-
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Saunaanlage und die Verwendung eines Speichersystems, umfassend einen Druckbehälter, für eine Saunaanlage.
-
Der Betrieb einer Sauna erfordert hohe Energiemengen in Form von Wärme. Des Weiteren ist für die Bereitstellung der Wärme eine hohe Leistung erforderlich. Die direkte Verfeuerung von Holz oder Gas oder die Verwendung von Energie aus dem Stromnetz aus Kohle-, Gas- oder Öl-Kraftwerken belastet die Umwelt durch Ausstoß von Schadstoffen und Treibhausgasemissionen. Somit ist der konventionelle Betrieb einer Sauna belastend für die Umwelt und es gilt technische Lösungen zu finden, um dieses ökologische Problem zu lösen.
-
Ein erster, konventioneller Ansatz ist die Reduzierung des Energiebedarfs der Saunaanlage durch Steigerung der Energieeffizienz. Dies kann beispielsweise durch Minderung von Wärmeverlusten durch Dämmung oder verbesserte Saunaöfen erfolgen. Ein zweiter Ansatz ist die Bereitstellung der Energie ausschließlich aus erneuerbaren und umweltfreundlichen Energiequellen, sodass keine Schadstoffemissionen entstehen. Die Nutzung lokaler erneuerbarer Energiequellen ermöglicht darüber hinaus auch einen energieautarken Betrieb der Sauna. Die derzeit verfügbaren erneuerbaren Energiequellen (Sonne, Wind) haben jedoch den Nachteil einer zeitlich schwankenden Verfügbarkeit, was den direkten Einsatz einschränkt. Die zeitlich versetzte Bereitstellung sowie Akkumulation von erneuerbaren Energien kann mittels elektrischer Akkumulatoren, d.h. Batterien, ermöglicht werden.
-
Die besonderen Herausforderungen zum Betrieb einer Saunaanlage mittels erneuerbarer Energien, und somit der Betrieb einer energieautarken und umweltfreundlichen Saunaanlage, besteht zum einen in der beschränkten Verfügbarkeit von lokalen erneuerbaren Energiequellen. Zum anderen muss die Batterie zum Betrieb einer Saunaanlage Energie zum Aufheizen der Kabinenluft auf bis zu 100°C und zum Erzeugen von Dampf zur Einstellung der Luftfeuchtigkeit bereitstellen.
-
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Energiespeicher im Zusammenhang mit einer Saunaanlage bekannt. Aus der
DE 31 51 147 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung der für ein Saunabad in einer Saunakabine erforderlichen Heißluft mittels eines elektrisch beheizbaren Wärmespeicherofens bekannt. Die erforderliche Heißluft wird mittels eines elektrisch beheizbaren Wärmespeicherofens mit reduziertem Netzanschlusswert erzeugt. Die
DE 42 17 072 A1 beschreibt einen elektrischen Saunaofen, der einen wärmeisolierten Außenmantel aufweist, welcher die wärmespeichernde Masse enthaltende Steinkammer umschließt, sowie in der Steinkammer einen oder mehrere elektrische Heizwiderstände zum Aufheizen der wärmespeichernden Masse. Die
DE 31 51 147 A1 und die
DE 42 17 072 A1 beschreiben somit eine Saunaanlage, deren Energieversorgung aus dem Stromnetz erfolgt, und deren Energiespeicher ausschließlich zur Abgabe von thermischer Energie und somit Wärme zum Aufheizen der Saunakabine ausgestaltet sind.
-
In der
DE 10 2007 047 567 A1 wird eine Vorrichtung zum Beheizen einer Sauna- oder Dampfbadkabine offenbart, deren Betrieb mittels erneuerbarer Energien erfolgt. Die Energie wird von einem Solarkollektor bereitgestellt und in einem außerhalb der Sauna- oder Dampfbadkabine angeordnetem Wärmereservoir, vorzugsweise ein konventioneller Warmwasserspeicher mit Wärmetauscherfunktion, gespeichert, welcher an beheizte Wandelemente bzw. Sitzflächen gekoppelt ist. Der mit dem Wärmereservoir koppelbare Solarkreislauf ist dazu ausgelegt, das im Wärmereservoir vorgesehene Wärmeträgermedium, wie etwa Wasser, auf eine Temperatur von etwa 70°C aufzuheizen. Weiterhin ist wegen der geringen Temperaturdifferenz zwischen gewünschter Temperatur und der Temperatur im Warmwasserspeicher von einer geringen thermischen Heizleistung und wegen der externen Aufstellung des Wärmespeichers von erhöhten Wärmeverlusten auszugehen. Es lassen sich somit nur Temperaturen unterhalb 95°C in der Saunakabine generieren, sodass der Betrieb einer finnischen Sauna nicht möglich ist.
-
Es ist auch keine Dampferzeugung vorgesehen.
-
Die
DE 102017 120 293 A1 beschreibt eine Verdampfungseinrichtung mit einem Behälter, der einen Aufnahmeraum für ein Phasenwechselmaterial definiert, und Heizmitteln, die ausgebildet sind, um thermische Energie an den Aufnahmeraum abzugeben und ein Aufschmelzen eines darin befindlichen Phasenwechselmaterials zu bewirken, wobei mindestens ein als Verdampfungskanal ausgebildeter Wärmeaufnahmekanal innerhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist, der an seinem einen Ende einen Anschluss zur Zuleitung einer unter Wärmeaufnahme zu verdampfenden Flüssigkeit und an seinem anderen Ende eine Dampfaustrittsöffnung aufweist.
-
Die
DE 37 05 715 A1 beschreibt einen kombinierten Dampferzeuger/Saunaofen, bei dem zur Schaffung jedes beliebigen Klimaverhältnisses zwischen dem Klimazustand für eine Sauna (Trockenbad) und dem Klimazustand für ein Dampfbad in einem gemeinsamen Ofengehäuse Mittel zur Erzeugung eines Saunaklimas sowie Mittel zur Erzeugung eines Dampfbadklimas untergebracht sind.
-
Die
DE 40 05 793 A1 beschreibt einen elektrischen Saunaofen, der einen elektrischen Widerstand oder mehrere Widerstände zur Beheizung einer Sauna-Kabine und einen Verdampfer zur Erzeugung von Dampf in der Sauna-Kabine aufweist.
-
Die
DE 37 15 037 A1 beschreibt eine elektrische Steuerung der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit in einer Sauna, wobei über einen Schalter eines kompakten Steuergehäuses zwei Betriebsarten vorgewählt werden können, und zwar ein leichtes Dampfbad (finnische Sauna von ca. 30°C bis ca. 60°C Raumtemperatur und ca. 40% bis ca. 70% Luftfeuchtigkeit) und eine Heißsauna (ca. 60°C bis ca. 110°C Raumtemperatur und ca. 5% bis ca. 15% Luftfeuchtigkeit).
-
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Saunaanlage für den Betrieb einer Sauna bereitzustellen.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Saunaanlage für den Betrieb einer Sauna bereitgestellt, umfassend eine Saunakabine, ein Speichersystem zur Speicherung von thermischer Energie und Dampf, wobei das Speichersystem ein Wärmezufuhrelement zur Zufuhr von thermischer Energie an das Speichersystem umfasst, ein Heizelement zur Übertragung von thermischer Energie aus dem Speichersystem in die Saunakabine, und ein Dampfübertragungssystem zur Übertragung von Dampf aus dem Speichersystem in die Saunakabine.
-
Die erfindungsgemäße Saunaanlage umfasst somit ein Speichersystem, das als hybrides Wärme- und Dampfspeichersystem ausgestaltet ist, und eine gleichzeitige Speicherung von thermischer Energie und Dampf ermöglicht. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Saunaanlage ein Heizelement und ein Dampfübertragungselement, die mit dem Speichersystem gekoppelt sind und ausgestaltet sind, um die in dem Speichersystem gespeicherte thermische Energie und Dampf in die Saunakabine zu übertragen. Das Speichersystem ermöglicht somit sowohl die Bereitstellung von thermischer Energie zur Lufterhitzung in der Saunakabine auf bis zu 100°C oder mehr als auch die Bereitstellung von Dampf zur Einstellung der Luftfeuchtigkeit. Dadurch ist eine zeitlich und räumlich variable und kontrollierbare Zufuhr von thermischer Energie und Dampf in die Saunakabine möglich. Durch die Bereitstellung von Dampf kann zudem auf eine Erzeugung von Dampf in der Saunakabine durch gezieltes Aufgießen von Wasser, beispielsweise auf heiße Steine, verzichtet werden.
-
Die thermische Energie wird dem Speichersystem mittels eines Wärmezufuhrelements bzw. Wärmetauschers zugeführt. Das Wärmezufuhrelement kann innerhalb des Speichersystems angeordnet sein und als Heizwendel ausgestaltet sein, vorzugsweise als ein Rippenrohrwendel, durch das ein Wärmeträgerfluid geführt werden kann, sodass thermische Energie an das Speichersystem abgegeben werden kann. Das Wärmezufuhrelement kann auch als elektrischer Heizstab ausgestaltet sein.
-
Mit dem Speichersystem ist ein Heizelement gekoppelt, das vorzugsweise innerhalb der Saunakabine angeordnet ist. Das Heizelement ist vorzugsweise als Heizkörper, insbesondere als Heizwendel ausgestaltet, weiter vorzugsweise als Rippenrohrschlangen-Wärmeübertrager, durch den ein aus dem Speichersystem austretendes mit thermischer Energie beladenes Speicherfluid geführt werden kann, sodass thermische Energie von dem Speichersystem mittels des Heizelements an die Saunakabine abgegeben werden kann. Das Heizelement kann ein Wandelement umfassen oder als Wandelement ausgeführt sein und kann beispielsweise ein Verkleideelement, vorzugsweise aus Holz entsprechend dem Material der Saunakabine, umfassen. Das Heizelement kann von dem Verkleideelement vollständig umgeben sein, sodass ein Kamineffekt verstärkt wird.
-
Das Heizelement kann auch alternativ als Bodenheizung ausgeführt sein. Es ist auch denkbar, das Heizelement alternativ oder zusätzlich in die in der Saunakabine vorhandenen Sitzelemente und/oder Wandelemente zu integrieren. Vorzugsweise kann die Saunaraumluft im Heizelement auch in einem direkten Kontakt mit dem Speicherfluid stehen. Dabei kann die Saunaraumluft aus dem Innenraum der Saunakabine, beispielsweise mittels Druck, in das Heizelement eingeblasen werden, vorzugsweise an einem unteren Ende des Heizelements. Durch die Auftriebskraft kann die Saunaraumluft als Luftblasen durch das heiße Speicherfluid von unten nach oben aufsteigen, d.h., die Saunaraumluft steigt vorzugsweise als gasförmiges Medium innerhalb des Speicherfluids, beispielsweise flüssiges Wasser, auf. Im oberen Bereich des Heizelements kann die Saunaraumluft aus dem Heizelement austreten und wieder in den Innenraum der Saunakabine eintreten. Dies ist vorteilhaft, da somit thermische Energie von dem Heizelement in die Saunakabine übertragen wird. Außerdem könnte die Saunaraumluft zusätzlich befeuchtet werden.
-
Mit dem Speichersystem ist weiterhin ein Dampfübertragungssystem gekoppelt. Vorzugsweise umfasst das Dampfübertragungssystem wenigstens eine Rohrleitung und wenigstens ein Dampfaustrittelement, vorzugsweise wenigstens ein Ventil. Die wenigstens eine Rohrleitung ist vorzugsweise thermisch isoliert. Nach der Betätigung des wenigstens einen Dampfaustrittelements kann Dampf aus dem Speichersystem über die wenigstens eine Rohrleitung zu dem wenigstens einen Dampfaustrittelement strömen und an die Saunakabine abgegeben werden. Somit kann der heiße Dampf zur Luftbefeuchtung in der Saunakabine eingesetzt werden. Vorzugsweise wird das Dampfaustrittelement manuell betrieben, beispielsweise über eine Zugleine. Es ist aber auch eine automatische Betätigung des Dampfaustrittelements denkbar, sodass der Dampf automatisch, beispielsweise in regelmäßigen zeitlichen Abständen in die Saunakabine übertragen werden kann. Dies ist vorteilhaft, da der Dampf dem Saunainnenraum an gewünschter Stelle oder an mehreren Stellen (bspw. verschiedene Höhen und Ausrichtungen) mittels des wenigstens einen Dampfaustrittelements kontrolliert zugeführt wird. Das wenigstens eine Dampfaustrittelement erlaubt eine zeitlich kontrollierte Dampfzufuhr zur Sauna, beispielsweise durch manuell gesteuerte Ventile oder durch automatisiert gesteuerte Ventile. Dies ermöglicht eine räumlich und zeitlich flexible Zuführung des Dampfes.
-
Alternativ kann das wenigstens eine Dampfaustrittelement als Lochplatte ausgestaltet sein, die vorzugsweise in dem Saunakabinenboden und/oder in der Saunakabinendecke und/oder in wenigstens einer der Saunakabinenwände integriert ist. Die Lochplatte kann fluidisch mit dem Dampfübertragungssystem gekoppelt sein, sodass Dampf aus dem Speichersystem in die Saunakabine übertragen wird. Vorzugsweise umfasst die Lochplatte ein Schutzelement, vorzugsweise ist die Lochplatte zumindest teilweise mit dem Schutzelement verkleidet. Dies ist vorteilhaft, da so der direkte Hautkontakt am Dampfaustritt vermieden wird und Verletzungen durch den unmittelbaren Kontakt, beispielsweise durch den Kontakt mit nackter Haut, mit dem austretenden Dampf vermieden werden kann. Weiterhin ist denkbar, dass das wenigstens eine Dampfaustrittelement eine Düse ist, vorzugsweise eine schwenkbare Düse, sodass der Dampf aus dem Speichersystem in die Saunakabine übertragen wird. Die Übertragung von Dampf in die Saunakabine mittels schwenkbarer Düse ist vorteilhaft, da so der Dampf in alle Richtungen der Saunakabine eingetragen wird und der Dampf sich gleichmäßiger in der Saunakabine verteilen kann.
-
Die Grundbefeuchtung der Saunaluft erfolgt durch die Übertragung von Dampf aus dem Speichersystem in die Saunakabine mittels des Dampfübertragungselements. Zusätzlich kann die Saunaanlage einen thermisch isolierten Feststoffspeicher, vorzugsweise einen konventionellen Saunaofen, umfassen. Eine thermische Beladung des Saunaofens auf Temperaturen größer 150°C kann im geschlossenen Speicherzustand mit elektrischen Heizstäben erfolgen. Im Saunabetrieb kann ein Aufguss von flüssigem Wasser zur supplementären Dampferzeugung erfolgen, wobei der Aufguss beispielsweise durch die Abnahme eines Speicherdeckels ermöglicht wird. Die Deckelabnahme kann mit einer Sicherheitsmechanik verbunden werden, welche die elektrische Kontaktierung der elektrischen Heizstäbe unterbricht, sodass der sichere Betrieb gewährleistet ist. Da die Grundbefeuchtung der Saunaluft über das Speichersystem erfolgt, kann der Feststoffspeicher mit wesentlich geringerer Kapazität ausgeführt werden als ein konventioneller Saunaofen. Durch den zusätzlichen Feststoffspeicher wird zusätzlich thermische Energie der Saunakabine zugeführt. Des Weiteren wird das subjektive Saunaerlebnis gesteigert.
-
Vorzugsweise wird der Dampf in dem Speichersystem erzeugt.
-
Das Speichersystem ist zur Speicherung von thermischer Energie und Dampf ausgestaltet. Das Speichersystem umfasst beispielsweise Wasser, das erhitzt und verdampft wird. Dabei wird dem Speichersystem thermische Energie zugeführt, die in dem Speichersystem gespeichert wird. Zusätzlich wird in dem Speichersystem Dampf erzeugt, der dann über das Dampfübertragungssystem in die Saunakabine übertragen wird. Dies ist vorteilhaft, da auf eine weitere Vorrichtung, die Dampf erzeugt und der Saunakabine zuführt, verzichtet werden kann. Dies ermöglicht einen besonders effektiven Betrieb der Saunaanlage. Das Speichersystem kann ein Zuführungsmittel zur Zuführung von Wasser in das Speichersystem aufweisen, damit Wasser in das Speichersystem als Speichermedium für thermische Energie eingeführt werden kann bzw. damit Wasser in das Speichersystem nachgeführt werden kann. Dies ist vorteilhaft, da somit ein Verlust an Wasser durch die Verdampfung bzw. Erzeugung von Dampf in dem Speichersystem ausgeglichen werden kann. Als Zuführungsmittel ist beispielsweise ein konventioneller Wasseranschluss denkbar, der mit einem externen Wassertank oder der Wasserversorgung eines Haushalts gekoppelt ist.
-
Vorzugsweise ist das Speichersystem innerhalb der Saunakabine angeordnet oder das Speichersystem ist außerhalb der Saunakabine angeordnet.
-
Die erfindungsgemäße Saunaanlage umfasst ein Speichersystem, das vorzugsweise im Saunainnenraum bzw. in der Saunakabine aufgestellt werden kann. Geringe Wärmeverluste können so in den Saunainnenraum gelangen und diesen zur Vorwärmung bzw. Warmhaltung bei Temperaturen um 20°C dienen. Des Weiteren stellen dann die Wärmeverluste des Speichersystems für das Gesamtsystem der Sauna keine Verluste dar. Aufgrund der geringen Temperaturdifferenz von Saunainnenraum und Umgebung sind die Wärmeverluste an die Umgebung deutlich geringer als der Wärmeeintrag vom Speichersystem in den Saunainnenraum. Es ist aber auch denkbar, dass das Speichersystem außerhalb der Saunakabine angeordnet ist. Sowohl im Falle einer externen als auch einer internen Anordnung des Speichersystems kann das Speichersystem zusätzlich eine isolierende, äußere Schicht, umfassen, um die Wärmeverluste zu minimieren und somit die Effizienz der Saunaanlage zu steigern.
-
Das Speichersystem umfasst einen Druckbehälter, wobei der Druckbehälter teilweise mit einem Speicherfluid befüllt ist und ein Hohlraumvolumen oberhalb des Speicherfluids aufweist.
-
Als nachhaltiges und umweltfreundliches Speicherfluid kann Wasser verwendet werden. Die Befüllung eines Druckbehälters mit einem Speicherfluid ist vorteilhaft, da in dem Speicherfluid in dem Druckbehälter die thermische Energie, die dem Speichersystem zugeführt wird, gespeichert werden kann. Oberhalb der Wasserspiegellage, d.h. oberhalb der Oberfläche des Speicherfluids, umfasst der Druckbehälter einen Hohlraum, in dem eine reine Dampfphase realisiert wird. Dies ist vorteilhaft, da somit die thermische Energie, die dem Speichersystem zugeführt wird, in der flüssigen Phase gespeichert werden kann, während in dem Hohlraumvolumen der in dem Speichersystem erzeugte Dampf gespeichert werden kann. Die zugeführte thermische Energie dient zum einem zum Erzeugen von Dampf, es kann aber auch der Druck in dem Speicherfluid erhöht werden bzw. das Speicherfluid kann mit Druck beaufschlagt werden. Somit wird realisiert, dass das Speichersystem gleichzeitig thermische Energie und Dampf speichern kann.
-
Vorzugsweise befinden sich die dampfförmige und flüssige Phase im oder nahe am thermodynamischen Gleichgewicht bzw. Sättigungszustand. Vorzugsweise ist der Druckbehälter derart mit dem Speicherfluid befüllt, sodass die flüssige Phase einen höheren Volumenanteil als die Gasphase in dem Hohlraumvolumen aufweist. Dies ist vorteilhaft, da durch den höheren Volumenanteil der flüssigen Phase des Speicherfluids ein größerer Anteil von thermischer Energie gespeichert werden kann und/oder ein größerer Anteil von thermischer Energie zur Erzeugung des Dampfs in dem Hohlraumvolumen zur Verfügung steht.
-
Vorzugsweise weist das Speicherfluid eine Temperatur von größer als 100°C, vorzugsweise größer als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C, auf.
-
Diese Temperaturen sind besonders vorteilhaft, um eine finnische Sauna mit einer Betriebstemperatur von bis zu 100°C oder mehr in der Saunakabine zu betreiben. Besonders bevorzugt weist das Speicherfluid eine Temperatur von größer als 100°C, vorzugsweise größer als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C, im oberen Bereich des Druckbehälters unterhalb der Oberfläche des Speicherfluids auf, d.h., im unmittelbaren Grenzbereich der flüssigen Phase zur dampfförmigen Phase im Hohlraumvolumen. Dies ist vorteilhaft, da zur thermischen Entladung, d. h. zur Wärmeentnahme, das Speicherfluid im oberen Bereich des Druckbehälters unterhalb der Oberfläche des Speicherfluids entnommen wird und dem Heizelement zugeführt werden kann. Selbst wenn das Speicherfluid durch diese Übertragung thermische Energie verliert, ist ein Betrieb einer finnischen Sauna mit einer Betriebstemperatur von bis zu 100°C oder mehr aufgrund der Temperatur des Speicherfluids von größer als 100°C, vorzugsweise größer als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C, weiterhin möglich.
-
Vorzugsweise ist die Temperatur des Speicherfluids auf 150°C beschränkt. Mit anderen Worten, die Temperatur des Speicherfluids übersteigt eine Temperatur von 150°C nicht. Eine Temperatur des Speicherfluids von höchstens 150°C ist in jedem Fall ausreichend, um thermische Energie mit einer hohen Leistung aus dem Speichersystem in die Saunakabine zu übertragen. Bei 150°C beträgt der Druck im Speichersystem, vorzugsweise in dem Druckbehälter des Speichersystems, etwa 5 bar, vorzugsweise 4,76 bar, sodass sich ein Überdruck von etwa 3,76 bar einstellen kann.
-
Beträgt die Temperatur des Speicherfluids beispielsweise auf 200°C, so stellt sich ein Druck im Speichersystem, vorzugsweise in dem Druckbehälter des Speichersystems, von etwa 15,5 bar ein. In dieser Ausführungsform ist der Druckbehälter vorzugsweise ausserhalb der Saunakabine angeordnet. Die Beschränkung der Temperatur des Speicherfluids auf 150°C ist weiter vorteilhaft, da aus sicherheitstechnischen Gründen die Aufstellung des Speichersystems ohne zusätzliche Prüfungen möglich ist. Vorzugsweise ist der Druckbehälter auf max. 10 bar ausgelegt. Dies ist vorteilhaft, da somit eine Temperatur des Speicherfluids von größer als 100°C, vorzugsweise größer als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C, möglich ist. Darüber hinaus können sich auch Temperaturen von bis zu 150°C sicher einstellen.
-
Vorzugsweise umfasst die Saunaanlage zumindest einen Solarkollektor, insbesondere zumindest einen solarthermischen Vakuumflachkollektor, wobei die Saunaanlage ausgestaltet ist, sodass ein erstes Wärmeträgerfluid zyklisch von dem Wärmezufuhrelement des Speichersystems zu dem zumindest einen Solarkollektor hin- und zurückgeführt wird.
-
Der zumindest eine Solarkollektor ermöglicht die Beladung des Speichersystems mit thermischer Energie. Alternativ ist auch denkbar, dass das Speichersystem mittels Strom aufgeheizt und somit mit thermischer Energie beladen wird. Der zumindest eine Solarkollektor stellt thermische Energie bereit, welche beispielsweise selbst bei geringer solarer Einstrahlung im Winter das durchströmende erste Wärmeträgerfluid auf ausreichend hohe Temperatur von größer als 120°C erwärmen kann. Diese Temperatur des Wärmeträgerfluids ist vorteilhaft, da somit das Speicherfluid auf eine Temperatur von größer als 100°C, vorzugsweise größer als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C, erwärmt werden kann.
-
Das erste Wärmeträgerfluid wird zyklisch vom Speichersystem, vorzugsweise vom Wärmezufuhrelement im Druckbehälter des Speichersystems, zum Solarkollektor und zurückgeführt. Dies kann mittels Rohrleitungen erfolgen, die den zumindest einen Solarkollektor mit dem Speichersystem, vorzugsweise mit dem Wärmezufuhrelement in dem Druckbehälter, verbinden. Vorzugsweise umfassen die Rohrleitungen eine thermische Isolierung. Weiter vorzugsweise ist die Länge der Rohrleitungen und die dadurch zurückgelegte Strecke des ersten Wärmeträgerfluids möglichst kurz auszuführen. Dadurch wird der Verlust von thermischer Energie vermindert und das Speicherfluid in dem Druckbehälter kann eine Temperatur von größer als 100°C, vorzugsweise größer als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C, aufweisen. Dies gewährleistet wiederum den Betrieb einer finnischen Sauna mit einer Betriebstemperatur von bis zu 100°C oder mehr in der Saunakabine.
-
Es ist denkbar, dass das Speicherfluid, beispielsweise Wasser, direkt durch den wenigstens einen Solarkollektor, vorzugsweise den wenigstens einen solarthermischen Vakuumflachkollektor, geleitet wird. Dies ist vorteilhaft, da so auf ein Wärmezufuhrelement innerhalb des Speichersystems zur stofflichen Trennung von Speicherfluid und ersten Wärmeträgerfluid verzichtet werden kann.
-
Vorzugsweise ist der zumindest eine Solarkollektor mit dem Speichersystem thermisch gekoppelt.
-
Durch eine thermische Kopplung des zumindest einen Solarkollektors mit dem Speichersystem, vorzugsweise mit dem Wärmezufuhrelement in dem Druckbehälter, kann die thermische Energie, die von dem zumindest einem Solarkollektor bereitgestellt wird, an das Speicherfluid in dem Speichersystem übertragen werden. Da die thermische Energie, die durch den zumindest einen Solarkollektor bereitgestellt wird, größer als 100°C, vorzugsweise größer als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C ist, kann trotz geringer Wärmeverluste, die durch die Führung des ersten Wärmeträgerfluids durch die Rohrleitungen zwischen dem Solarkollektor und dem Wärmezufuhrelement auftreten können, das Speicherfluid in dem Druckbehälter mit einer ausreichend hohen thermischen Energie beladen und somit auf eine ausreichend hohe Temperatur geheizt werden.
-
Vorzugsweise umfasst das Speichersystem eine Schichtbeladeeinrichtung zur schichtweisen Beladung des Speichersystems mit thermischer Energie, wobei das Wärmezufuhrelement weiter vorzugsweise innerhalb der Schichtbeladeeinrichtung angeordnet ist.
-
Die Integration des Wärmezufuhrelements in eine Schichtbeladevorrichtung erlaubt die partielle Beladung des Speichersystems auch an Wintertagen mit sehr geringer solarer Einstrahlung für welche das erste Wärmeträgerfluid in den solarthermischen Vakuumkollektoren nur auf Temperaturen kleiner als 120°C aufgeheizt werden kann. Hiermit können die Anteile des Speichermediums welche aufgrund noch nicht ausreichender Beladung oder etwaiger zwischenzeitlicher Wärmeverluste seit dem letzten Beladevorgang auf niedrige Temperaturen deutlich unter 120°C gesunken sind, bereits auf Temperaturen nahe an 120°C aufgeheizt werden. Die Schichtbeladevorrichtung erstreckt sich vorzugsweise in Längsrichtung des Druckbehälters, entlang dessen Mittellängsachse und quer durch das Speicherfluid vom unteren Bereich des Druckbehälters bis hin zum an die Oberfläche des Speicherfluids angrenzenden Bereich. Dies ist vorteilhaft, da somit der Druckbehälter von oben nach unten geheizt wird und das Speicherfluid im unteren Bereich des Druckbehälters geheizt und aufsteigen kann, sodass eine besonders geeignete Temperaturschichtung erzielt werden kann. Des Weiteren ist die Temperaturschichtung thermisch effizienter als eine homogene Temperaturverteilung. Dadurch, dass das von unten geheizte Speicherfluid aufsteigt, weist das Speicherfluid in dem an die Oberfläche des Speicherfluids angrenzenden Bereich die höchsten Temperaturen auf, bevorzugt größer als 100°C, weiter bevorzugt größer als 110°C, besonders bevorzugt größer als 120°C. Diese Temperaturen im unmittelbaren Grenzbereich zum Hohlraumvolumen oberhalb des Speicherfluids sind besonders geeignet zur Erzeugung des Dampfes, der dann in dem Hohlraumvolumen gespeichert wird.
-
Die Temperaturschichtung des Speicherfluids ist darüber hinaus fluidmechanisch stabil, vorzugsweise sind keine Dichteunterschiede vorhanden. So wird eine freie bzw. natürliche Konvektion des Speicherfluids verhindert. Dies ist vorteilhaft, da somit eine Durchmischung des unteren geheizten Speicherfluids mit dem oberen, vorzugsweise ungeheizten, Speicherfluid verhindert wird. Mit anderen Worten, es durchmischen sich keine heißen und kalten Speicherfluidschichten. Das im unteren Bereich des Druckbehälters geheizte Speicherfluid steigt vielmehr auf, sodass das Speicherfluid im oberen Bereich des Druckbehälter, vorzugsweise in dem an die Oberfläche des Speicherfluids angrenzenden Bereich, die höchste thermische Energie und somit eine Maximaltemperatur aufweist.
-
Ferner ermöglicht die Schichtbeladevorrichtung, dass keine thermische Energie im unteren Bereich des Druckbehälters vergeudet wird.
-
Vorzugsweise werden das Speicherfluid und das erste Wärmeträgerfluid in getrennten Kreisläufen geführt oder das Speicherfluid und das erste Wärmeträgerfluid sind ein und dasselbe Fluid und werden, weiter bevorzugt in einem gemeinsamen Kreislauf geführt. Weiter vorzugsweise ist das Speicherfluid das gleiche Fluid wie das erste Wärmeträgerfluid oder das Speicherfluid unterscheidet sich von dem ersten Wärmeträgerfluid.
-
Indem das Speicherfluid und das erste Wärmeträgerfluid in getrennten Kreisläufen geführt werden, erfolgt die Beladung des Speichersystems mit thermischer Energie nicht durch Zufuhr von thermischer Energie in die flüssige Phase des Speicherfluids und Kondensation des selbigen in der flüssigen Phase des Speicherfluids. Vielmehr sind Wärmeträgerfluid und Speicherfluid stofflich getrennt und die Wärmeübertragung vom Wärmeträgerfluid auf das Speicherfluid erfolgt mittels des Wärmezufuhrelements, das vorzugsweise im unteren Bereich des Druckbehälters in der flüssigen Phase des Speicherfluids angeordnet ist, insbesondere in der Schichtbeladevorrichtung. Dies ist vorteilhaft, da somit das Wärmeträgerfluid andere materielle und thermodynamische Eigenschaften als das Speicherfluid haben kann. Es ist aber auch denkbar, dass das erste Wärmeträgerfluid und das Speicherfluid in einem gemeinsamen Kreislauf geführt werden. Dann ist das Wärmeträgerfluid und das Speicherfluid ein und dasselbe Fluid, sodass die thermische Energie von dem zumindest einen Solarkollektor direkt in die flüssige Phase des Speicherfluids geführt wird.
-
Vorzugsweise ist das erste Wärmeträgerfluid mit einem höheren Druck beaufschlagt als das Speicherfluid.
-
Mit anderen Worten, der Druck in den Kollektoren ist höher als der Druck im Speichersystem. Vorzugsweise ist das erste Wärmeträgerfluid, insbesondere wenn als erstes Wärmeträgerfluid Wasser eingesetzt wird, mit einem Druck von wenigstens 6 bar beaufschlagt. Weiter vorzugsweise ist das erste Wärmeträgerfluid, insbesondere wenn als erstes Wärmeträgerfluid Wasser eingesetzt wird, mit einem Druck von höchstens 10 bar beaufschlagt. Wird als erstes Wärmeträgerfluid beispielsweise ein Thermoöl verwendet, dann ist das erste Wärmeträgerfluid vorzugsweise mit einem Druck von wenigstens 3 bar und/oder höchstens 6 bar beaufschlagt.
-
Durch die höhere Druckbeaufschlagung des ersten Wärmeträgerfluids wird die mögliche Verdampfung in den solarthermischen Vakuumkollektoren reduziert oder sogar unterbunden. Dadurch lässt sich das Wärmeträgerfluid zuverlässiger führen und der Betriebszustand in den solarthermischen Vakuumkollektoren kontrollieren. Durch die Druckbeaufschlagung des Speicherfluids in dem Druckbehälter können Speichertemperaturen von größer als 100°C, vorzugsweise größer als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C, in dem Speichersystem erzielt werden. Dies ist vorteilhaft für den Betrieb einer finnischen Sauna mit Temperaturen von bis zu 100°C oder mehr.
-
Vorzugsweise sind das Speicherfluid und das erste Wärmeträgerfluid eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, weiter vorzugsweise druckbeaufschlagtes Wasser, oder das Speicherfluid ist eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, vorzugsweise druckbeaufschlagtes Wasser, und wobei das erste Wärmeträgerfluid ein Öl oder ein Gemisch aus wenigstens zwei Flüssigkeiten, vorzugsweise ein Gemisch aus Öl und Wasser ist.
-
Die Verwendung von Wasser als erstes Wärmeträgerfluid und als Speicherfluid ist vorteilhaft, da Wasser ein nachhaltiges und umweltfreundliches Fluid ist. Weiter vorteilhaft ist die Verwendung eines Gemisches aus wenigstens zwei Flüssigkeiten für das erste Wärmeträgerfluid, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser mit Öl oder aus Wasser mit Alkohol. Besonders bevorzugt ist ein Gemisch aus Wasser und Alkohol, beispielsweise Gylkol als Frostschutzmittel. Es ist auch denkbar, als erstes Wärmeträgerfluid ein Frostschutzmittel zu verwenden. So wird vermieden, dass bei äußerst niedrigen Umgebungstemperaturen um den Gefrierpunkt, insbesondere bei Stillstand der Saunaanlage im Winter, das Wärmeträgerfluid im wenigstens einen Solarkollektor und/oder in den Rohrleitungen zwischen dem wenigstens einen Solarkollektor und dem Speichersystem einfriert. Durch die Druckbeaufschlagung des ersten Wärmeträgerfluids wird die mögliche Verdampfung in den solarthermischen Vakuumkollektoren unterbunden. Dadurch lässt sich das Wärmeträgerfluid zuverlässiger fördern und der Betriebszustand in den solarthermischen Vakuumkollektoren kontrollieren. Durch die Druckbeaufschlagung des Speicherfluids können Speichertemperaturen von größer als 100°C, vorzugsweise größer als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C, in dem Speichersystem erzielt werden. Dies ist vorteilhaft für den Betrieb einer finnischen Sauna mit einer Betriebstemperatur von bis zu 100°C oder mehr.
-
Vorzugsweise ist die Saunaanlage ausgestaltet, sodass das Speicherfluid in einem oberen Bereich des Druckbehälters, vorzugsweise knapp unterhalb einer Oberfläche des Speicherfluids, entnommen und zum Heizelement geführt wird, und sodass das Speicherfluid von dem Heizelement in einen unteren Bereich des Druckbehälters, vorzugsweise in einen Bereich des Speicherfluids, der von dessen Oberfläche entfernt ist, zurückgeführt wird.
-
Vorzugsweise umfasst das Speichersystem ein Entnahmeelement, das mit der Oberfläche des Speicherfluids in Kontakt steht. Vorzugsweise ist das Entnahmeelement als ein Rohr, insbesondere als ein an der Oberfläche des Speicherfluids schwimmendes Entnahmerohr, ausgestaltet, sodass das Speicherfluid aus einem oberen Bereich des Druckbehälters, vorzugsweise knapp unterhalb einer Oberfläche des Speicherfluids, entnommen und zum Heizelement geführt werden kann. Bevorzugt ist das Entnahmeelement mit Rohrleitungen, die das Speichersystem mit dem Heizelement verbinden, fluidisch verbunden. Durch die Ausgestaltung des Entnahmeelements als ein an der Oberfläche des Speicherfluids schwimmendes Entnahmerohr kann bei veränderlicher Höhe bzw. Volumen des Speicherfluids immer Speicherfluid von maximaler Temperatur an der Oberfläche entnommen wird. Denkbar ist auch ein Entnahmeelement, das als eine aufschwimmende Heizwendel ausgestaltet ist. Besonders bevorzugt ist das Entnahmeelement als eine aufschwimmende Heizwendel, die als Spiralrohr ausgestaltet ist, und eine gewellte Oberfläche umfasst, ausgestaltet, sodass das Spiralrohr nur zu einem Teil in der flüssigen Phase des Speicherfluids liegt, vorzugsweise zu einem Teil von Zweidrittel, und zu einem Teil in der Dampfphase in dem Hohlraumvolumen liegt, vorzugsweise zu einem Teil von Eindrittel. Auf vorteilhafte Weise kann dann durch die Wellenstruktur, beispielsweise Rillen oder Nuten, in der Oberfläche des Spiralrohrs die Erzeugung von Dampf in dem Hohlraumvolumen durch die Verdampfung des Speicherfluids verbessert werden.
-
Knapp unterhalb der Oberfläche des Speicherfluids, im unmittelbaren Grenzbereich der flüssigen Phase zur dampfförmigen Phase im Hohlraumvolumen, ist die Temperatur des Speicherfluids am höchsten, bevorzugt größer als 100°C, weiter bevorzugt größer als 110°C, besonders bevorzugt größer als 120°C. Somit ist der Bereich besonders gut für die thermische Entladung und zur Entnahme des Speicherfluids geeignet, das als Wärmeträgerfluid zu dem Heizelement geführt wird. Das bedeutet, dass vorzugsweise ein und dasselbe Fluid aus dem Speichersystem austritt und dem Heizelement zugeführt wird. Dies ermöglicht den Betrieb einer finnischen Sauna mit Temperaturen in der Saunakabine von bis zu 100°C oder mehr. Das im unteren Bereich des Druckbehälters wieder zurückgeführte Speicherfluid hat nach Austritt aus dem Heizelement eine viel geringere Temperatur, und kann aufgrund des angrenzenden Wärmezufuhrelements und der Schichtbeladeeinrichtung in dem Druckbehälter wieder aufgeheizt werden, an die Oberfläche des Speicherfluids aufsteigen, und dort wieder aus dem Druckbehälter entnommen werden. So entsteht ein geschlossener Kreislauf zwischen dem Speichersystem und dem Heizelement.
-
Es ist vorteilhaft, das nach Durchlauf des Heizelements abgekühlte Speicherfluid dem Speichersystem angrenzend an die Unterseite des Druckbehälters, vorzugsweise durch die Schichtbeladevorrichtung, zurückzuführen, damit die Temperaturschichtung im flüssigen Speicherfluid im Speichersystem erhalten bleibt. Das Heizelement kann in ein Wandelement und/oder Eckelement und/oder Säulenelement in der Saunakabine integriert sein. Bevorzugt wird das Heizelement als Heizelement mit großer Wärmeübertragungsfläche ausgeführt. Mit anderen Worten umfasst das Heizelement vorzugsweise besonders große Seitenflächen, die eine Höhe aufweisen, die wenigstens halb so hoch wie die Höhe der Saunakabine sind. Weiter bevorzugt wird das dem Speichersystem entnommene Speicherfluid dem Heizelement angrenzend an dessen Oberseite zugeführt und angrenzend an dessen Unterseite, die der Oberseite bevorzugt gegenüberliegt, entnommen. Dies ist vorteilhaft, da das dem Speichersystem entnommene Speicherfluid und dem Heizelement als heißes Wärmeträgerfluid zugeführte Fluid von oben nach unten durch das gesamte Heizelement strömen kann. Die Saunaluft strömt dann im Gegenstrombetrieb als Kaltluft vom Saunaboden von unten nach oben durch das Heizelement.
-
Für eine effiziente Wärmeübertragung sowie eine ausreichende Luftströmung kann das Heizelement mit einer Verkleidung verkleidet sein, wobei die Verkleidung Ein- und Auslassschlitze aufweist. Die Ein- und Auslassschlitze können vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten der Verkleidung vorgesehen sein, beispielsweise in gegenüberliegenden Bereichen angrenzend an deren Ober- und Unterkante. Dadurch wird die freie Konvektionsströmung gemäß dem Kamineffekt verstärkt.
-
Des Weiteren kann eine Zufuhr für Frischluft unterhalb des Heizelements, vorzugsweise angrenzend an den Bereich, in dem das abgekühlte Speicherfluid das Heizelement verlässt, vorgesehen sein. Zur Steigerung der Energieeffizienz der Saunaanlage kann die Frischluft über einen Wärmeübertrager, beispielsweise einen Luftvorwärmer, mit der aus der Saunakabine abströmenden warmen Abluft vorgewärmt werden, bevor sie dem Saunainnenraum zugeführt wird.
-
Vorzugsweise umfasst das Speichersystem ein Wärmeabgabeelement zur Abgabe von thermischer Energie von dem Speichersystem an das Heizelement, wobei ein zweites Wärmeträgerfluid von dem Wärmeabgabeelement zu dem Heizelement hin- und zurückgeführt wird.
-
Das Speicherfluid in dem Druckbehälter des Speichersystems und das zweite Wärmeträgerfluid sind dabei zwei getrennte Fluide, die nicht miteinander in Kontakt treten.
-
Das Speicherfluid bleibt im Druckbehälter und verlässt diesen nicht in flüssiger Phase im oberen Bereich. Es dient ausschließlich zur Aufheizung des zweiten Wärmeträgerfluids und zur Erzeugung von Dampf, das in dem Wärmeabgabeelement bzw. Wärmetauscher geführt wird, und an das Heizelement abgeben wird. Dies ist vorteilhaft, da das Speicherfluid somit nicht in das Heizelement geführt wird, und dadurch Verunreinigungen vermieden werden.
-
Das Wärmeabgabeelement ist vorzugsweise von dem Speicherfluid umgeben und kann als Heizwendel ausgestaltet sein, die sich quer durch das Speichersystem erstreckt, vorzugsweise quer durch die flüssige Phase des Speicherfluids, weiter vorzugsweise von knapp unterhalb der Oberfläche des Speicherfluids bis zu dessen unteren Bereich, der von dessen Oberfläche entfernt ist, erstreckt. Dies ist vorteilhaft, da das zweite Wärmeträgerfluid das Wärmeabgabeelement in dessen oberen Bereich geheizt verlassen kann, wo das umgebene Speicherfluid die höchste Temperatur aufweist, und dem Heizelement zugeführt werden kann. Weiterhin kann das Wärmeträgerfluid dem Wärmeabgabeelement an dessen unteren Bereich wieder zugeführt werden und aufgeheizt werden, sodass es durch das Wärmeabgabeelement von unten nach oben aufsteigt, um dort wieder das Wärmeabgabeelement zu verlassen. Somit wird ein Kreislauf ermöglicht, mittels dessen die Luft in der Saunakabine erwärmt werden kann, ohne dass das Speicherfluid den Druckbehälter des Speichersystems verlassen muss.
-
Vorzugsweise ist das Speicherfluid das gleiche Fluid wie das zweite Wärmeträgerfluid oder das Speicherfluid unterscheidet sich von dem zweiten Wärmeträgerfluid.
-
Durch die Anordnung eines Wärmeabgabeelements in dem Speichersystem kann sich das Fluid, das als zweites Wärmeträgerfluid von dem Wärmeabgabeelement zu dem Heizelement hin- und zurückgeführt wird, von dem Fluid, das als Speicherfluid verwendet wird, unterscheiden. Mit anderen Worten, es können völlig unterschiedliche Fluide verwendet werden, die sich in ihren stofflichen und thermodynamischen Eigenschaften unterscheiden. Dies ist vorteilhaft, da somit das zweite Wärmeträgerfluid mit einem anderen Druck beaufschlagt werden kann als das Speicherfluid, was wiederum zur Effizienzsteigerung der Saunaanlage beitragen kann. Weiterhin kann das zweite Wärmeträgerfluid mit einem höheren Druck als das Speicherfluid beaufschlagt werden, um eine verbesserte Durchströmung des Heizelements zu erzielen. Es ist aber auch denkbar, dass als Speicherfluid und zweites Wärmeträgerfluid ein gleiches Fluid verwendet wird, beispielsweise ein mit demselben Druck beaufschlagtes Wasser.
-
Wird jedoch auf die Anordnung eines Wärmeabgabeelements in dem Speichersystem verzichtet und wird das Speicherfluid von dem Druckbehälter zu dem Heizelement hin- und zurückgeführt, so handelt es sich bei dem Fluid, das als Speicherfluid den Druckbehälter verlässt und als aufgeheiztes Wärmeträgerfluid dem Heizelement zugeführt wird, um ein und dasselbe Fluid, das dieselben stofflichen und thermodynamischen Eigenschaften hat, vorzugsweise handelt es sich um Wasser. Wenn das Speicherfluid als Wärmeträgerfluid im Heizelement für die Sauna verwendet wird, wird auf vorteilhafte Weise eine höhere Heizleistung aufgrund der hohen Temperaturen des Speicherfluids erzielt. Somit wird ein Temperaturverlust von etwa 10 K vermieden, der durch die Übertragung der thermischen Energie von dem Speicherfluid auf das erste Wärmeträgerfluid zu erwarten ist. Dadurch dass ein Temperaturverlust vermieden wird, wird also eine höhere Temperaturdifferenz zwischen Heizelement und Saunaluft und somit eine höhere Heizleistung erzielt.
-
Vorzugsweise werden das Speicherfluid und das zweite Wärmeträgerfluid in getrennten Kreisläufen geführt.
-
Durch die Anordnung eines zusätzlichen Wärmeübertrageelements in Form eines Wärmeabgabeelements bzw. Wärmetauschers in dem Speichersystem wird ein Kreislauf ermöglicht, in dem das zweite Wärmeträgerfluid zwischen dem Speichersystem und dem Heizelement zirkuliert, wobei das zweite Wärmeträgerfluid das Wärmeabgabeelement im oberen Bereich des Druckbehälters verlässt und zu dem Heizelement hin geführt wird, dieses vorzugsweise von oben nach unten durchläuft, und wieder zurück zu dem Wärmeabgabeelement im unteren Bereich des Druckbehälters geführt wird. Gleichzeitig kann das Speicherfluid in dem Druckbehälter in einem Kreislauf gefördert werden, sodass das Speicherfluid in dem Druckbehälter zwischen einem Bereich angrenzend an die Oberfläche des flüssigen Speicherfluids und einem Bereich an dessen Unterseite zirkuliert und eine thermische Schichtung innerhalb des Speicherfluids ermöglicht wird. Durch diese getrennten Kreisläufe wird eine besonders effiziente Aufheizung des zweiten Wärmeträgerfluids in dem Wärmeabgabeelement ermöglicht.
-
Vorzugsweise sind das Speicherfluid und das zweite Wärmeträgerfluid eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, weiter vorzugsweise druckbeaufschlagtes Wasser.
-
Wasser dient als besonders umweltfreundliches und nachhaltiges Fluid und kann als Speicherfluid und als zweites Wärmeträgerfluid eingesetzt werden. Die Verwendung von Wasser als Speicherfluid ist weiterhin von Vorteil, da der aus dem Wasser erzeugte Dampf mittels des Dampfübertragungssystems in die Saunakabine zur Befeuchtung übertragen wird und von den Saunagästen während des Saunabetriebs eingeatmet werden kann. Bevorzugt ist das Wasser mit ätherischen Ölen oder mit Alkohol versetzt, sodass mit ätherischen Ölen oder Alkohol versetzter Dampf in die Saunakabine eingetragen wird, was zusätzlich zum Saunaerlebnis beträgt. Vorzugsweise ist der Hauptbestandteil des Speicherfluids Wasser. Die Verwendung von Wasser als zweites Wärmeträgerfluid hat ebenfalls den Vorteil, dass Wasser umweltfreundlich ist und zudem hat Wasser nicht die Gefahr einer Brennbarkeit, welche beim Betrieb der Saunaanlage eine Gefahrenquelle darstellt.
-
Alternativ ist als zweites Wärmeträgerfluid Thermoöl denkbar. Thermoöl ist besonders temperaturresistent, sodass ein Einfrieren v.a. beim Nichtbetrieb der Saunaanlage in den Wintermonaten verhindert wird. Thermöl kann aber nicht als Speichermedium eingesetzt werden, da der in dem Speichersystem erzeugte Dampf dann nicht geeignet wäre, in die Saunakabine eingeführt zu werden, um von den Saunagästen während des Betriebs der Saunaanlage eingeatmet zu werden.
-
Alternativ kann das Speichersystem, insbesondere der Druckbehälter, mit einem Feststoff insbesondere einer Feststoffschüttung, beispielsweise Natursteine, Stahlkugeln, etc., gefüllt werden. So kann die thermische Energie zum Teil in dem Feststoff bzw. der Feststoffschüttung anstelle in dem Speicherfluid, vorzugsweise Wasser, gespeichert werden. Dies ist vorteilhaft, da so eine bessere Temperaturschichtung erzielt wird und Wärmeverluste verringert werden. Vorzugsweise kann die Saunaluft direkt mit der Feststoffschüttung in Kontakt treten. Vorzugsweise weist die Feststoffschüttung eine besonders hohe spezifische Wärmekapazität auf, vorzugsweise eine spezifische Wärmekapazität, die höher als die spezifische Wärmekapazität des flüssigen Speicherfluids, vorzugsweise Wasser, ist. Insbesondere wenn die spezifische Wärmekapazität der Feststoffschüttung, beispielsweise der Natursteine, höher als die von Wasser ist, wird die Speicherkapazität des Speichersystems erhöht und gleichzeitig das benötigte Speichervolumen reduziert.
-
Durch die Druckbeaufschlagung lässt sich das zweite Wärmeträgerfluid zuverlässiger fördern und auf höhere Temperaturen aufheizen. Durch die Druckbeaufschlagung des Speicherfluids in dem Druckbehälter können Speichertemperaturen von größer als 100°C, vorzugsweise größer als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C, in dem Speichersystem erzielt werden. Dies ist vorteilhaft für den Betrieb einer finnischen Sauna mit Temperaturen von bis zu 100°C oder mehr.
-
Vorzugsweise umfasst das Dampfübertragungssystem zumindest ein Dampfaustrittelement. Vorzugsweise sind das zumindest eine Dampfaustrittelement und das Heizelement angrenzend zueinander, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse, angeordnet. Vorzugsweise umfasst das zumindest eine Dampfaustrittelement eine besondere Formgebung.
-
Zur stofflichen Entladung, d.h. zur Dampfentnahme aus dem Speichersystem, wird der Dampf aus dem Hohlraumvolumen des Druckbehälters vorzugsweise über einen Rohranschluss im oberen Bereich des Druckbehälters entnommen. Der Dampf wird dem Innenraum der Saunakabine über thermisch isolierte Rohrleitungen an gewünschter Stelle oder an mehreren Stellen (bspw. verschiedene Höhen und Ausrichtungen) über zumindest ein Dampfaustrittelement, vorzugsweise ein Ventil, kontrolliert zugeführt. Das zumindest eine Dampfaustrittelement erlaubt eine zeitlich kontrollierte Dampfzufuhr in den Innenraum der Saunakabine. Dabei sind entweder manuell gesteuerte Dampfaustrittselemente, vorzugsweise manuell gesteuerte Ventile denkbar, oder automatisch geregelte Dampfaustrittselemente, vorzugsweise automatisch geregelte Ventile denkbar. Ferner sind elektrisch gesteuerte Dampfaustrittelemente denkbar, beispielsweise Schaltelemente in Form von Relais.
-
Durch diese räumlich und zeitlich flexible Zuführung des Dampfes ergeben sich neue Möglichkeiten zur Gestaltung von erlebnisorientierten Saunen. Beispielsweise lässt sich der Dampf durch Dampfaustrittselemente mit besonderer Formgebung, beispielsweise besondere Skulpturen oder andere Einbauten zuführen. Die Dampfzufuhr kann des Weiteren mit audio-visuellen Effekten synchronisiert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Zufuhr des Dampfes über ein Lochblech an der Unterseite einer beleuchteten Wassersäule, sodass der Dampf ähnlich einer Lava-Lampe in Form von Blasen durch die Säule aufsteigt und am Säulenende in die Sauna eintritt. Weiterhin ist eine Anreicherung des Dampfes mit ätherischen Ölen denkbar.
-
Die beschriebene Dampfzufuhr ersetzt die konventionelle Dampfzufuhr mittels (manuellem) Aufguss von flüssigem Wasser auf heißen Steinen und augenblicklicher Verdampfung. Falls nicht auf das Erlebnis des konventionellen Aufgusses verzichtet werden möchte, kann die beschriebene Dampfzufuhr die konventionelle Dampfzufuhr simulieren, indem die Dampfzufuhr unterhalb einer Gesteinsschüttung in einem Behältnis in Ofenform angebracht ist. Bei Zugabe von flüssigem Wasser kann dies durch Sensoren detektiert werden und die Dampfzugabe auslösen. Alternativ kann die Dampfzugabe automatisiert erfolgen, beispielsweise zeitlich geregelt, vorzugsweise in einer Abfolge von mehreren Intervallen, beispielsweise nach der Betätigung eines Schaltelements. Das zugegebene flüssige Wasser wird in einem Auffangbehälter unterhalb der Steine gesammelt. Die Entnahme von thermischer Energie und Dampf aus dem Speichersystem führt zu einer Absenkung des Dampfdrucks mit der Zeit. Beim späteren Beladevorgang des Innenraums der Saunakabine mit thermischer Energie und Dampf steigt der Dampfdruck jedoch wieder an.
-
Vorzugsweise umfasst die Saunaanlage wenigstens ein Solarmodul zur Bereitstellung von elektrischer Energie zum Betrieb von elektrischen Komponenten der Saunaanlage.
-
Zur Strombereitstellung für den Betrieb von elektrischen Komponenten der Saunaanlage, beispielsweise einer Steuerung sowie diverser Komponenten, umfasst die Saunaanlage wenigstens ein Solarmodul, vorzugsweise ein oder mehrere Photovoltaikmodule. Das wenigstens eine Solarmodul wird mit einer kleinkapazitiven Batterie oder mit einem langlebigeren Superkondensator gekoppelt. Alternativ kann ein Teil des für den Betrieb benötigten Stroms mittels thermoelektrischen Generatoren aus der thermischen Energie des Speichersystems generiert werden.
-
Vorzugsweise erfolgt ein energieautarker Betrieb der Saunaanlage ohne Stromanschluss an ein elektrisches Stromnetz.
-
Zum Betrieb der Saunaanlage ist keine elektrische Stromversorgung über das Stromnetz vorgesehen. Das Speichersystem wird vorzugsweise nicht mittels elektrischer Energie beheizt und die elektrischen Komponenten der Saunaanlage werden nicht mittels elektrischen Stroms betrieben. Vorzugsweise stellt ein Solarkollektor die thermische Energie für das Speichersystem bereit und die elektrischen Komponenten werden vorzugsweise durch ein Solarmodul angetrieben. Dies ermöglicht einen weitgehend energieautarken Betrieb der Saunaanlage, die fernab von elektrischen Stromnetzen betrieben werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Saunaanlage einen besonders umweltfreundlichen Betrieb.
-
Vorzugsweise ist der zumindest eine Solarkollektor auf der Saunakabine, vorzugsweise an einer Außenwand der Saunakabine, weiter vorzugsweise auf einem Dach der Saunakabine angeordnet.
-
Der zumindest eine Solarkollektor ist bevorzugt unmittelbar auf der Saunakabine angeordnet, vorzugsweise außerhalb der Saunakabine unmittelbar an einer ihrer Außenwände, vorzugsweise dem Dach angeordnet. Dies begünstigt die Sammlung der im Sonnenlicht enthaltenen Energie, die dann zur Heizung des ersten Wärmeträgerfluids verwendet wird. Weiterhin können aufgrund der unmittelbaren Nähe des zumindest einen Solarkollektors zur Saunakabine und somit zum Speichersystem die Länge der Rohrleitungen zwischen dem zumindest einen Solarkollektor und dem Speichersystem und die dadurch zurückgelegte Strecke des ersten Wärmeträgerfluids möglichst kurz ausgeführt werden. Dadurch wird der Verlust von thermischer Energie vermindert und das Speicherfluid in dem Druckbehälter kann eine Temperatur von größer als 100°C, vorzugsweise größer als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C, aufweisen. Dies gewährleistet wiederum den Betrieb einer finnischen Sauna mit einer Betriebstemperatur von bis zu 100°C oder mehr in der Saunakabine.
-
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines Speichersystems, umfassend einen Druckbehälter, für eine Saunaanlage.
-
Durch die erfindungsgemäße Verwendung wird eine Saunaanlage betrieben, die sämtliche zuvor ausführlich beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Saunaanlage aufweist. Durch die Verwendung eines Speichersystems, das einen Druckbehälter umfasst, kann eine Saunaanlage betrieben werden, wobei durch das Speichersystem sowohl thermische Energie als auch Dampf bereitgestellt und dem Innenraum der Saunakabine zugeführt werden können. Die Zufuhr von thermischer Energie ermöglicht dabei eine Lufterhitzung in der Saunakabine auf eine Temperatur von bis zu 100°C oder mehr. Desweiteren kann durch die Bereitstellung von Dampf die Luftfeuchtigkeit in dem Innenraum der Saunakabine eingestellt werden.
-
Mit der beschriebenen thermischen Entladung bzw. Wärmeentnahme aus dem Speichersystem ist es möglich, die thermische Energie in den Innenraum der Saunakabine kontrolliert zuzuführen, sodass definierte Temperaturen über variable Zeiträume eingestellt werden können. Weiterhin ersetzt die beschriebene Aufheizung der Saunaluft in dem Innenraum der Saunakabine durch das Heizelement den klassischen Aufheizprozess mittels elektrischer Heizstäbe im Ofen und ermöglicht folglich einen energieautarken Betrieb einer Saunaanlage ohne Stromanschluss an ein Stromnetz. Die gezielte Dampfzufuhr durch das Speichersystem ersetzt die konventionelle Dampfzufuhr mittels manuellem Aufguss von flüssigen Wasser auf heißen Steinen und augenblicklicher Verdampfung. Darüber hinaus kann das Speichersystem thermisch isoliert sein, um so die Effizienz der Saunaanlage weiter zu steigern.
-
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigenden Zeichnung erläutert, wobei
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Saunaanlage zeigt.
-
Wie 1 zeigt, umfasst die erfindungsgemäße Saunaanlage 1 des Ausführungsbeispiels eine Saunakabine 3, ein Speichersystem 5 zur Speicherung von thermischer Energie und Dampf, ein Heizelement 7 und ein Dampfübertragungssystem 9.
-
Die Saunakabine 3 ist als eine Außensauna ausgestaltet und ist nach außen wärmeisoliert, d.h., eine wärmeisolierende Schicht umgibt die Außenwände der Saunakabine. Die Saunakabine 3 umgibt ferner einen Saunainnenraum 11, der zum Saunieren ausgestaltet ist. Die Saunakabine 3 kann auch als eine Innensauna ausgestaltet sein, d.h. innerhalb eines Gebäudes angeordnet sein (nicht gezeigt).
-
Das Speichersystem 5 ist innerhalb der Saunakabine 3, vorzugsweise im Saunainnenraum 11, angeordnet und umfasst einen Druckbehälter 13. Der Druckbehälter 13 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet mit einer Mittellängsachse 15, die sich zwischen einem ersten, oberen Ende 17, und einem gegenüberliegenden zweiten, unteren Ende 19 des Druckbehälters 13 erstreckt. Ferner umfasst das Speichersystem 5 ein Wärmezufuhrelement 21, beispielsweise ein Rippenrohrwendel-Wärmeübertrageelement, das zur Zufuhr von thermischer Energie an das Speichersystem 5 ausgestaltet ist. Das Wärmezufuhrelement 21 ist innerhalb des Druckbehälters 13 angeordnet, vorzugsweise in einem Bereich angrenzend an das zweite, untere Ende 19 des Druckbehälters 13.
-
Der Druckbehälter 13 ist teilweise mit einem Speicherfluid 23 befüllt. Das Speicherfluid 23 ist flüssig, d.h. es liegt in der flüssigen Phase vor. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Speicherfluid 23 um Wasser bzw. druckbeaufschlagtes Wasser, welches ein Volumen umfasst, das sich von dem zweiten, unteren Ende 19 des Druckbehälters 13 bis zu einem Bereich des Druckbehälters 13 erstreckt, der von dessen ersten, oberen Ende 17 beabstandet ist. So weist der Druckbehälter 13 ein Hohlraumvolumen 25 oberhalb des Speicherfluids 23 auf, der von einer Oberfläche 27 des Speicherfluids 23 und dem ersten, oberen Ende 17 des Druckbehälters 13 begrenzt wird. Die Oberfläche 27 des Speicherfluids 23 entspricht somit einer Grenzfläche zwischen der flüssigen Phase des Speicherfluids 23 und einer dampfförmigen Phase im Hohlraumvolumen 25 und ist die Fläche des Speicherfluids 23, die dem ersten, oberen Ende 17 des Druckbehälters 13 zugewandt ist. In dem Speichersystem 5 wird Dampf erzeugt, der als Dampf in dem Hohlraumvolumen 25 gespeichert ist. Das Speicherfluid 23 weist eine Temperatur von größer als 100°C, vorzugsweise größer als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C, auf. Der Speicherfluid 23 weist einen Druck von vorzugsweise 2 bar auf.
-
Die Saunaanlage 1 umfasst ferner zumindest einen Solarkollektor 29, der als solarthermischer Vakuumflachkollektor ausgestaltet ist. Der Solarkollektor 29 ist außerhalb der Saunakabine 3 an deren Außenwand 31, beispielsweise auf dem Dach, angeordnet und ist mit dem Speichersystem 5 gekoppelt. Die Kopplung erfolgt über eine erste und eine zweite Rohrleitung 33, 35, mittels derer ein erstes Wärmeträgerfluid zyklisch von dem Wärmezufuhrelement 21 des Speichersystems 5 zu dem zumindest einen Solarkollektor 29 hin- und zurückgeführt wird. Die Rohrleitungen 33, 35 verlaufen teilweise innerhalb der Saunakabine 3 und teilweise außerhalb der Saunakabine 3. Dadurch, dass der Solarkollektor 29 direkt an der Außenwand 31 der Saunakabine 3 angeordnet ist, können die Rohrstrecken und somit die thermischen Verluste minimiert werden. In wenigstens einer der Rohrleitungen 33, 35 ist ein Pumpenelement 37, beispielsweise eine Solarkreispumpe, angeordnet, mittels derer das erste Wärmeträgerfluid durch das Wärmezufuhrelement 21 des Speichersystems 5 geführt wird, sodass das erste Wärmeträgerfluid in einem Kreislauf geführt wird.
-
Es ist auch denkbar, dass der zumindest eine Solarkollektor 29, der als solarthermischer Vakuumkollektor ausgestaltet ist, nicht an der Außenwand 31 der Saunakabine 3, beispielsweise auf dem Dach der Saunakabine 3, angeordnet ist, sondern außerhalb eines Gebäudes, vorzugsweise auf dem Dach eines Gebäudes, in dem die Saunakabine 3 als Innensauna aufgebaut ist (nicht gezeigt). Dabei kann der zumindest eine Solarkollektor 29 ein Bestandteil einer bestehenden Gebäudeheizung sein.
-
Das Wärmezufuhrelement 21 ist innerhalb einer Schichtbeladeeinrichtung 39 angeordnet, die zur temperaturabhängigen, schichtweisen Beladung des Speichersystems 5 mit thermischer Energie ausgestaltet ist. Die Schichtbeladeeinrichtung 39 ist in dem Druckbehälter 13 angeordnet und erstreckt sich als langgestrecktes Element entlang der Mittellängsachse 15 des Druckbehälters 13 von dem zweiten, unteren Ende 19 hin zum ersten, oberen Ende 17. So ist die Schichtbeladeeinrichtung 39 seitlich und oberhalb von dem Speicherfluid 23 umgeben. Die Schichtbeladeeinrichtung 39 ist ferner beabstandet von der Oberfläche 27 des Speicherfluids angeordnet, sodass sie gleichmäßig von allen Seiten von dem Speicherfluid 23 umgeben ist.
-
Dadurch, dass das Wärmezufuhrelement 21 in der Schichtbeladeeinrichtung 39 angeordnet ist und das erste Wärmeträgerfluid von dem Solarkollektor 29 mittels der Rohrleitungen 33, 35 zu dem Wärmezufuhrelement 21 hin- und zurückgeführt wird, werden das Speicherfluid 23 und das erste Wärmeträgerfluid in getrennten Kreisläufen geführt. Dabei kann das Speicherfluid 23 das gleiche Fluid wie das erste Wärmeträgerfluid sein, d.h. es weist im Wesentlichen die gleichen stofflichen und thermodynamischen Eigenschaften auf. Es können aber auch völlig unterschiedliche Fluide als Speicherfluid 23 und erstes Wärmeträgerfluid verwendet werden. Weiterhin ist denkbar, dass das Speicherfluid 23 und das erste Wärmeträgerfluid Fluide sind, die sich unterscheiden, d.h., die stofflichen und thermodynamischen Eigenschaften sind unterschiedlich. Beispielsweise kann das erste Wärmeträgerfluid mit einem höheren Druck als das Speicherfluid 23 beaufschlagt sein, wobei beide Fluide vorzugsweise Wasser sind. Es ist aber auch möglich, dass das Speicherfluid 23 eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, ist, vorzugsweise druckbeaufschlagtes Wasser, wohingegen das erste Wärmeträgerfluid ein Öl oder ein Gemisch aus wenigstens zwei Flüssigkeiten, beispielsweise Öl und Wasser oder Alkohol und Wasser, ist.
-
Weiterhin ist als eine alternative Ausführungsform denkbar (nicht dargestellt), dass das Speicherfluid 23 und das erste Wärmeträgerfluid das gleiche Fluid, also ein und dasselbe Fluid sind, und in einem gemeinsamen Kreislauf geführt werden.
-
Das Heizelement 7 ist im Saunainnenraum 11 der Saunakabine 3 angeordnet und ist als Rippenrohrschlangen-Wärmeübertragungselement ausgestaltet, durch das die thermische Energie aus dem Speichersystem 5 in die Saunakabine 3 übertragen wird. Das Heizelement 7 ist als Wandelement in der Saunakabine integriert. Es wäre aber auch denkbar, das Heizelement 7 zusätzlich oder alternativ als Eck- oder Säulenelement in die Saunakabine 3 zu integrieren. Das Heizelement 7 weist eine Höhe auf, die wenigstens halb so hoch wie die Höhe der Saunakabine 3 ist. Des Weiteren ist das Heizelement 7 mit dem Speichersystem 5 mittels einer dritten und vierte Rohrleitung gekoppelt 41, 43. Mittels der dritten Rohrleitung wird das in einem oberen Bereich des Druckbehälters 13 knapp unterhalb der Oberfläche 27 des Speicherfluids 23 entnommene Speicherfluid 23 zu dem Heizelement 7 geführt. Das Speicherfluid 23 wird in einem oberen Bereich des Heizelements 7 in das Heizelement 7 eingeführt und durchläuft dieses von oben nach unten. Demzufolge verlässt das Speicherfluid 23 das Heizelement 7 in einem unteren Bereich des Heizelements 7 und wird von dem Heizelement 7 mittels der vierten Rohrleitung 43 zurück in einen unteren Bereich des Druckbehälters 13 nahe an dessen zweiten, unteren Ende 19, in einen Bereich des Speicherfluids 23, der von dessen Oberfläche 27 entfernt ist, geführt. In einer der beiden Rohrleitungen 41, 43 ist eine Pumpe 45, beispielsweise eine Umwälzpumpe angeordnet, die die Zirkulation des Speicherfluids 23 durch die Rohrleitungen 41, 43 zwischen dem Druckbehälter 13 und dem Heizelement 7 begünstigt.
-
Das Heizelement 7 ist mit einer Holzverkleidung entsprechend dem Material der Innenverkleidung der Saunakabine 3 verkleidet, wodurch ein Kamineffekt verstärkt wird. Zur Unterstützung der Luftkonvektion durch den Kamineffekt, wird die Luft aus dem Saunainnenraum 11 durch einen Umluft-Ventilator 47 durch das Heizelement 7 geführt. Das dem Heizelement 7 zugeführte Speicherfluid 23 kühlt sich dabei ab und wird mittels der vierten Rohrleitung 43 zurück in den unteren Bereich des Druckbehälters 13 geführt. Um die Wärmeverluste durch eine kontinuierliche Frischluftzufuhr während des Betriebs der Saunaanlage 1 möglichst gering zu halten, umfasst die Saunaanlage weiterhin einen Luftvorwärmer umfassend ein Luft-Luft-Gegenstrom-Wärmeübertragungselement 49. Das Luft-Luft-Gegenstrom-Wärmeübertragungselement 49 ist außerhalb der Saunakabine 3 angeordnet und ist mit einem ersten Ventilator 51 und einem zweiten Ventilator 53 fluidisch, beispielsweise mittels Rohrleitungen, verbunden. Der erste Ventilator 51 und das Luft-Luft-Gegenstrom-Wärmeübertragungselement 49 sind fluidisch mit dem Saunainnenraum 11 verbunden. Die Abluft der Saunaanlage 1 wird über den ersten Ventilator 51 aus der Saunakabine 3 durch das Luft-Luft-Gegenstrom-Wärmeübertragungselement 49 abgeführt. Die Frischluft wird über den zweiten Ventilator 53 durch das Luft-Luft-Gegenstrom-Wärmeübertragungselement 49 der Saunakabine 3 zugeführt.
-
Das Heizelement 7 kann ein konventioneller Heizofen sein, der anstelle mit der Stromheizung durch das mittels der Rohrleitungen 41, 43 von dem Speichersystem 5 zu dem Heizelement 7 hin- und zurückgeführte Speicherfluid 23 geheizt wird.
-
Das Dampfübertragungssystem 9 ist an dem ersten, oberen Ende 17 des Druckbehälters 13 mit dem Speichersystem 5 gekoppelt und überträgt den im Speichersystem 5 erzeugten Dampf in die Saunakabine 3. Insbesondere wird der Dampf, der in dem Hohlraumvolumen 25 erzeugt wird, mittels des Dampfübertragungssystems 9 in die Saunakabine 3 übertragen. Dazu wird der Dampf über eine fünfte Rohrleitung 55 mit angeschlossenen Dampfaustrittelement 57, beispielsweise ein Ventil, in den Saunainnenraum 11 der Saunakabine 3 übertragen. Dieses Dampfaustrittelement 57 kann manuell, beispielsweise mittels einer Zugleine oder einem Schaltelement, beispielsweise einem Relais, gesteuert sein. Das Dampfaustrittelement 57 kann aber auch automatisch gesteuert sein. Es ist denkbar, dass das Dampfaustrittelement 57 und das Heizelement 7 angrenzend zueinander angeordnet sind, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse (nicht dargestellt). Es ist aber auch denkbar, dass das Dampfaustrittelement 57 eine besondere Formgebung aufweist oder dass das Dampfaustrittelement 57 in einem Element mit einer besonderen Formgebung, beispielsweise eine Skulptur wie eine Drachenkopfskulptur, integriert ist. So könnte der Dampf aus einem Rachen einer Drachenkopfskulptur austreten (nicht dargestellt).
-
Die Saunaanlage 1 umfasst ferner wenigstens ein Solarmodul 59, beispielsweise ein Photovoltaikmodul zur Bereitstellung von elektrischer Energie zum Betrieb von elektrischen Komponenten der Saunaanlage 1. Das Solarmodul 59 ist wie der wenigstens eine Solarkollektor 29 außerhalb der Saunakabine 3 an deren Außenwand 31, beispielsweise auf dem Dach, angeordnet. Im Falle der Ausführung der Saunaanlage 1 als eine Innensauna (nicht dargestellt), kann der wenigstens eine Solarkollektor 29 auf dem Dach eines Gebäudes angeordnet sein, in dem die Saunaanlage 1 aufgestellt ist. So werden die Pumpen 37, 45 und die Ventilatoren 47, 51, 53, aber auch eine Regelung 61 oder eine Sauna-Beleuchtung etc. mit elektrischer Energie versorgt. Der Teil der elektrischen Energie, der für die elektrischen Komponenten während der Aufheizung und dem Betrieb der Saunaanlage 1 erforderlich ist, wird in einem Speicher 63, beispielsweise einem Lithium-Ionen-Batteriespeicher, gespeichert. Die elektrische Energie kann auch zusätzlich oder alternativ zu dem wenigstens einen Solarkollektor 29 zum Heizen des Speichersystems 5 verwendet werden.
-
Die Regelung 61 steuert alle Pumpen 37, 45 und Ventilatoren 47, 51, 53 und stellt deren Massen- bzw. Volumenströme ein. Außerdem reguliert die Regelung 61 die Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit in der Saunakabine 3, überwacht den Druck im Speichersystem 5 und bestimmt die momentanen Ladezustände des Speichersystems 5 sowie die des Speichers 63. Zum sicheren Betrieb umfasst das Speichersystem 5 ein Sicherheitsventil 65, welches im Sicherheitsfall den Überdruckdampf an die Umgebung außerhalb der Saunaanlage 1 ablässt und so den Druck im Druckbehälter 13 des Speichersystems 5 senkt. Vorzugsweise ist das Sicherheitsventil 65 ausgestaltet, damit der Druck innerhalb des Speichersystems 5, vorzugsweise innerhalb des Druckbehälters 13, einen Druck von 10 bar nicht übersteigt.
-
Als alternative Ausführungsform (nicht dargestellt) umfasst das Speichersystem 5 ein Wärmeabgabeelement zur Abgabe von thermischer Energie von dem Speichersystem 5 an das Heizelement 7, wobei ein zweites Wärmeträgerfluid von dem Wärmeabgabeelement zu dem Heizelement 7 hin- und zurückgeführt wird. Das Wärmeabgabeelement ist in dem Druckbehälter 13 derart angeordnet, sodass es wie die Schichtbeladeeinrichtung 39 mit integriertem Wärmezufuhrelement 21 von dem Speicherfluid 23 vollständig umgeben ist. In diesem Fall sind die dritte Rohrleitung 41 und die vierte Rohrleitung 43 jeweils mit dem oberen und gegenüberliegenden, unteren Ende des Wärmeabgabeelements verbunden, sodass das zweite Wärmeträgerfluid in einem von dem Kreislauf des Speicherfluids 23 getrennten Kreislauf zwischen dem Wärmeabgabeelement und dem Heizelement 7 geführt wird. Das zweite Wärmeträgerfluid wird über die dritte Rohrleitung 41 von dem Wärmeabgabeelement zu dem Heizelement 7 geführt, durchläuft das Heizelement 7 von oben nach unten, und wird über die vierte Rohrleitung 43 zurück zu dem Wärmeabgabeelement geführt. Dabei kann das Speicherfluid 23 das gleiche Fluid wie das zweite Wärmeträgerfluid sein, d.h. die gleichen stofflichen und thermodynamischen Eigenschaften aufweisen. So kann das Speicherfluid 23 und das zweite Wärmeträgerfluid eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, weiter vorzugsweise druckbeaufschlagtes Wasser sein. Es ist aber auch denkbar, dass sich beide Fluide hinsichtlich der stofflichen und thermodynamischen Eigenschaften voneinander unterscheiden.
-
Das Speichersystem 5 umfassend einen Druckbehälter 13 kann wie folgt für eine erfindungsgemäße Saunaanlage 1 verwendet werden:
-
Das Speichersystem 5 wird durch den wenigstens einen Solarkollektor 29 mit thermischer Energie beladen. Dazu wird das Wärmeträgerfluid, beispielsweise mit Druck beaufschlagtes Wasser, in dem wenigstens einen Solarkollektor 29 erhitzt. Mittels der Solarkreispumpe 37 wird das erhitzte Wärmeträgerfluid durch die erste und zweite Rohrleitung 33, 35 in einem Kreislauf geführt. So wird das erste Wärmeträgerfluid von dem wenigstens einen Solarkollektor 29 über die erste Rohrleitung 33 zu dem Wärmezufuhrelement 21 in dem Druckbehälter 13 geführt. Es durchströmt das Wärmezufuhrelement 21 und wird über die zweite Rohrleitung 35 zurück zu dem Solarkollektor 29 geführt. Während das erste Wärmeträgerfluid das Wärmezufuhrelement 21 durchströmt, wird die thermische Energie des Wärmeträgerfluids an das Speicherfluid 23 im Druckbehälter 13 des Speichersystems 5 übertragen. Dadurch dass das Wärmezufuhrelement 21 in einer Schichtbeladeeinrichtung 39 angeordnet ist, erfolgt eine schichtweise Beladung des Druckbehälters 13 mit thermischer Energie. Das Speicherfluid 23 weist dadurch eine thermische Schichtung auf, sodass das Speicherfluid 23 von unten nach oben geheizt wird und aufsteigen kann. So stellt sich im oberen Bereich des Speicherfluids 23, knapp unterhalb der Oberfläche 27 bzw. Grenzfläche zum Hohlraumvolumen 25 eine Temperatur von mehr als 100°C, vorzugsweise mehr als 110°C, weiter vorzugsweise größer als 120°C, ein.
-
Für den Eintrag der thermischen Energie in den Saunainnenraum 11 der Saunakabine 3 wird das Speicherfluid 23 aus dem oberen Bereich des Speicherfluids 23, knapp unterhalb der Oberfläche 27 bzw. Grenzfläche zum Hohlraumvolumen, mittels der Umwälzpumpe 45 durch die dritte Rohrleitung 41 hindurch zu dem Heizelement 7 geführt und durchläuft dieses von oben nach unten. Während dessen wird die thermische Energie des Speicherfluids 23 in die Saunainnenraum 11 der Saunakabine 3 abgeben und die Saunaluft wird auf eine Temperatur von bis zu 100°C oder mehr erhitzt. Während des Durchlaufs durch das Heizelement 7 kühlt das Speicherfluid 23 nach und nach ab, steigt in dem Heizelement 7 ab, und wird durch die vierte Rohrleitung 43 zurück zu dem Druckbehälter 13 geführt. So entsteht ein weiterer Kreislauf, in dem das Speicherfluid 23 geführt wird. In dem Hohlraumvolumen 25 innerhalb des Druckbehälters 13 wird aufgrund des geheizten Speicherfluids 23 Dampf erzeugt. Dieser Dampf wird über die fünfte Rohrleitung 55 mit angeschlossenen Ventil 57 in die Saunakabine 3 bzw. deren Saunainnenraum 11 übertragen, entweder automatisiert gesteuert durch die Regelung 61 oder über eine manuell betätigbare Zugleine.
-
Die erfindungsgemäße Saunaanlage 1 ermöglicht somit einen energieautarken und umweltfreundlichen Betrieb einer Sauna ohne einen Stromanschluss an ein elektrisches Stromnetz. Durch die Kopplung wenigstens eines Solarkollektors 29 mit einem Speichersystem 5 umfassend einen Druckbehälter 13 ist der Betrieb der Saunaanlage 1 mittels erneuerbarer Energien möglich. Gleichzeitig werden in dem Druckbehälter 13 des Speichersystems 5 thermische Energie und Dampf gespeichert und es ist eine zeitlich und räumlich variable und kontrollierbare Zufuhr von thermischer Energie und Dampf in die Saunakabine 3 möglich. So kann thermische Energie in den Saunainnenraum 11 der Saunakabine 3 zugeführt werden, die eine Lufterhitzung von bis zu 100°C oder mehr und somit den Betrieb einer finnischen Sauna ermöglicht. Gleichzeitig kann der in dem Druckbehälter 13 erzeugte Dampf in die Saunakabine 3 zur Einstellung der Luftfeuchtigkeit übertragen werden. Dies ersetzt die konventionelle Dampfzufuhr mittels (manuellem) Aufguss von flüssigem Wasser auf heißen Steinen und augenblicklicher Verdampfung.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Saunaanlage
- 3
- Saunakabine
- 5
- Speichersystem
- 7
- Heizelement (Rippenrohrschlangen-Wärmeübertragungselement)
- 9
- Dampfübertragungssystem
- 11
- Saunainnenraum
- 13
- Druckbehälter
- 15
- Mittellängsachse
- 17
- erstes, oberes Ende
- 19
- zweites, unteres Ende
- 21
- Wärmezufuhrelement
- 23
- Speicherfluid
- 25
- Hohlraumvolumen
- 27
- Oberfläche
- 29
- Solarkollektor
- 31
- Außenwand der Saunakabine
- 33
- erste Rohrleitung
- 35
- zweite Rohrleitung
- 37
- Pumpenelement (Solarkreispumpe)
- 39
- Schichtbeladeeinrichtung
- 41
- dritte Rohrleitung
- 43
- vierte Rohrleitung
- 45
- Pumpe (Umwälzpumpe)
- 47
- Umluft-Ventilator
- 49
- Luft-Luft-Gegenstrom-Wärmeübertragungselement
- 51
- erster Ventilator
- 53
- zweiter Ventilator
- 55
- fünfte Rohrleitung
- 57
- Dampfaustrittelement (Ventil)
- 59
- Solarmodul (Photovoltaikmodul)
- 61
- Regelung
- 63
- Speicher (Lithium-Ionen-Batteriespeicher)
- 65
- Sicherheitsventil
