A1 [0004]
DE 10055335 A1 [0004]
DE 20019028 U1 [0004]
EP 2158432 B1 [0004]
WO 2008/135100 A1 [0004]
WO 2008/087032 A1 [0004]
WO 2010/102953 A1 [0005]
DE 102012023539 A1 [0005]
WO 2016/030351 A1 [0005]
DE 102015009086 A1 [0006]
EP 3124878 A1 [0006]
DE 102012218634 A1 [0007]
DE 3101537 A1 [0007]

Claims

Feststoffwärmespeicher (150), umfassend ein mineralisches Speichermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bauwerksbasis (153) ein mineralisches Wärmespeichermaterial (162, 163) umfasst und in der Weise ausgeführt ist, dass in diese wenigstens eine Einrichtung, geeignet zum Eintrag und zur Entnahme von Wärme, eingebracht oder einbringbar sind.
Feststoffwärmespeicher nach Anspruch 1, wobei als Einrichtungen zum Eintrag und zur Entnahme von Wärmeenergie (137) wenigstens eine Rohrleitung (164), durchströmbar mit einem Wärmeträgerfluid, vorgesehen ist, die einen Einlass und einen Auslass und im Wärmespeichermaterial (162, 163) einen im Wesentlichen geradlinigen Verlauf und am Ende des geradlinigen Verlaufs jeweils einen Umlenkbereich (164') aufweist, der aus dem Wärmespeichermaterial (162, 163) heraustritt und mit einem thermisch isolierenden Material (155) umhüllt ist.
Feststoffwärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens eine Rohrleitung (164) für ein Wärmeträgerfluid zwischen Ziegelsteinen (162) verläuft, die mit Beton (163) vergossen sind und das mineralische Wärmespeichermaterial bilden.
Feststoffwärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mit Beton (163) vergossenen Ziegelsteine (162) in Kontakt mit dem anstehenden Boden (180) oder von diesem zumindest thermisch isoliert sind.
Feststoffwärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine im Wesentlichen gleichmäßige Stärke zwischen 0,4 m und 0,8 m vorgesehen ist.
Feststoffwärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine vertikale Segmentierung in Speicherbereiche unterschiedlicher Zieltemperatur vorgesehen ist, so dass sich in einer Ebene die Speicherbereiche abwechseln.
Feststoffwärmespeicher nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine horizontale Segmentierung in Wärmespeicherschichten (160) unterschiedlicher Zieltemperatur vorgesehen ist, wobei eine erste, bodennächste Wärmespeicherschicht als Kühlschicht (170) ausgeführt ist, in thermischem Kontakt mit dem darunterliegenden Boden (180) steht und gegenüber den übrigen Wärmespeicherschichten (160) zumindest thermisch isoliert ist.
System zur Energieversorgung eines Gebäudes, umfassend eine Anlage zur Wärme-Kraft-Kopplung zur Erzeugung von Elektroenergie (135) und Wärmeenergie (137), eine Solarthermieanlage (122) zur Gewinnung solarer Wärmeenergie (137) und einen Kaminwärmeübertrager (228) zur Gewinnung von Wärmeenergie (137) aus Rauchgas eines Kaminofens, Wärmeübertrager zur Übertragung der Wärmeenergie aus der Solarthermieanlage (122) und/oder des Kaminwärmeübertragers (228) auf ein Wärmeträgerfluid, ein Schichtwärmespeicher (120) zur kurzfristigen Speicherung von Wärmeenergie (137) und dem Angebot von erwärmtem Brauchwasser, wobei weiterhin ein elektrisches Hausstromnetz (114) des Gebäudes durch die Brennstoffzellenanordnung (110, 112) mit Elektroenergie (135) versorgt und ein Wärmenetz, in dem das Wärmeträgerfluid zirkuliert, mit Wärmeenergie (137) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanordnung (110, 112) zumindest eine Brennstoffzelle (110) und eine Batterieanordnung (112) umfasst, wobei zur Beheizung des Gebäudes eine elektrisch betriebene Infrarotheizung (224) oder/und eine Wärmeträgerheizung mit einem Wärmeträgerfluid, umfassend zumindest eine von dem Wärmeträgerfluid durchströmte Kapillarrohrmatte (124) zur Anbringung an Rauminnenflächen vorgesehen sind.
System nach Anspruch 8, wobei die Anlage zur Wärme-Kraft-Kopplung als eine Brennstoffzellenanordnung (110, 112) oder ein Heißgasmotors ausgeführt ist.
System nach Anspruch 9, umfassend die elektrisch betriebene Infrarotheizung, wobei eine elektrisch betriebene Klimaanlage vorgesehen ist.
System nach Anspruch 9, umfassend die Wärmeträgerheizung, wobei ein Feststoffwärmespeicher (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur langfristigen Speicherung von Wärmeenergie (137) vorgesehen ist, wobei weiterhin optional anwendbare eine Kühlung (126) des Wärmeträgerfluids vorgesehen ist.
System nach Anspruch 11, wobei zur Kühlung des Wärmeträgerfluids ein Brunnen von wenigstens 0,5 m Durchmesser vorgesehen ist, der in der Nähe einer Brunnenwand umlaufend einen leiterförmigen, von dem Wärmeträgerfluid durchströmten Wärmeübertrager aufweist.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei in einer Fassade des Gebäudes Glasflächen vorgesehen sind, die als elektrochrome Fenster ausgerüstet sind, so dass eine Verdunklung der Scheiben in Abhängigkeit der Sonneneinstrahlung erfolgt.
Verwendung einer Brennstoffzellenanordnung zur Energieversorgung eines Gebäudes, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanordnung (110, 112) in ein System nach einem der Ansprüche 8 bis 12 eingebunden und als einzige Energiequelle, die Energie aus der Umwandlung nutzt vorgesehen ist.
Verwendung nach Anspruch 14, wobei die Brennstoffzellenanordnung (110, 112) eine Brennstoffzelle (110) mit einem Verhältnis von elektrischer Leistung zu thermischer Leistung von 1,5 kW zu 0,6 kW und eine Batterieanordnung (112) mit einer Kapazität von 2 x 14 kWh umfasst.